Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1- ПУСКО-РЕГУЛИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ТУРБОМЕХАНИЗМОВ 10 1 Л-Особенности характеристик турОомеханизмов 10
1-2. Регулируемый электропривод 18 тур бомеха ни змо в
1,2.1. Классификация систем регулируемого электропривода турОомеханизмов
1.2-2. Оценка возможности применения системы ТРН-АД в электроприводе турОомеханизмов
1.2.3. Асинхронный электропривод с питанием от двухэвенного преобразователяастоты
1,2.4- НПЧ для асинхронного электропривода
1.3. Асинхронный электропривод на Оазе НПЧЕ со ступенчатым регулированием скорости электродвигателя
3.1. Обоснование применения системы НПЧЕ-АД со ступенчатым формированием частоты для привода турОомеханизмов
1.3.2. Структура асинхронного электропривода на базе НПЧЕ со ступенчатым регулированием скорости электродвигателя
Выводы 45
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ НПЧЕ-АДИ 47
2*1- Разработка модели системы НПЧЕ-АД программным формированием напряжения
2.1.1- Разработка блок-схемы модели системы НПЧЕ-АД
2-1,2* Организация системы относительных единиц
2.1.3- Разработка модели асинхронной машины с короткозамкнутым ротором
2.1.4. Разработка модели силовой части НПЧЕ
2.1.5- Алгоритм программного формирования напряжения НПЧЕ
2.1.6. Разработка модели трансформатора, питающего систему НПЧЕ-АД
2.2. Исследование электромагнитных процессов в системе НПЧЕ-АД
2.2 -1. Моделирование установившихся режимов работы системы НПЧЕ-АД
2.2.2- Исследование влияния НПЧЕ на АД 84
2.2.3- Токи тиристоров НПЧЕ 90
2.2.4.Сравнительная оценка энергосберегаю-щих электроприводов на базе АД
2.3. Исследование влияния системы НПЧЕ-АД на питающую сеть
Выводы 109
ГЛАВА 3. СИСТЕМА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЧАСТОТНО- 112 РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
3.1. Частотно-регулируемый электропривод как объект технического диагностирования
3.2. Синтез алгоритмов диагностирования
3.3. Структура системы диагностирования частотно-регулируемого электропривода по схеме НПЧЕ - АД
Выводы 135
ГЛАВА 4, ПРАКТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ НПЧЕ-АД 136
4.1. Разработка функциональных схем НПЧЕ-АД 136
4-2. Выбор элементной базы НПЧЕ-АД 139
4.3. Разработка принципиальных схем НПЧЕ-АД 146
4.4- Разработка программного обеспечения системы НПЧЕ-А
4.4-1- Формализация алгоритмов 159
ПОСреДСТВОМ ЦИКЛИЧеСКИХ последовательностей
4.4.2 Разработка алгоритмов системы управления НПЧЕ-АД
Выводы 170
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 171
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 174
ПРИЛОЖЕНИЯ 184
ПРИЛОЖЕНИЕ 1, Переключающие функции 185
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Модель системы НПЧЕ-АД 195
ПРИЛОЖЕНИЕ 3, Программное обеспечение системы НПЧЕ-АД 212
Введение к работе
Актуальность работы. На сегодняшний день один из самых распространенных типов промышленных механизмов турбомеханизмы (вентиляторы, компрессоры, воздуходувки, дымососы и др } . Электропривод (ЭП) этих механизмов на базе асинхронного короткозамкнутого двигателя (ДЦ) остается в своем большинстве нерегулируемым. Причем доля его электропотребления в промышленности составляет 20-25.
Для большинства асинхронных ЭП турбомеханизмов (ТМ) вследствие их большой мощности характерны тяжелые условия прямого пуска, что вынуждает оставлять их в работе во время плановых остановок и простоев технологического оборудования- У нерегулируемых ЭП ТМ отсутствует возможность снижения потребления электроэнергии при уменьшении технологических нагрузок. Названные особенности эксплуатации ТМ являются причиной завышенного энергопотребления. Переход к системам мягкого пуска и регулирования частоты вращения приведет к увеличению срока службы ТМ и их приводных двигателей, а также к заметной экономии электроэнергии, во многих случаях до 30-40 [73,74].
Для целей энергосбережения предназначены современные двухзвенньге преобразователи частоты на полностью управляемых ключах. Однако их применение не всегда оправдано из-за высокой стоимости за счет заложенных в них избыточных регулировочных возможностей.
Анализ показал, что существует большой класс ТМ, которые требуют лишь "мягкого" пуска и ступенчатого изменения производительности на длительное время, например при остановке отдельных технологических агрегатов, смене Бремени суток, времени года и т.п.
Для обеспечения "мягкого" пуска вентиляторных ЭП широко распространена система ТРН-ДЦ.
Однако, как показывают расчеты, даже при вентиляторной нагрузке в системе ТРН-ДЦ недопустимо длительное снижение частоты вращения двигателя.
Следовательно, существует потребность в разработке надежного пуско-регулирующего устройства, обеспечивающего "мягкий" пуск и ступенчатое изменение частоты вращения ТМ на длительное время.
Для этого предлагается воспользоваться непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией тиристоров (НПЧЕ).
Принципы работы НИЧЕ были разработаны еще в начале 30-х годов прошлого столетия- Вопросам разработки и исследования НПЧЕ с классической системой совместного или раздельного управления посвящено достаточно много работ- Среди них следует особо отметить работы Г.Г, Жемерова и Г.В. Грабовецкого.
Однако широкому распространению НПЧЕ препятствовал ограниченный диапазон регулирования частоты их выходного напряжения, который лежал в пределах от 0 до 25 Гц при частоте сети 50 Гц.
Расширение диапазона регулирования НПЧЕ возможно за счет внедрения системы управления с новой структурой, основой которой являются современные высокопроизводительные микроконтроллеры, в алгоритм работы которых заложен принцип программного формирования ступеней фиксированных частот выходного напряжения НПЧЕ, При этом целесообразно отказаться от таких сложных функциональных узлов, как устройство раздельного управления, блок формирования задающего напряжения управления и перейти к прямому цифровому управлению тиристорами Постоянно повышаются требования к обеспечению необходимых уровней надежности и безотказности электрооборудования- Выполнение этих требований возможно только путем оснащения ЭП встроенной системой диагностирования (СД), проектирование которой должно вестись параллельно с проектированием объекта диагностики (ЭП с системой управления) .
В этой связи комплексное решение проблем частотио-управляемого ЭП по схеме НПЧЕ-ДЦ является актуальным и своевременным.
Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследовании новой структуры системы управления частотноуправляемого асинхронного ЭП на базе НПЧЕ со встроенной системой диагностики, предназначенного для обеспечения как расширенного диапазона регулирования скорости, так и многоступенчатого частотного пуска АД.
Задачи диссертационной работы:
1. Разработка и схемная реализация новой структуры системы управления НПЧЕ-АД, позволяющей за счет ступенчатого регулирования скорости АД реализовать как энергосберегающие режимы эп тм, так и многоступенчатый частотный пуск этих механизмов.
2. Разработка алгоритма программного формирования ступеней фиксированных частот выходного напряжения НПЧЕ.
3 Разработка модели для ЭВМ, отражающей электромагнитные и электромеханические процессы, протекающие в системе НПЧЕ-АД как в динамических, так и в статических режимах работы,
- Исследование НПЧЕ с точки зрения его влияния на АД и на питающую сеть 5.Разработка аппаратных и программных средств технического диагностирования неисправностей системы НПЧЕ-АД.
Методы исследования. Для теоретических исследований использовались: теории электрических машин, ЭП переменного тока, теории объектно-ориентированного и структурного программирования, а также технического диагностирования. Научная новизна:
1 - Разработана новая структура системы управления частотноуправляемого ЭП по схеме НПЧЕ-АД, оригинальность которой подтверждена патентом на полезную модель.
2 - Разработан алгоритм программного формирования ступеней фиксированных частот выходного напряжения 6-пульсного НПЧЕ, обеспечивающий расширенный диапазон регулирования частоты (от 0 до 50 Гц с дискретностью, не превышающей 7 Гц) и инвариантный к типу АД
3, Разработан новый подход к диагностированию сложного тиристорного преобразователя, согласно которому НПЧЕ рассматривается как единая система, а не совокупность ОТДеЛЬНЫХ ТИрИСТОрОВ.
4 Разработан новый способ формализации сложных алгоритмов, содержащих периодически повторяющиеся действия, посредством циклических последовательностей Практическая ценность.
1. Разработанная новая структура асинхронного ЭП на базе б-пульсного НПЧЕ характеризуется простотой и надежностью конструкции за счет отсутствия датчиков состояния тиристоров и уравнительных дросселей 2. Разработана модель системы НПЧЕ-ДЦ для ЭВМ, предназначенная для исследования как динамических, так и статических режимов работы ЭП, а также для поиска и отладки новых алгоритмов управления НПЧЕ, которые позволят расширить функциональные возможности ЭП по схеме НПЧЕ-АД.
Оригинальность модели подтверждена свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ.
3. Разработанный алгоритм диагностирования сложной силовой части НПЧЕ, состоящей из трех трехфазно-однофазных преобразователей, собранных по мостовой встречно- параллельной схеме, требует минимального количества датчиков - всего 9 датчиков напряжения.
4. Разработана методика расчета токов силовык тиристоров НПЧЕ с программным формированием напряжения.
5. Разработанный комплекс алгоритмов и программ управления и диагностирования НПЧЕ-АД представляет собой законченный продукт и может быть применен для ЭП любой мощности.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в ОАО "ГАЗ" в виде проекта модернизации ЭП воздухонагнетателя по схеме НПЧЕ-ДЦ мощностью 250 кВт, предназначенного для подачи дутья в вагранку, а также нашли применение в учебном процессе в НГТУ.
Апробация работы. Основные положения, результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы доложены, оОсуждены и получили положительные отзывы на следующих научно-технических конференциях:
- III Международная (XIV Всероссийская) конференция по автоматизированному ЭП АЭП-2001, Нижний Новгород, 2001.
- Шестая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, 2000.
- Седьмая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, 2001.
Международная научно-техническая конференция "Состояние и перспективы развития электротехнологии" {X Еенардосовские чтения), Иваново, 2001.
Региональные научно-технические конференции "Актуальные проблемы электроэнергетики, Нижний Новгород, 2000 - 2002.
Региональные молодежные научно-технические форумы "Будущее технической науки Нижегородского региона", Нижний Новгород, 2002-2003,
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, получены свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ и патент на полезную модель Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Объем диссертации составляет 173 страницы основного текста, 94 рисунка, список литературы из 103 наименований.
Похожие диссертации на Асинхронный частотно-регулируемый электропривод на базе НПЧЕ для турбомеханизмов
