Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ основных направлений модернизации электроприводов вентиляторного типа 16
1.1. Обзор состояния электроприводов переменного тока на промышленных предприятиях 16
1.2. Классификация требований по регулированию частоты вращения электроприводов переменного тока 18
1.2.1. Роль «мягкого» пуска в энергосбережении 23
1.2.2. Возможности ступенчатого регулирования в электроприводах переменного тока 24
1.2.3. Условия применения плавного пуска 27
1.3. Оценка эффективности вариантов модернизации электроприводов переменного тока (на примере ОАО «ММК») 28
1.4. Классификация и характеристики механизмов с вентиляторной нагрузкой. Требования к электроприводам 34
1.4.1. Общие характеристики турбомеханизмов 34
1.4.2. Особенности характеристик насосов 37
1.4.3. Особенности работы вентиляторов 44
1.4.4. Особенности работы турбокомпрессоров 45
1.4.5. Обобщение требований к электроприводам механизмов с вентиляторной нагрузкой 47
1.5. Современные способы и средства улучшения регулировочных возможностей асинхронных двигателей 47
1.5.1. Оценка возможности применения системы ТПН-АД в энергосберегающем электроприводе с вентиляторной нагрузкой 48
1.5.2. Современные преобразователи частоты для энергосберегающего электропривода 51
1.5.3. Перспективы применения АВК и режимов двойного питания АД для целей энергосбережения 61
1.6. Обоснование возможности применения системы НПЧ-АД со ступенчатым формированием частоты для энергосберегающего вентиляторного электропривода 64
1.7. Постановка задач по созданию энергосберегающего вентиляторного электропривода по системе НПЧ-АД 70
Выводы. 72
ГЛАВА 2. Разработка алгоритмов управления вентилями НПЧ для программного формирования напряжения 73
2.1. Анализ существующих силовых схем НПЧ и выбор базового варианта низковольтного преобразователя 73
2.2. Обоснование принципов управления НПЧ при ступенчатом формировании выходной частоты 85
2.3. Основные законы управления ПЧ с АИН и АИТ при искусственной коммутации и анализ возможности их реализации в НПЧ 88
2.3.1. Представление законов управления с помощью коммутационных функций и результирующего вектора 88
2.3.2. Особенности реализации в НПЧ закона управления с двухфазным питанием АД 97
2.4. Разработка алгоритмов управления вентилями при реализации двухфазного питания 104
2.4.1. Алгоритмы формирования 3-пульсного напряжения 105
2.4.2. Алгоритмы формирования 6-пульсного напряжения 111
2.5. Разработка способов управления НПЧ при чередовании интервалов
2-х и 3-фазного питания АД 116
Выводы 126
ГЛАВА 3. Моделирование системы нпч-ад с программным формированием напряжения 127
3.1. Анализ основных методов исследования процессов в НПЧ 127
3.1.1. Метод гладкой составляющей 129
3.1.2. Метод переключающих функций 129
3.1.3. Метод универсальных математических моделей 130
3.2. Разработка математического описания НПЧ и модели на её основе 131
3.2.1. Особенности построения математического описания 132
3.2.2. Определение состояния вентилей НПЧ на модели 138
3.3. Математическое обобщение алгоритмов программного формирования напряжения 143
3.3.1. Представление работы СИФУ переключающими функциями 143
3.3.2. Представление алгоритмов управления вентилями при программном формировании напряжения НПЧ на основе переключающих функций 146
3.4. Разработка модели асинхронного двигателя 153
3.5. Обоснование задач исследований на модели системы НПЧ-АД с программным формированием напряжения 165
3.6. Моделирование процесса пуска 171
3.7. Исследование разомкнутой системы НПЧ-АД в стационарном режиме при формировании различных ступеней частот напряжения 177
Выводы 183
ГЛАВА 4. Разработка и исследование новых силовых структур НПЧ и способов формирования напряжения для вентиляторного электропривода 185
4.1. Двенадцатипульсный НПЧ с поочередным подключением потенциально не связанных групп 185
4.2. Исследование системы 12-пульсный НПЧ-АД 192
4.3. Анализ вариантов построения преобразователей для высоковольтных электроприводов вентиляторного типа 197
4.4. Разработка каскадного 18-пульсного НПЧ для высоковольтного электропривода 203
4.4.1. Система питания и силовая структура преобразователя 203
4.4.2. Принцип формирования частоты 25 Гц 207
4.4.3 Принцип и алгоритмы формирования частоты 37,5 Гц 208
4.5. Моделирование процессов программного формирования напряжения в 18-пульсной схеме НПЧ 213
4.6. Исследование системы 18-пульсный НПЧ-АД с вентиляторной характеристикой при формировании частоты 37,5 Гц 215
Выводы 222
ГЛАВА 5. Определение соотношений для расчета напряжений и минимизации токов в системе НПЧ-АД с программным управлением 223
5.1. Анализ возможности применения законов частотного управления АД при формировании режимов работы на фиксированных частотах 223
5.2. Методы расчета значений минимального тока для заданных моментов на валу АД 227
5.3. Определение соотношений по круговой диаграмме из условия установления максимального соБсрдц 230
5.4. Расчет экстремальных характеристик АД по круговым диаграммам 241
5.5. Расчет действующего значения первой гармоники напряжения в базовой схеме НПЧ 250
5.5.1. Исходные расчетные соотношения и положения 250
5.5.2. Разработка методики расчета 255
Выводы 262
ГЛАВА 6. Разработка системы НПЧ-АД программным формированием напряжения, экспериментальные исследования и промышленная реализация 263
6.1. Особенности реализации традиционных способов управления НПЧ 263
6.2. Особенности НПЧ с раздельным программным управлением 268
6.3. Разработка универсального контроллера для программного управления 271
6.4. Краткое описание экспериментальной установки 278
6.5. Задачи исследований и методика обработки экспериментальных данных 283
6.6. Анализ результатов экспериментальных исследований 288
6.7. Промышленная реализация и перспективы создания обьектно-ориентированных электроприводов по системе НПЧ-АД 310
Выводы 312
Заключение 313
Литература 316
Приложение 334
- Оценка эффективности вариантов модернизации электроприводов переменного тока (на примере ОАО «ММК»)
- Обоснование принципов управления НПЧ при ступенчатом формировании выходной частоты
- Представление алгоритмов управления вентилями при программном формировании напряжения НПЧ на основе переключающих функций
- Анализ вариантов построения преобразователей для высоковольтных электроприводов вентиляторного типа
Оценка эффективности вариантов модернизации электроприводов переменного тока (на примере ОАО «ММК»)
В рамках подготовки концепции энергосбережения в электроприводах с вентиляторной характеристикой в ОАО «ММК» были рассмотрены два направления модернизации: 1. Модернизация, основанная на рекомендациях зарубежных производителей современной преобразовательной техники. Она ориентирована на применение в вентиляторных электроприводах преобразователей частоты на полностью управляемых ключах с использованием принципов ШИМ. 2. Модернизация, в основе которой учитываются условия производства на ОАО «ММК» и требования к механизмам этого типа. Принято во внимание, что не все электроприводы рассматриваемого класса нуждаются в плавном регулировании. Для значительной их части достаточно осуществить ступенчатое регулирование или «старт-стопное» с устройствами «мягкого» пуска. При предварительной оценке потенциала энергосбережения в механизмах с вентиляторной характеристикой в ОАО «ММК» принято во внимание, что превышение потребления электроэнергии в них при отсутствии регулирования составляет, как отмечалось ранее, 40-50%. Опыт внедрения серийных образцов ПЧ на дымососах и дутьевых вентиляторах ТЭЦ ОАО «ММК» показал, что электродвигатели данных механизмов работают в узком диапазоне регулирования частоты напряжения. Рабочие частоты меняются в пределах 33-37 Гц. При работе на этих частотах двигатель с вентиляторной характеристикой потребляет 30-40% от номинальной мощности. В таблице 1.2. приведены данные, по которым проводилась оценка потенциала энергосбережения. Отсюда видно, что в результате модернизации по комбинату реально можно экономить около 500 млрд. кВт часов электроэнергии. В связи с постоянным ростом цен на электроэнергию экономическая эффективность модернизации будет возрастать. Фактический срок окупаемости при этом может оказаться ниже расчетного.
На основе оценки эффективности различных вариантов модернизации был проведен расчет затрат исходя из реальной стоимости современных преобразователей частоты. Стоимость преобразователя обычно характеризуется средней стоимостью 1 кВт его мощности. В таблице 1.3. приведены результаты экономических расчетов, позволяющие оценить эффективность различных вариантов модернизации.
Оценка эффективности проводилась по двум "направлениям модернизации. Ориентация только на закупку преобразователей зарубежного производства требует значительных затрат. С учетом средней стоимости 1 кВт мощности преобразователя частоты высоковольтного исполнения, которая по данным отдела оборудования ОАО «ММК» составляет 220 $ США, срок окупаемости находится в пределах от 3,5 до 5 лет. По этой причине и возникла необходимость рассмотреть другие возможные варианты модернизации.
Согласно принятой на ОАО «ММК» концепции энергосбережения в электроприводах с вентиляторной характеристикой, как отмечалось выше, предполагается осуществлять модернизацию на трех уровнях: для одной части электроприводов на основе преобразователей плавного регулирования, для другой части с применением устройств ступенчатого регулирования частоты вращения. Выделяется также группа электроприводов, для которых достаточным является оснащение их устройствами «мягкого» пуска. При проведении расчетов, показанных в таблице 1.З., принято, что в реализации каждого уровня модернизации нуждается примерно третья часть электроприводов.
Для плавного регулирования предполагается использование преобразователей корпорации «Триол» (Россия, Украина, Белоруссия). Эти преобразователи получили в настоящее время наибольшее распространение в связи с существованием нескольких разновидностей их исполнения, включая и высоковольтный вариант. Силовая и управляющая электроника этих преобразователей выполнена на базе комплектующих зарубежного производства. В качестве силовых ключей в них применяют IGBT-транзисторы. Стоимость высоковольтного варианта преобразователя составляет, как видно из таблицы, около 120 $ США. Расчетный срок окупаемости при их внедрении находится в пределах 2 лет.
Для ступенчатого регулирования в вентиляторных электроприводах предлагается создать объектно-ориентированный преобразователь. В основе такого преобразователя предполагается использовать тиристорную силовую структуры непосредственного преобразователя частоты (НПЧ) и реализовать на его базе программное формирование различных ступеней выходной частоты напряжения. Опыт внедрения простейшего варианта 6-пульсного 18 вентильного НПЧ с программным управлением на вентиляторе двигателя окалиноломателя стана «2500» горячей прокатки в ЛПЦ-4 ОАО «ММК» показал существование возможности широкого применения таких преобразователей в создании энергосберегающих режимов в рассматриваемом классе механизмов. Предварительная оценка стоимости НПЧ проводилась на основе сопоставления их с реверсивными преобразователями постоянного тока. При этом стоимость 1 кВт мощности преобразователя оценивается в пределах 80 $. При такой цене срок окупаемости составляет около 1,5 лет.
Обоснование принципов управления НПЧ при ступенчатом формировании выходной частоты
При разработке основных принципов программного формирования напряжения приняты во внимание главные особенности электроприводов с вентиляторной характеристикой. Среди них необходимо отметить: заметное снижение нагрузки на валу двигателя при переходе на пониженные ступени частот вращения, отсутствие тормозных режимов, длительная работа на заданной ступени частоты вращения, возможность ограничения пускового момента на уровне не более 0,5 Мн при закрытой заслонке на выходе, а при открытой заслонке пуск можно осуществить с ограничением пускового момента на уровне номинального. Таким образом, электроприводы вентиляторных механизмов представляются наиболее простыми с точки зрения требований, предъявляемых к ним. По этой причине в основу разработки алгоритмов управления вентилями предложена реализация следующих принципов [И]: 1. Исключается необходимость контроля проводящего состояния вентилей при смене полярности полуволн тока. 2. Закон изменения углов управления задается программно при настройке преобразователя для каждой рабочей ступени частоты вращения АД с учетом момента на валу двигателя. 3. Заметное снижение нагрузок при переходе на пониженные частоты вращения позволяет применять наиболее простой закон управления с постоянными углами подачи управляющих импульсов. 4. Режим инвертирования при смене полярности напряжения отсутствует, так как снижение тока до нуля происходит на участках перехода синусоиды в область отрицательных значений, а волна напряжения противоположной полярности может формироваться с интервалом t T\lт, где т пульсность напряжения преобразователя.
Исключение контроля проводящего состояния вентилей при смене полярности тока позволит практически вдвое упростить систему управления преобразователем. При этом отпадает необходимость в блоке раздельного управления, который по своей конструкции и сложности исполнения соизмерим с остальной частью системы управления НПЧ.
Программное задание закона формирования углов управления позволит во многом упростить и реализацию самой системы импульсно-фазового управления (СИФУ). До настоящего времени в НПЧ применялись СИФУ, разработанные в свое время для преобразователей постоянного тока. В них нашли широкое применение фазосмещающие устройства двух типов: с арккосинусоидальной, либо линейной характеристикой. Именно такие системы управления позволяют получить наилучшее совпадение законов изменения мгновенных значений напряжения управления и мгновенных значений выходного напряжения преобразователя [53].
Форма напряжения на входе СИФУ определяет закон изменения углов управления и оказывает влияние на такие важные показатели НПЧ, как сложность системы управления, гармонический состав напряжений и токов, коэффициент мощности, динамические и другие характеристики. Наиболее часто применяют следующие формы напряжения управления: прямоугольная, треугольная, ступенчатая, трапециидальная и синусоидальная. В [53] проведен подробный анализ влияния указанных форм напряжений на основные характеристики и показатели НПЧ. В частности установлено, что в случаях, когда к гармоническому составу выходного напряжения не предъявляются высокие требования, целесообразно применять напряжение управления прямоугольной формы, что соответствует постоянству угла управления а при формировании полуволны выходного напряжения преобразователя (рис. 2.9). Необходимо подчеркнуть, что реализация такого закона управления может быть принята за основу при программном формировании различных ступеней частот выходного напряжения. При этом достигается простота формирования алгоритмов управления.
При принятом законе управления (a=const), гладкие составляющие полуволн линейных напряжений на выходе преобразователя, как видно из рис.2.9, будут иметь прямоугольную форму. Среднее значение выпрямленного напряжения в полуволне определяет высоту прямоугольного импульса напряжения
Возможность представления выходного напряжения НПЧ в виде напряжения прямоугольной формы позволяет использовать в них законы управления, широко применяемые в двухзвенных преобразователях частоты с АИН или АИТ.
Адаптация известных законов частотного управления, реализованных в свое время в двухзвенных преобразователях, применительно к НПЧ требует применения новых алгоритмов управления вентилями преобразователя и проведения, в связи с этим, исследований электромеханических процессов в системе НПЧ-АД при формировании различных ступеней частот вращения с учетом вентиляторного характера нагрузки. Кроме того, при этом возникает необходимость изучения свойств самого преобразователя при работе на активную и пассивную нагрузку в режиме формирования фиксированных частот с симметричным и несимметричным трехфазным напряжением. Отдельной большой задачей являются исследования влияния такой системы электропривода на сеть.
Под законами управления ПЧ следует понимать порядок подачи управляющих воздействий на заранее определенные комбинации вентилей преобразователя в заданных интервалах времени. При этом длительность интервалов проводящего состояния заданных комбинаций вентилей определяет частоту питающего напряжения и тока двигателя. Количество вентилей, на которые подается управляющее воздействие в заданных интервалах времени, определяет способ питания нагрузки, гармонический состав тока и напряжения и другие характеристики электрической и электромеханической системы.
Представление алгоритмов управления вентилями при программном формировании напряжения НПЧ на основе переключающих функций
При разработке математического описания алгоритмов управления введем необходимые для этого исходные понятия, обозначения и допущения [114]: 1. В качестве главного параметра, характеризующего период и частоту выходного напряжения, принимается количество пульсаций питающего напряжения в периоде выходного напряжения N. 2. Количество пульсаций сетевого линейного напряжения в каждом фиксированном положении результирующего вектора напряжения составляет N/6 при реализации алгоритмов двухфазного питания и N/12 при чередовании двух и трехфазного питания. 3. В качестве единичного временного цикла принимается интервал времени, равный периоду сетевого напряжения Ть внутри которого имеется 6 одинаковых временных интервалов, каждый из которых в 6-пульсной схеме равен длительности одной пульсации. 4. В качестве единицы времени, согласно п.З принимается длительность одной пульсации, именно в течение этого интервала в стационарном режиме остается неизменным проводящее состояние заданной комбинации вентилей. 5. При программном формировании заданных ступеней частот выходного напряжения начало работы программы при реализации каждого из алгоритмов «жестко» привязано к одному и тому же линейному напряжению, например к напряжению Uac, тогда подключение других линейных напряжений будет происходить в последовательности: UBC, UBa, Uca, UCB и U ав, после чего единичные временные циклы будут повторяться в той же последовательности. 6. Начало работы любой программы начинается с формирования одного и того же результирующего вектора напряжения, например вектора U ас (рис. 2.21 ирис. 2.30). Положение результирующего вектора, как известно зависит от того, на какие триады вентилей (анодных и катодных групп ) преобразователя, подают в данном временном интервале управляющие импульсы. В частности вентильные триады, показанные на рис. 2.18 для удобства пронумерованы в той же последовательности, в какой меняется ориентация результирующего вектора. Откуда следует, что нумерация групп, в рассматриваемой мостовой схеме вентильных триад, совпадает с последовательностью включения вентилей в трехфазной мостовой схеме (рис.2.19). Кроме того, вентили с четными номерами находятся в составе четных триад и соответственно вентили с нечетными номерами принадлежат к нечетным триадам. С учетом принятой нумерации триад и при наличии нулевого провода, ориентации иа,ивиUс могут быть получены при подаче управляющих импульсов на триады катодных групп соответственно 1, 3 и 5, а противоположные направления этих же векторов обеспечиваются при подаче управляющих импульсов на триады анодных групп вентилей соответственно 4,6 и 2.
Так как 6-пульсная схема предусматривает работу без нулевого провода, то любые из 12 возможных ориентации указанных векторов можно обеспечить только при чередовании включения двух и трех вентильных триад различных групп вентилей. При двухфазном питании обмоток двигателя, как уже ранее рассматривалось, формируются промежуточные положения результирующего вектора, а именно U ,U ,...U . В целом, согласно выражению (2.16) для результирующего вектора напряжения, в процессе программного формирования напряжения в НПЧ можно получить 12 положений результирующего вектора. При этом способ управления НПЧ, основанный на чередовании интервалов 2-х и 3-х фазного питания может быть описан 12-ю переключающими функциями. По аналогии с (2.18) для данного случая можно записать выражение через комбинации включаемых вентильных триад
Более полное математическое описание алгоритмов программного формирования напряжения можно получить при «жесткой» привязке к сетевому напряжению. В этом случае каждому номеру пульсации будет соответствовать включение определенной комбинации тиристоров по одному от каждой вентильной триады. В связи с этим, переключающие Fi могут быть представлены в виде алгебраической комбинации простейших переключающих функций, определяющих состояние не только вентильных триад, но и состояние конкретных вентилей
При этом факт подачи импульсов на тот или иной вентиль определенной триады можно представить произведением простейших переключающих функций, например V\ ТрЪ, это означает, что управляющий импульс подается на вентиль 1 триады 3. Следует отметить, что для каждого алгоритма формирования напряжения должно быть соответствие определенных комбинаций простейших переключающих функций вентилей и вентильных триад определенному номеру пульсации внутри периода выходного напряжения. При этом переключающие функции вентилей однозначно связаны с номером пульсации внутри единичного временного цикла, равного периоду сетевого напряжения. Все это позволяет представить единичное состояние вентилей в виде функции порядковых номеров пульсаций внутри периода питающего напряжения.. В частности с учетом «начальной фазировки», принятой в п.5 условия равенства «1» для переключающей коммутационной функций к -ого вентиля моста запишется в виде
Анализ вариантов построения преобразователей для высоковольтных электроприводов вентиляторного типа
На основе полученной модели появляется возможность в проведении исследований различных режимов работы 12-пульсного НПЧ. Остановимся подробнее на исследованиях системы НПЧ-АД. При этом в первую очередь ставится задача определения условий, при которых обеспечивается экономичный режим длительной работы электропривода с вентиляторной нагрузкой.
Так как работа системы НПЧ-АД при формировании симметричного напряжения с частотой 25 Гц и ниже уже исследовалась в 6-пульсном варианте схемы, то главное внимание в этом разделе уделяется изучению процессов, связанных с формированием фиксированной частоты 33 Гц на основе 12-пульсного напряжения.
При разработке модели предложенной системы НПЧ-АД, в её состав включен готовый блок отлаженной модели двигателя А02-42-4, который взят в качестве базового для всех исследований. Величины действующих линейных напряжений на входе преобразователя, как и в исходной схеме НПЧ задаются равными реальным значениям, т.е. ил=380 В. Ниже приводятся только основные результаты исследований, которые позволяют предварительно оценить возможности новой системы НПЧ-АД. В первую очередь представляют интерес исследования, по которым определяются возможные пределы изменения значений фазных токов и напряжений двигателя в режиме, близком к рабочему. При моделировании этого режима расчетный момент нагрузки на валу был принят равным максимально возможному при вентиляторном характере нагрузки, Расчетное значение его составляет М=0,42МН. Исследования проводились при варьировании углами управления а в широком диапазоне. Следует подчернуть, что задание угла управления по программе для формирования стационарного режима длительной работы в разомкнутой системе является единственным параметром настройки преобразователя, определяющим эффективность электромеханического преобразования энергии. Результаты расчетов на модели приведены в таблице 4.1. Во всем диапазоне изменения угла управления, как видно из расчетных данных, коэффициент искажения тока статора К; продолжает оставаться на достаточно высоком уровне. При угле управления а=79, устанавливается минимальный ток статора АД. Коэффициент искажения тока в этом режиме превышает значение 0.95. Работа с углом управления а=77 соответствует границе, когда дальнейшее уменьшение угла управления приводит к возникновению в системе электропривода колебательного процесса. Это видно из фрагментов расчетных осциллограмм угловой частоты вращения ротора и фазного тока статора, приведенных на рис. 4.5. Колебаниям частоты вращения ротора соответствует, как видно из осциллограмм, модуляция амплитуды тока статора. Дальнейшее уменьшение угла управления а 77 приводит, как показали исследования, к заметному увеличению амплитуды этих колебаний. В связи с этим, следует отметить, что исследуемая схема 12-пульсного НПЧ, является также критичной к выбору угла управления при настройке разомкнутой системы электропривода на режим длительной работы с заданным моментом сопротивления. Эти зависимости по своей сути являются основными характеристиками управления двигателем. На их основе появляется возможность осуществить предварительный выбор рабочего угла управления, программное задание которого позволит обеспечения длительной работы с заданным моментом нагрузки при минимальном токе статора. ; Из полученных результатов исследований следует, что при : формировании частоты 33 Гц на базе 12-пульсного НПЧ, основные і характеристики управления двигателем в разомкнутой системе имеют примерно такой же вид, как и при программном формировании ступеней частот с симметричным напряжением в 6-пульсной схеме. Главное отличие заключается в более слабом проявлении экстремальности в кривой тока. Это подтверждается также и специально проведенными исследованиями. На рис. 4.7 показаны расчетные осциллограммы фазного тока и напряжения АД, полученные при формировании стационарного режима j работы. Форма тока и напряжения характеризуется достаточно высокими ! показателями коэффициента искажения формы. Для рассматриваемого случая і величины Kj и Ки составляют соответственно 0,956 и 0, 939.
