gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2024-01-198gscience-689Research ArticlePOWER ENGINEERING, AUTOMATION, AND ENERGY PERFORMANCEЭНЕРГЕТИКА, АВТОМАТИЗАЦИЯ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬAssessing the efficiency of measures to enhance electric power quality in variable-frequency drive for scraper conveyorsОценка эффективности средств повышения качества электроэнергии в системе частотно-регулируемого электропривода скребковых конвейеровhttps://orcid.org/0000-0002-6474-5349ПетровВ. Л.PetrovV. L.

Петров Вадим Леонидович – доктор технических наук, проректор, профессор кафедры энергетики и энергоэффективности промышленных предприятий.

Москва

Scopus ID 8919065900

Vadim L. Petrov – Dr. Sci. (Eng.), Vice-Rector, Professor of the Department of Energy and Energy Efficiency of Industrial Enterprises, University of Science and Technology MISIS.

Moscow

Scopus ID 8919065900

petrovv@misis.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7457-5702ПичуевА. В.PichuevA. V.

Пичуев Александр Вадимович – кандидат технических наук, доцент кафедры энергетики и энергоэффективности горной промышленности.

Москва

Scopus ID 57209798580

Alexandr V. Pichuev – Cand. Sci.(Eng.),Associate Professor of the Department of Energy and Energy Efficiency of Mining Industry, University of Science and Technology MISIS.

Moscow

Scopus ID 57209798580

allexstone@mail.ruУниверситет науки и технологий МИСИСРоссияUniversity of Science and Technology MISISRussian Federation202403042024916069Copyright © Petrov V.L., Pichuev A.V., 20242024Петров В.Л., Пичуев А.В.Petrov V.L., Pichuev A.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/689

The intensive implementation of variable-frequency drive machines and installations in underground mining processes necessitates addressing several issues, with a primary focus on ensuring the quality of electric power. Elevating the energy resource of mining machines and enhancing the energy efficiency of mining operations requires maintaining the rated indicators of electric power quality in mine power distribution systems. Achieving this involves assessing the level and composition of higher harmonic components in voltage and current within power circuits equipped with variable-frequency drives (VFD). Key objectives encompass the development of a simulation model based on the equivalent diagram of the power distribution system substitution with a scraper conveyor VFD to scrutinize the spectral composition of higher harmonic components in the power circuits of the mine power distribution system (MPDS). Additionally, the study involves analyzing the impact of harmonic filters (HFs), reactors, and sine filters on the quality of electric power in the VFD system of a scraper conveyor. Further analysis extends to the spectral composition of higher harmonic components in circuits related to insulation leakage and metering circuits of the residual-current device. Practical recommendations for improving electric power quality in the VFD system of a scraper conveyor are then developed based on the research findings. The established model of a variable-frequency drive system for scraper conveyors facilitates the assessment of the effectiveness of electric power quality improvement measures. The harmonic composition of voltage and current in the mine power distribution system is determined under maximum distortion conditions and in the presence of HFs, reactors, and sine filters. Research methods are chosen to unveil the spectral composition of voltage and current in symmetrical and single-phase modes of insulation leakage, as well as in metering circuits of residual-current devices (RCDs). It is noted that the harmonic composition of leakage voltage and current is primarily influenced by the parameters of the output voltage modulated by the autonomous frequency converter inverter. Considering the high level of harmonic components in voltage and current, adjustments to RCD settings, capacitive current compensator, and the protective shunting unit are recommended for electrical safety. The study emphasizes the importance of scientifically substantiating the rated indicators of higher harmonic components for leakage circuits and further exploring the physiological effects of higher current harmonics on the human body. The feasibility of installing a harmonic filter (HF) directly on the low-voltage supply section of a scraper conveyor should be technically justified. Interestingly, the presence of HFs, reactors, and sine filters does not significantly impact the harmonic composition or the magnitudes of coefficients of the harmonic components in the phase voltage of the system concerning ground and leakage currents through insulation. However, higher harmonic components induced in leakage current circuits may pose a potential hazard, leading to a violation of magnetic compatibility and posing risks in case of contact with live parts of electrical equipment.

Интенсивное внедрение частотно-регулируемых электроприводов машин и установок в технологических процессах при подземной добыче полезных ископаемых предусматривает необходимость решения ряда проблем, одной из которых является обеспечение качества электроэнергии. Именно поэтому повышение энергоресурса горных машин и энергоэффективности ведения горных работ требует обеспечения нормативных показателей качества электроэнергии в подземных комбинированных электрических сетях (ПКЭС). Это возможно на основе оценки уровня и состава высших гармонических составляющих напряжения и тока в силовых цепях с частотно-регулируемым электроприводом (ЧРЭП). Основными задачами являются: разработка на основе эквивалентной схемы замещения электрической сети с ЧРЭП скребкового конвейера имитационной модели для исследования спектрального состава высших гармонических составляющих напряжения и тока в силовых цепях ПКЭС; исследование и анализ влияния фильтро-компенсирующих устройств (ФКУ), реакторов и синус-фильтров на качество электроэнергии в системе с ЧРЭП скребкового конвейера; анализ спектрального состава высших гармонических составляющих напряжения и тока в цепях утечки через изоляцию и цепи измерителя устройства защитного отключения; разработка практических рекомендаций в области повышения качества электроэнергии в системе с ЧРЭП скребкового конвейера. Разработанная модель системы частотно-регулируемого электропривода скребковых конвейеров позволила провести исследования эффективности средств повышения качества электроэнергии. Определен гармонический состав напряжения и тока в подземной комбинированной электрической сети в режиме максимального искажения и при наличии ФКУ, реакторов и синус-фильтров. Выбранные методы исследований позволили выявить спектральный состав напряжения и тока в симметричном и однофазном режимах утечки через изоляцию, а также в измерительных цепях устройств защитного отключения (УЗО). Установлено, что гармонический состав напряжения и тока утечки в основном определяется параметрами выходного напряжения, модулируемого автономным инвертором преобразователя частоты. Высокий уровень гармонических составляющих напряжения и тока необходимо учитывать при определении уставок УЗО, настройке компенсатора емкостного тока и блока защитного шунтирования. Для обеспечения электробезопасности необходимо научное обоснование нормативных показателей высших гармонических составляющих напряжения для цепей утечки и дальнейшее исследование физиологического воздействия высших гармоник тока на организм человека. Целесообразность установки ФКУ непосредственно на низковольтном участке питания скребкового конвейера должна быть технически обоснована. Наличие ФКУ, реакторов и синус-фильтров практически не оказывает влияния как на гармонический состав, так и на величину коэффициентов гармонических составляющих фазного напряжения сети относительно земли и токов утечки через изоляцию. Наличие наводимых в цепях утечки тока высших гармонических составляющих в симметричном режиме и режиме однофазной утечки тока может привести к нарушению магнитной совместимости при работе электронной измерительной схемы, блока питания и компенсатора емкостного тока утечки УЗО и представлять потенциальную опасность в случае прикосновения к токоведущим частям электрооборудования.

подземные горные работыподземная электрическая сетькачество электроэнергииэлектробезопасностьэлектропривод скребкового конвейерафильтро-компенсирующее устройствосинус-фильтрустройство защитного отключенияизоляция электрической сетиunderground mining operationsmine power distribution systemelectric power qualityelectrical safetyscraper conveyor electric drivefilter-compensating devicesine filterresidual-current devicepower distribution system insulationReferencesShi J.G., Mao J., Wei X.H. Research on dynamic tension control theory for heavy scraper conveyor. Applied Mechanics and Materials. 2010;34–35:1956–1960. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.34-35.1956Shi J.G., Mao J., Wei X.H. Research on dynamic tension control theory for heavy scraper conveyor. Applied Mechanics and Materials. 2010;34–35:1956–1960. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.34-35.1956Stecuła K., Brodny J., Tutak M. Informatics platform as a tool supporting research regarding the effectiveness of the mining machines’ work. In: CBU International Conference on Innovations in Science and Education. 2017;5:1215–1219. https://doi.org/10.12955/cbup.v5.1099Stecuła K., Brodny J., Tutak M. Informatics platform as a tool supporting research regarding the effectiveness of the mining machines’ work. In: CBU International Conference on Innovations in Science and Education. 2017;5:1215–1219. https://doi.org/10.12955/cbup.v5.1099Воронин В.А., Непша Ф.С., Ермаков А.Н., Кантович Л.И. Анализ режимов работы электротехнического оборудования выемочного участка современной угольной шахты. Устойчивое развитие горных территорий. 2021;(4):599–607. https://doi.org/10.21177/1998-4502-2021-13-4-599-607Voronin V.A., Nepsha F.S., Ermakov A.N., Kantovich L.I. Analysis of electrical equipment operating modes of the excavation site of a modern coal mine. Sustainable Development of Mountain Territories. 2021;(4):599–607. (In Russ.) https://doi.org/10.21177/1998-4502-2021-13-4-599-607Клюев Р.В., Босиков И.И., Гаврина О.А., Ляшенко В.И. Оценка эксплуатационной надежности электроснабжения развивающихся участков добычи руд на высокогорном руднике. Горные науки и технологии. 2021;6(3):211–220. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-3-211-220Klyuev R.V., Bosikov I.I., Gavrina O.A., Lyashenko V.I. Assessment of operational reliability of power supply to developing ore mining areas at a high-altitude mine. Mining Science and Technology (Russia). 2021;6(3):211–220. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/2500-0632-2021-3-211-220Бабокин Г.И. Исследование влияния технологической схемы работы и длины лавы на удельный расход электрической энергии очистного комбайна. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021;(2):139–149. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2021-2-0-139-149Babokin G.I. Influence of process flow diagram and longwall length on specific energy consumption of shearers. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2021;(2):139–149. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236-1493-2021-2-0-139-149Бойков И.Л., Шестаков В.В., Заклика М., Ульрих Н. Опыт внедрения преобразователей частоты для привода забойных конвейеров шахты Воргашорская. Глюкауф. 2010;(1):79–83.Boykov I.L., Shestakov V.V., Zaklika M., Ulrich N. Experience in introducing frequency converters to drive face conveyors of the Vorgashorskaya mine. Gluckauf. 2010;(1):79–83. (In Russ.)Shevyrev Y.V., Pichuev A.V., Shevyreva N.Y. Improving energy performance in networks with semiconductor converters. In: 2019 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2019. Sochi, March 25–29, 2019. Pp. 1–6. https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2019.8743020Shevyrev Y.V., Pichuev A.V., Shevyreva N.Y. Improving energy performance in networks with semiconductor converters. In: 2019 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2019. Sochi, March 25–29, 2019. Pp. 1–6. https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2019.8743020Feng D., Lu M., Lan J., Sun L. Research on switching operation transient electromagnetic environment of substations in a coal mine. IET Generation, Transmission & Distribution. 2016;10(13):3322–3329. https://doi.org/10.1049/iet-gtd.2016.0292Feng D., Lu M., Lan J., Sun L. Research on switching operation transient electromagnetic environment of substations in a coal mine. IET Generation, Transmission & Distribution. 2016;10(13):3322–3329. https://doi.org/10.1049/iet-gtd.2016.0292Бабокин Г.И., Шевырёв Ю.В., Шевырева Н.Ю. Исследование качества электроэнергии очистного забоя угольной шахты. Горный журнал. 2021;(7):80–85. https://doi.org/10.17580/gzh.2021.07.14Babokin G.I., Shevyrev Yu.V., Shevyreva N.Yu. Power quality in coal longwalls. Gornyi Zhurnal. 2021;(7):80–85. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2021.07.14Пустоветов М.Ю. Опыт разработки синус-фильтра для силовой схемы частотно-регулируемого асинхронного электропривода. Известия Томского политехнического университета. 2014;324(4):84–94. URL: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/5238Pustovetov M.Yu. Experience in developing sine-wave filter for power circuit of VVVF-drive with induction motor. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. 2014;324(4):84–94. (In Russ.) URL: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/5238Пичуев А.В., Петров В.Л. Обоснование схемы замещения шахтной подземной электрической сети для анализа режимов утечки тока через изоляцию. Горные науки и технологии. 2023;8(1):78–86. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2023-01-72Pichuev A.V., Petrov V.L. Equivalent circuit for mine power distribution systems for the analysis of insulation leakage current. Mining Science and Technology (Russia). 2023;8(1):78–86. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2023-01-72Бабокин Г.И., Куницкий В.Г., Шеленев П.И. Защитное отключение на постоянном оперативном токе для комбинированных шахтных сетей. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2009;(S8):285–288.Babokin G.I., Kunitsky V.G., Shelenev P.I. Protective switching-off on a direct operating current for combined mine networks. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2009;(S8):285–288. (In Russ.)Щуцкий В.И., Бабокин Г.И., Лазарев А.И. Экспериментальное исследование условий работы устройств защитного отключения в сети с преобразователем частоты. Электробезопасность. 1996;(3–4):31–41.Shchutsky V.I., Babokin G.I., Lazarev A.I. Experimental study of the operating conditions of protective shutdown devices in a network with a frequency converter. Elektrobezopasnost’. 1996;(3–4):31–41. (In Russ.)Пичуев А.В., Петров В.Л. Обоснование схемы замещения шахтной подземной электрической сети для анализа режимов утечки тока через изоляцию. Горные науки и технологии. 2023;8(1):78-86. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2023-01-72Pichuev A.V., Petrov V.L. Equivalent circuit for mine power distribution systems for the analysis of insulation leakage current. Mining Science and Technology (Russia). 2023;8(1):78–86. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2023-01-72Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей. Под ред. Л.Г. Мамиконянца. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат; 1984. 240 с.Syromyatnikov I.A. Operating modes of asynchronous and synchronous motors. Mamikonyants L.G. (Ed.) 4th ed., revised and additional. Moscow: Energoatomizdat; 1984. 240 p. (In Russ.)Пичуев А.В. Информационно-аналитическая система анализа надежности и безопасности эксплуатации электроустановок на горных предприятиях. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011;(3):355–359.Pichuev A.V. Information and analytical system for analyzing the reliability and safety of electrical installations at mining enterprises. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2011;(3):355–359. (In Russ.)Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высшая школа; 2001. 218 с.Kopylov I.P. Mathematical modeling of electrical machines. Moscow: Vysshaya Shkola; 2001. 218 p. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.