煤矿电网谐波分析与治理研究.doc

煤矿机械Coal Mine Machinery Vol.32No.06 Jun.2011 第32卷第06期2011年06月 0引言 随着电力电子技术和计算机控制技术的飞速发展,为了使煤矿设备得到更好的启动和运行特性,提高设备运行可靠性,减少电能损耗,延长设备使用寿命,煤矿设备朝着大功率、变频化方向发展。但新的设备同时给电网造成了更大的“谐波污染”,这已经成为矿井供电和生产设备安全运行的公害之一。 1现代化矿井谐波分析 以某矿为例,该矿的副井提升电机由原来的同步电动机直流发电机直流电动机拖动方式改为整流变压器IGBT场效应管整流方式来拖动直流电机。在整个改造中应用了大型IGBT场效应管,改造后的系统具有设备先进、便于自动控制提升机的运行、设备维护费用及维护量大大降低等显著的优点,但同时使得矿变电所的供电谐波污染更加严重,功率因数明显下降。由于产生的谐波次数比较低,所以这类大型设备污染最为严重。 不仅如此,该矿在空压机房和排水泵房进行了变频改造,采用了变频水泵、各种变频启动器等。由于此类设备不仅在交流变直流过程中产生谐波,而且在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电网,因而此类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波,还有高次谐波。 大量的谐波使得煤矿供电电压波形发生畸变而使供电质量下降,同时还会使煤矿井下供电系统的漏电装置发生误动作。谐波还会对于采用PLC控制的提升设备发生干扰,使PLC发生死机、失控、程序紊乱等现象,造成PLC死机,影响了矿井提升,造成较大的经济损失。由此可见,谐波严重影响了矿井供电及生产安全,因此解决煤矿电力系统谐波抑制及无功补偿问题变得日益迫切。 2有源电力滤波器 理论和实践都证明,有源电力滤波器APF是谐波抑制和无功补偿的先进方法,与无源滤波器相比,APF具有高度可控制和快速响应特性,并且能跟踪补偿各次谐波、自动产生所需变化的无功功率,其特性不受系统影响,无谐波放大危险,相对体积重量较小等突出优点,已成为电力谐波抑制和无功补偿的重要手段。 有源电力滤波器结构示意图如图1所示。 图1有源电力滤波器结构示意图 煤矿电网谐波分析与治理研究* 李莉娜1,胡新颜1,刘春峰2 1.山东科技大学,山东泰安271000;2.山东莱芜煤矿机械有限公司,山东莱芜271100 摘要首先分析了某矿现代化改造后各设备所引起的电网谐波现象和谐波对矿井安全的危害。其次,在此基础上设计了采用三相并联型有源电力滤波器实现谐波治理和无功补偿的控制方案,并对该滤波器进行了数学建模。最后以该矿副井提升机作为非线性负载对象,对该控制模型进行了仿真。仿真结果表明,该控制方案可行,系统具有良好的动静态性能。 关键词谐波;并联有源电力滤波器;仿真 中图分类号TM712文献标志码A文章编号1003-0794201106-0235-03 Analysis and Research on Harmonic Wave Control of Electric Power Supply System in Mine Enterprise LI Li-na1,HU Xin-yan1,L IU Chun-feng2 1.Shandong University of Science and Technology,Tai’an271000,China;2.Shandong Laiwu Coal Mining Mcahinery Co.,Ltd.,Laiwu271100,China AbstractFirst the source and the harm of harmonic of a coal in modernized transation are analysed.Secondly,a parallel three-phase active power filters is designed to control the harmonics and reactive power compensation.Meanwhile,building the mathematical model of the filter.Finally,the control model is verified by simulation according to the mine elevator as a non-linear load and the results of simulation show the control scheme is feasible,and have good dynamic and static perance. Key wordsharmonic;parallel active power filters;simulation *山东科技大学科学研究“春蕾计划”项目2008AZZ161 电网负载 谐波 检测 控制 电路 主电路 235 有源电力滤波器按接入电网的方式分为串联 型、并联型和混合型3种。在这3种有源电力滤波器中,并联型有源电力滤波器能够有效地补偿电流源型非线性负载产生的无功和谐波电流,已被广泛研究并有相应产品问世。因此本文针对煤矿电网的实际情况建立了三相并联型有源电力滤波器数学模型,并对其在某煤矿副井提升机谐波治理方面的应用进行了仿真验证。 3并联型有源电力滤波器及其数学模型 如图2所示为三相三线制结构的并联型有源电力滤波器PAPF 。 图2三相并联型有源电力滤波器 为了使电源电流i s 中只包含基波成分,而不存在谐波分量,PAPF 通过实时检测电网的电压电流,经运算得到控制指令,使控制电路产生与负载电流的谐波分量大小相等、方向相反的补偿电流,从而抵消电网中的谐波电流,最终得到期望的电网电流。从本质上讲,PAPF 可看作一个大容量的谐波电流发生装置。它通过实时跟踪和补偿电网中的畸变波形,不仅可以滤除任意频率、任意幅值和相位的谐波,而且使无功功率得到完全补偿。 并联型有源电力滤波器的数学模型与主电路的结构和控制算法密切相关。目前PAPF 主电路主要采用PWM 变流器,这样PAPF 的性能很大程度上就依赖于系统采用的控制算法。常规的PI 控制以其简单快速、易于实现的特点得到广泛的应用。本文以此为基础建立其数学模型。 采用开关函数描述的一般数学模型建模方式进行建模,所建模型是对PAPF 开关过程的精确描述。为了便于分析在这里定义三相桥臂开关函数 S i 1,上桥臂导通,下桥臂关断 2,上桥臂关断,下桥臂导, 通 1按照图2所定义的电压和电流方向,根据基尔霍夫定律得到三相有源电力滤波器的电压和电流关系方程为 L d i ca d t Ri ca u sa -S a u dc -13 u dc S a S b S c L d i cb d t Ri cb u sb -S b u dc -13 u dc S a S b S c L d i cc d t Ri cc u sc -S c u dc -13 u dc S a S b S c ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2 根据基尔霍夫定律,直流侧电流满足 C d u dc d t i ca S a i cb S b i cc S c 3联立式1、式2可以得到用开关函数描述的并联型有源电力滤波器PAPF 的数学模型为 4系统仿真与分析 为进一步研究PAPF 滤波和无功补偿效果,同时也为PAPF 主电路的参数设计和选取提供指导,对三相并联型有源电力滤波器进行了Matlab 仿真, 并根据某矿副井提升机负载作为非线性负载模型。如图3所示为补偿前负载电流波形,可见负载电流中含有大量的谐波及无功分量。图4所示为补偿后电网电流波形,从图中可以看出经过补偿后的电流与电网电压具有完全相同的相位,波形基本为正弦波。 同时也可以从补偿后电网电流波形看出,在负载电流突变时,有源电力滤波器跟踪速度不够快,补偿后的电网电流有尖峰,这主要是由于控制系统延时及非线性负载造成的。 图3 补偿前负载侧电流 图4补偿后电网电流 5 结语 本文在对某煤矿现代化改造后引起电网谐波 污染的分析基础上提出了采用三相并联型有源电力滤波器进行滤波和无功补偿,并对该滤波器在 第32卷第06期 Vol.32No.06煤矿电网谐波分析与治理研究李莉娜,等L 0000L 0000L 000000000000000000 00000000000000 C d d t i ca i cb i cc u dc 00000000000000 00000000000000 -R 00-S a -13 S a S b S c 0-R 0-S b -13S a S b S c 00-R -S c -13 S a S b S c S a S b S c 0000000000000000000000 0000000000000000000000 i ca i cb i cc u dc 0000000000000000000000000000 u sa u sb u sc 00000000000000 00000000000000 0U sa L sa L sb L sc U sb U sc i sa i sb i sc U s 电源 i La i Lb i Lc L a L b L c 非线性负载 有源滤波器 i Cc i Cb i Ca u dc a b c I L /A T /s 0.020.04 0.060.080.100.12 -50-40-30-20-1001020304050T /s 0.02 0.04 0.06 0.080.100.12 -100 -80-60-40-20020406080100I s /A 236 MATLAB 中进行了仿真。从得到的仿真结果可以看出,并联型有源电力滤波器对副井提升房供电电源中的谐波有着明显的抑制作用,使流入电网的电流波形得到明显改善,达到了补偿和抑制谐波的目的。 从本文可以得出,有源滤波器的使用对煤矿设备和电网的安全运行、节能减排、改善供电质量有着很重要的意义,使电能真正成为无“污染”的绿色能源。 参考文献 [1]任子晖,石莹,付华科,等.基于小波和FFT 的煤矿电网谐波测量 分析[J ].煤矿机械,2010,31699-100. 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[5]刘钊.煤矿电网谐波处理[J ].煤矿机械,2004,25569-70.[6]周佩华,王峰,王敦胜,等.串联12脉波电路谐波的MATLAB 仿 真与滤波器设计[J ].煤矿机械,2006,271021-23. 作者简介李莉娜1978-,女,山东泰安人,讲师,硕士学位, 2006年毕业于山东科技大学,控制理论与控制工程,现主要讲授自动化专业课程,电子信箱. 责任编辑马宝玲收稿日期2010-12-24 煤矿机械 Coal Mine Machinery Vol.32No.06Jun.2011 第32卷第06期2011年06月 引言 综采是煤矿开采技术现代化的重要标志。液压支架作为综采工作面主要设备之一,其主要作用是支护采场顶板,维护作业空间的安全和推移工作面采运设备。提高液压支架的性能是提高综采机械化的重要途径。本文以ZY6000/25/50型两柱掩护式液压支架为例,介绍了如何利用Pro/E 和ADAMS 进行液压支架的三维建模及运动仿真与分析,从而可以更好地获得液压支架的运动过程及相关的参数。 1三维建模 Pro/E 的建模功能比ADAMS 自带的建模功能 强大许多,所以利用三维建模软件Pro/E 进行建模。采用自下而上的原则进行设计,即先建立液压支架各零件及部件的三维模型,然后对其进行总体装配。 1.1零部件的建模 在Pro/E 中,由于液压支架各个部件,如顶梁、掩护梁、底座等都是焊接件,可将其视为刚性体,元件之间无相对运动,对其完全约束。对这类部件的建模方法有2种 1对焊接类部件的组成零件独立建模,然后再将这些组成零件通过装配方法装配成部件,建立 成一个.asm 格式文件;2省略各个零件的单独建模,直接对部件进基于Pro/E 与ADAMS 的液压支架运动仿真与分析 郑晓雯,张东杰,李锦彪,刘 颖 中国矿业大学北京机电与信息工程学院,北京100083 摘要利用三维建模软件Pro/E 对液压支架进行三维建模,然后将其导入仿真软件ADAMS 中。应用ADAMS 对液压支架进行了运动仿真,并对液压支架升降时顶梁端点的运动轨迹、掩护梁与水平夹角间的关系等进行了分析和研究,验证了设计的合理性。结果表明这种方法可更好地获得液压支架的运动过程及相关的参数。 关键词液压支架;运动仿真;三维建模;ADAMS 中图分类号TD335 文献标志码A 文章编号1003-0794201106-0237-03 Movement Simulation and Analysis of Hydraulic Support Based on Pro/E and ADAMS ZHENG Xiao-wen ,ZHANG Dong-jie ,LI Jin-biao ,LIU Ying School of Mechanical Electronic and Ination Engineering,China University of Mining and TechnologyBeijing, Beijing 100083,China AbstractThe three -dimensional model of a hydraulic support was set up using three -dimensional modeling software Pro/E,and the model was imported into simulation software ADAMS.The movement simulation of the hydraulic support was carried out applying ADAMS.The movement track of the top beam end and the relationship between the caving shield and horizontal angle during the raising and falling period of the hydraulic support were analyzed and verified.The results show that the movement processes and relevant parameters of the hydraulic support are well obtained by means of the .Key wordshydraulic support;movement simulation;three-dimensional modeling;ADAMS 计算机应用 237