Analysis of current and voltage harmonics introduced by the drive systems of a bucket wheel excavator

Abstract

Purpose. The quality of electricity is a problem of major interest, making it necessary to analyze the factors and causes that result in the worsening of the electric energy quality. An important aspect of electricity quality is the introduction of current and voltage harmonics in the alternating current network by non-linear consumers. The paper analyzes the deforming regime introduced by the drive systems of a bucket wheel excavator within a technological line at an open pit mine. Methods. The paper presents the measurements of power quality in a laboratory experimental study and measurements of an upgraded technological line at a lignite open pit. In this sense, the present the study of a distorting regime introduced by the drive systems formed from a static frequency converter and an asynchronous motor, as well as the results of quality power measurements introduced by the drive systems in the electric network. Findings. The paper presents analysis of the voltage and current harmonics introduced in the alternating current network of static converter-asynchronous motor drive systems, which is necessary to establish the deformation factor. The values of the deforming regime are essential to obtain the harmonic compensation solutions. Originality. The originality of the paper consists in the approach to the measurements performed and the analysis of the deforming regime introduced by the electric drive systems. Practical implications. The values of the current and voltage harmonics were determined both by the laboratory measurements and by measurements made on the supply line of a bucket wheel excavator in different operating regimes.

Мета. Дослідження та аналіз гармоніки струму й напруги, що з’являються в мережі змінного струму, а також деформуючого режиму, заданого системами приводу багатоковшового екскаватора на технологічній лінії кар’єра. Методика. Виконано лабораторні вимірювання для дослідження змінного деформуючого режиму, створюваного приводними системами зі статичним перетворювачем частоти – асинхронним двигуном. Виміри проводилися на лабораторному стенді з наступним обладнанням: асинхронний двигун (Pn = 3 кВт), непрямий статичний перетворювач частоти VARISPEED F7, генератор постійного струму, що працює як тормоз навантаження на приводний двигун, обладнання для аналізу якості енергії. Вимірювання проводились при запуску, зміні частоти та при різних значеннях напруги й навантаження, включаючи роботу без навантаження. Результати. Встановлено, що на виході інвертора деформуючий режим сильніше в разі напруги, ніж в разі електричного струму, що відбувається внаслідок особливого режиму формування кривих напруги на виході інвертора. Визначено, що на модернізованій виробничої лінії, що складається з оснащених випрямлячами з широтною модуляцією, спостерігалося, що гармонійний режим значно знижений у порівнянні з технологічними лініями, що не модернізуються і які використовують напівкеровані випрямлячі, тим самим, що вводять у режим гармоніки досить яскраво виражений гармонійний режим. Виявлено, що в разі модернізованих виробничих ліній немає суттєвих перешкод у зміні напруги й струму, але виявлено, що зміна коефіцієнта потужності є неадекватною, становить 0.5 і менше при більш високих значеннях навантаження, що пов’язано з більш довгими електричними лініями або впливом інших користувачів. Наукова новизна. Розроблено принципово новий підхід до експериментальних вимірів якості електроенергії та аналізу деформуючого режиму, викликаного системами електроприводу. Практична значимість. Отримані результати дозволяють модернізувати якість системи електропостачання та підвищити якість електроенергії для виїмкової техніки при відкритій розробці родовищ.

Цель. Исследование и анализ гармоники тока и напряжения, появляющихся в сети переменного тока, а также деформирующего режима, заданного системами привода многоковшового экскаватора на технологической линии карьера. Методика. Выполнены лабораторные измерения для исследования искажающего деформирующего режима, создаваемого приводными системами со статическим преобразователем частоты – асинхронным двигателем. Измерения проводились на лабораторном стенде со следующим оборудованием: асинхронный двигатель (Pn = 3 кВт), непрямой статический преобразователь частоты VARISPEED F7, генератор постоянного тока, работающий как тормоз нагрузки на приводной двигатель, оборудование для анализа качества энергии. Измерения проводились при запуске, изменении частоты и при различных значениях напряжения и нагрузки, включая работу без нагрузки. Результаты. Установлено, что на выходе инвертора деформирующий режим сильнее в случае напряжения, чем в случае электрического тока, что происходит вследствие особого режима формирования кривых напряжения на выходе инвертора. Определено, что на модернизированной производственной линии, состоящей из оснащенных выпрямителей с широтной модуляцией, наблюдалось, что гармонический режим значительно снижен по сравнению с технологическими линиями, которые не модернизируются и которые используют полууправляемые выпрямители, тем самым вводящие в режим гармоники достаточно ярко выраженный гармонический режим. Выявлено, что в случае модернизированных производственных линий нет сильных помех в изменении напряжения и тока, но обнаружено, что изменение коэффициента мощности неадекватно, составляет 0.5 и менее при более высоких значениях нагрузки, что связано с более длинными электрическими линиями или влиянием других пользователей. Научная новизна. Разработан принципиально новый подход к экспериментальным измерениям качества электроэнергии и анализа деформирующего режима, вызванного системами электропривода. Практическая значимость. Полученные результаты позволяют модернизировать системы электроснабжения и повысить качество электроэнергии для выемочной техники при открытой разработке месторождений.