Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные технические средства модернизации высоковольтных электроприводов переменного тока 7
1.1. Общая оценка состояния электроприводов вентиляторных установок и требований к ним в промышленности 7
1.2. Методология принятия решений в задачах модернизации вентиляторных механизмов 11
1.3. Элементная база современных средств модернизации вентиляторных электроприводов 14
1.4. Обзор существующих преобразователей частоты на тиристорах 15
1.5. Обзор существующих высоковольтных пусковых устройств 21
1.6. Варианты модернизации электроприводов вентиляторной станции ЛПЦ-10 25
Выводы 30
ГЛАВА 2. Разработка методики сравнительного анализа способов регулирования производительности вентиляторной станции и выбор оптимального способа регулирования 31
2.1. Моделирование аэродинамических характеристик вентилятора 31
2.2. Моделирование вентиляционной сети 37
2.3. Методика анализа энергетической эффективности способов регулирования производительности вентиляторной станции 48
2.4. Выбор оптимального способа регулирования производительности 58
Выводы 59
ГЛАВА 3. Разработка силовой схемы трансформаторно-тиристорного пускового устройства и его математическая модель 61
3.1. Трансформаторно-тиристорное и трансформаторное пусковое устройство 61
3.2. Экспериментальное исследование пускового устройства 65
3.3. Варианты силовых схем трансформаторно-тиристорных пусковых устройств 66
3.4. Оценка стоимости трансформаторно-тиристорного пускового устройства и суммарных затрат на модернизацию 68
3.5 Основные уравнения состояния асинхронного двигателя 70
3.6 Математическое описание работы трансформатора 76
Выводы 78
ГЛАВА 4. Исследование модели системы «трансформаторно-тиристорный пускатель -асинхронный двигатель» и анализ пусковых режимов 79
4.1. Выбор способа реализации модели 79
4.2. Моделирование прямого пуска АД 80
4.3. Модель трансформаторно-тиристорного пускового устройства 83
4.4. Исследование пуска двигателя без нагрузки на валу при фиксированном угле управления 88
4.5. Исследования пусковых характеристик при вентиляторной нагрузке на валу двигателя 93
Выводы 100
Заключение 101
Литература 103
Приложения
- Общая оценка состояния электроприводов вентиляторных установок и требований к ним в промышленности
- Моделирование аэродинамических характеристик вентилятора
- Трансформаторно-тиристорное и трансформаторное пусковое устройство
- Выбор способа реализации модели
Введение к работе
Известно, что турбомеханизмы потребляют до 25% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. При этом в большинстве случаев электроприводы турбомеханизмов являются нерегулируемыми, что не позволяет снижать электропотребление при снятии технологических нагрузок. Регулирование их производительности с помощью запорной арматуры на стороне потребителя (дросселирование) является энергетически неэффективным [1].
Это заставляет искать пути, позволяющие снизить потери, связанные с несовершенными способами регулирования производительности турбомеханизмов. Данная проблема особенно остро стоит для групп турбомеханизмов работающих параллельно на общую разветвленную сеть - насосных, вентиляторных и компрессорных станций. Сложность аэро- и гидродинамических процессов происходящих при этом в сети не позволяет получить универсального решения данной проблемы. Решать вопрос об оптимальном способе регулирования производительности приходится индивидуально в каждом конкретном случае с учетом типа турбомеханизма и условий его работы.
Приближенные расчеты, проведенные для вентиляторной станции ЛПЦ-10 ОАО «ММК» показали, что потери электроэнергии вследствие отсутствия эффективной системы регулирования производительности доходят до 20...25% от общего потребления электроэнергии вентиляторами.
Снижение этих потерь возможно при регулировании суммарной производительности вентиляторной станции по потребностям производства. В настоящее время такое регулирование осуществляется вручную, не чаще одного раза в смену, с помощью осевого направляющего аппарата вентиляторов. Очевидно, что энергосберегающий эффект подобного регулирования чрезвычайно низок.
В связи с этим, актуальной является задача выбора энергетически эффективного способа регулирования производительности вентиляторной станции, при котором будут минимизированы неоправданные потери электроэнергии.
5 Такой выбор может быть осуществлен только при сравнении всех имеющихся способов регулирования. Имеющиеся методики ориентированы в основном на анализ сетей с неизменными параметрами и не могут быть применены к сложным объектам с несколькими потребителями, для которых расход воздуха различен.
Целью работы является улучшение технико-экономических показателей работы электроприводов вентиляторной станции за счет реализации энергетически эффективного способа регулирования ее суммарной производительности и разработка средств технической реализации такого способа, позволяющих минимизировать капитальные затраты на его внедрение.
Для достижения поставленных целей в работе решаются следующие основные задачи:
Анализ вариантов модернизации высоковольтных асинхронных электроприводов вентиляторов и средств их технической реализации.
Оценка эффективности различных способов регулирования производительности вентиляторной станции.
Выбор способа регулирования позволяющего получить максимальный эффект энергосбережения при минимуме капитальных затрат.
Разработка новой силовой схемы трансформаторно-тиристорного пускового устройства для реализации «старт-стопного» регулирования производительности вентиляторной станции и ограничения пускового тока и ударного момента электродвигателей.
Создание компьютерной модели системы «трансформаторно-тиристорное пусковое устройство - асинхронный двигатель».
Исследование компьютерной модели для выявления характеристик и возможностей пускового устройства.
Содержание работы изложено в четырех главах.
В первой главе проведен анализ путей модернизации электроприводов вентиляторных станций. Показана необходимость проведения дополнительных исследований для выбора рационального пути модернизации.
Вторая глава посвящена разработке методики анализа энергетической эффективности способов регулирования производительности вентиляторной станции. До настоящего времени анализ работы группы вентиляторов производится в основном графическим методом. Метод требует значительных временных затрат, практически не поддается автоматизации и трудно реализуем при большом числе вентиляторов. Разработанная методика позволяет оперативно решать широкий спектр задач, связанных с работой вентиляторов в сложных сетях.
В третьей главе предложена новая силовая схема пускового устройства на основе трансформатора. Стоимость такого устройства в несколько раз ниже классических пусковых устройств построенных на базе высоковольтных тири-сторных регуляторов напряжения.
В четвертой главе описана компьютерная модель пускового устройства и приведены результаты моделирования его работы при пуске асинхронного двигателя с вентиляторной нагрузкой. Предложены алгоритмы пуска АД с учетом особенностей пускового устройства и характера нагрузки.
В работе проведена приближенная оценка ожидаемой экономии электроэнергии от внедрения рациональных способов регулирования производительности. Рассчитаны сроки окупаемости для различных вариантов модернизации.
По содержанию диссертационной работы опубликовано девять научных трудов, полученные результаты докладывались на трех международных научно-технических конференциях.
Общая оценка состояния электроприводов вентиляторных установок и требований к ним в промышленности
В настоящее время регулируемые электроприводы получили широкое распространение в индустриально развитых странах, прежде всего как эффективное средство энерго- и ресурсосбережения. И эта тенденция, с учетом роста стоимости энергоносителей и электроэнергии, устойчиво сохраняется.
Это делает привлекательным использование регулируемых электроприводов в металлургической и других отраслях промышленности, в системах коммунального тепло- и водоснабжения. Переход к регулируемому электроприводу позволяет расширить возможности автоматизации технологических процессов, эффективно использовать современные микропроцессорные системы управления.
Мировой рынок регулируемых электроприводов оценивается примерно в 9 млрд. долл. США, что соответствует около 10 млн. комплектов, из которых более 50% - низковольтные регулируемые электроприводы мощностью не более 100 кВт. На долю Европы приходится 30% мирового рынка, 25% - на Японию и 23% - на Северную Америку (Канада, США) [2,3].
Достоинства частотно-регулируемых асинхронных электроприводов предопределили, начиная с середины 80-х годов, тенденцию их широкого применения практически во всех отраслях промышленности. В настоящее время на предприятиях черной металлургии особое внимание уделяется к внедрению преобразователей частоты для регулирования производительности таких механизмов, как питательные насосы, насосы сетевой воды, дутьевые вентиляторы, дымососы и т.п. В эксплуатируемом парке асинхронных двигателей с коротко-замкнутым ротором значительная доля электропотребления приходится на вы 8 соковольтные электродвигатели. Модернизация мощных электроприводов вентиляторного типа с целью регулирования частоты вращения наряду с оптимизацией технологических процессов позволяет получить наибольший эффект энергосбережения.
Как показывает анализ мирового опыта, для регулирования частоты вращения высоковольтных асинхронных двигателей, особенно при мощностях начиная с 800-1000 кВт, наиболее оптимальным является оснащение их высоковольтными преобразователями частоты на основе автономных инверторов напряжения (АИН) и тока (ЛИТ). При этом тип инвертора и схема преобразователя частоты в целом имеет высоковольтное исполнение. Принципы управления такими преобразователями в значительной мере определяются типом применяемых силовых полупроводниковых приборов. Для мощностей 1000 кВт и выше целесообразно применить непосредственный преобразователь частоты (НПЧ), не имеющий ограничений по мощности. Технологии частотно-регулируемого асинхронного электропривода остаются разнообразными как в топологии, так и в характеристиках. Как подчеркивается в многочисленных публикациях за последние годы, ни одна из схем преобразователей частоты для высоковольтного асинхронного электропривода не является оптимальной.
Высоковольтный электропривод переменного тока является наиболее распространенным по применению в установках с вентиляторной нагрузкой большой мощности (свыше 500 кВт). В настоящее время значительное большинство высоковольтных электроприводов остаются нерегулируемыми в связи с отсутствием надежных и относительно недорогих преобразователей высоковольтного исполнения. Работы по созданию таких преобразователей в нашей стране начались в 70-х годах прошлого века. Тогда появились единичные образцы высоковольтных преобразователей частоты для двигателя мощностью 3500 кВт и напряжением вкВ [4]. По конструкции они представляли собой двухзвенные преобразователи с автономным инвертором тока с двухступенчатой емкостной коммутацией. Высоковольтное исполнение указанных преобразователей, наряду с высокой «вентилеёмкостью» за счет последовательного со 9 единения вентилей, имеет множество других особенностей и отличий в сравнении с традиционными схемами, предназначенными для питания двигателей напряжением 380 В.
В настоящее время высоковольтные преобразователи частоты получили развитие в основном в трех направлениях: 1. Двухтрансформаторная структура «понижающий трансформатор -низковольтный преобразователь частоты - повышающий трансформатор». 2. Однотрансформаторная структура «трансформатор для много-пульсного выпрямителя - инвертор на запираемых GTO или SGCT -тиристорах», либо структура с ШИМ-выпрямителем. 3. Бестрансформаторная структура ПЧ на запираемых GTO тиристорах высокого класса.
Из практики эксплуатации электрооборудования на металлургических предприятиях известно, что во многих случаях, в связи с тяжелыми условиями нерегулируемого пуска, электроприводы компрессоров, насосов и вентиляторов вынужденно оставляют в работе во время плановых остановок и простоев технологических агрегатов. При этом ряд механизмов допускает «старт-стопное» регулирование производительности, т. е. изменение числа одновременно работающих устройств. Для электроприводов таких механизмов достаточно оснастить их пусковыми устройствами (ПУ) обеспечивающими плавный, безударный пуск двигателей.
Моделирование аэродинамических характеристик вентилятора
Для выбора оптимального способа регулирования процессов подачи воздуха в методические печи необходимо разработать математическую модель, описывающую вентилятор с учетом возможности регулирования его производительности как изменением скорости двигателя, так и поворотом лопаток осевого направляющего аппарата (ОНА).
Основой такой модели являются паспортные аэродинамические характеристики вентилятора. Они представляют собой семейства экспериментальных графических зависимостей Я -J{Q), Р -Дб) Ц =AQ) снятых при номинальной скорости вращения вентилятора для нескольких значений угла поворота лопаток р. Паспортные аэродинамические характеристики вентилятора ВВН-20 приведены в приложении 1. Для математического моделирования необходимо представить характеристики в виде аналитических функций трех переменных: Ы = J[Q,G), p), Р где: Н - полное давление вентилятора, Па; Q - его производительность, л?/с; Р„„ - мощность на валу Вт; со - скорость двигателя, рад/с; а\, b\, с\, а2, Ь2, с2 -постоянные коэффициенты.
Приведенные выражения выводятся на основании законов подобия тур-бомсханизмов [11, 12]. Они описывают аэродинамические характеристики с точностью, достаточной для инженерных расчетов и позволяют получить характеристики для различных значений скорости двигателя.
Формулы (2.1)-(2.3) широко используются для моделирования работы турбомеханизмов, в частности центробежных насосов. Для них производительность определяется скоростью двигателя и характеристикой сети. Однако для мощных вентиляторов такая модель несовершенна, т. к. она не позволяет учесть изменение угла поворота лопаток ОНА. Одним из решений этой проблемы является представление коэффициентов Й, b\, с\, а2, Ь2, с2 как функций угла поворота лопаток ср.
Для этого необходимо аппроксимировать паспортные аэродинамические характеристики выражениями (2.1)-(2.2) предварительно задав в них значение номинальной скорости со = сон. Вычисление значений коэффициентов at, Ь\, С\, 2, Ь2, с2 удобно проводить методом наименьших квадратов в пакете MatLab. Аппроксимировать необходимо каждую из характеристик соответствующую фиксированному углу поворота лопаток р. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.1.
Зависимости коэффициентов аи bh ch a2i b2, c2 от угла (p достаточно сложны для аналитического описания. Графики, построенные по результатам расчетов, имеют вид сложных кривых с несколькими экстремумами. В некоторых случаях эти кривые могут быть аппроксимированы аналитической функцией с погрешностью, не превышающей инженерной. Например, зависимости Ь\{о) и С\(а) хорошо аппроксимируются полиномами седьмой степени. Но гораздо чаще такие кривые из-за их сложности не могут быть описаны одним аналитическим выражением с приемлемой точностью.
Поэтому для описания подобных зависимостей рациональнее использовать методы компьютерной интерполяции данных. Эти методы не обладают простотой и наглядностью математических выражений, но позволяют эффективно описывать любые, сколь угодно сложные зависимости. Широкие возможности для этого имеет пакет MatLab. В пакете имеются встроенные функции кусочно-линейной, сплайновой и Эрмитовой интерполяции, а также возможность реализации многомерной табличной интерполяции [13].
Выбор метода интерполяции определяется в основном поведением исходной кривой и требуемой точностью представления данных. В описываемом случае хорошие результаты достигаются при реализации сплайн-интерполяции.
Определение параметров сплайновой интерполяции в среде MatLab достигается с помощью функции spline. Она осуществляет интерполяцию таблично заданной функции отрезками кубических полиномов. Аппроксимирующая кривая точно проходит через все заданные точки без изломов. Вызов значения коэффициента для произвольного угла р осуществляется командой ppvai [ 14].
Таким образом, выражения (2.1)-(2.3) используемые совместно со встроенными функциями MatLab позволяют полностью описать соответствующие экспериментальные зависимости и построить широкий ряд кривых аэродинамических характеристик для любых значений скорости двигателя оз и угла поворота лопаток р в пределах: 0 со (аноч, 0 р р№.
Программа, реализующая интерполяцию и построение аэродинамических характеристик ВВН-20 приведена в приложении 2. На рис. 2.2 показан результат выполнения программы. Сравнение построенных расчетных расходно-напорных характеристик с паспортными дает расхождение в отдельных точках не более 3%.
Трансформаторно-тиристорное и трансформаторное пусковое устройство
Долгое время для ограничения пусковых токов в высоковольтных электроприводах переменного тока имели применение в основном пусковые реакторы. Наиболее эффективно используются они при пуске ненагруженных двигателей, когда в условиях ограничения напряжения ротор разгоняется до частоты вращения близкой к номинальной и дальнейший переход на полное напряжение происходит без заметных бросков тока. Реакторный пуск нагруженных электродвигателей значительного эффекта в ограничении пускового тока не дает. Во многих случаях пуск при таких условиях является затяжным и переход на полное напряжение сопровождается заметными бросками тока.
В последние годы появились высоковольтные пусковые устройства производства как ведущих зарубежных, так и отечественных производителей позволяющие реализовать «мягкий» пуск асинхронных двигателей практически любой мощности и любым характером нагрузки на валу. Их широкому внедрению препятствуют высокие стоимостные показатели подобных устройств, что связано с высоковольтным исполнением силовых шкафов и использованием дорогостоящих тиристоров зарубежного производства.
В то же время в условиях реструктуризации производства в ОАО «ММК» образовался резерв трансформаторного оборудования, тиристорных преобразователей постоянного тока, а также силовых тиристорных блоков. В этих условиях имеется возможность использования освобождающегося из эксплуатации оборудования для создания высоковольтных трансформаторно-тиристорных пусковых устройств. С этой целью были разработаны различные варианты построения ПУ на основе трансформаторов [31]. Один из вариантов построения такого устройства показан нарис. 3.1.
Принцип действия такого устройства следующий. При отсутствии управляющих импульсов на тиристорах трансформатор находится в режиме холостого хода. Его сопротивление достаточно велико и двигатель в этом случае останется неподвижным. Плавное уменьшение угла управления а приводит к открыванию тиристоров и росту тока в первичной и вторичной обмотках. Так как АД включен в цепь первичной обмотки, рост тока в ней приводит к разгону двигателя. Перевод трансформатора в режим короткого замыкания приведет к снижению напряжения на его первичных обмотках и одновременному росту напряжения на двигателе. По окончании разгона ток двигателя падает, а напряжение на его обмотках достигает номинального значения.
Сказанное удобно пояснить схемой замещения на рис. 3.2. В этой схеме трансформатор и двигатель представлены классическими Т-образными схемами замещения, а сопротивление Zf2n представляет тиристорный преобразователь напряжения, подключенный к вторичной обмотке трансформатора.
Очевидно, что характеристики пускового устройства определяются главным образом характеристиками трансформатора, который, по сути, является управляемым переменным сопротивлением Ъъ\- При этом основным влияющим фактором является соотношение рабочих напряжений трансформатора и двигателя,
Если номинальное напряжение трансформатора соизмеримо с номинальным напряжением двигателя, то в режиме холостого хода трансформатора ток его первичной обмотки на порядок ниже номинального и пуск двигателя невозможен.
Если номинальное напряжения трансформатора заметно ниже номинального напряжения двигателя, то трансформатор окажется в состоянии насыщения и ток в цепи первичной обмотки может оказаться достаточным для пуска двигателя даже при закрытых тиристорах. После увеличения скорости двигателя до некоторого значения трансформатор плавно переводится в режим короткого замыкания, и пуск завершается при номинальном напряжении на его обмотках. Таким образом, в рассмотренном случае плавный пуск двигателя осуществляется в два этапа.
Выбор способа реализации модели
При составлении модели предпочтение отдано пакету Simulink и его расширению SimPowerSystems. Расширение SimPowerSystems имеет библиотеки виртуальных электрических машин, силовой электроники, сточников энергии, измерительных приборов и др. Это позволяет быстро скомпоновать и исследовать модель практически любой сложности. При отсутствии в составе библиотек необходимых элементов они могут быть построены из элементарных блоков Simulink [41,42].
Для решения поставленной задачи SimPowerSystems имеет практически все необходимые библиотечные блоки. Особенно важным является то, что виртуальные модели асинхронного двигателя и трансформатора построены согласно соответствующим системам дифференциальных уравнений (3.15), (3.16) и (3.19), (3.20) [43].
Возможны и другие способы реализации модели. Например, написание программы на языках программирования высокого уровня. Этот способ достаточно трудоемок, требует много времени на отладку программы и высокой квалификации программиста. Другой путь - представление систем уравнений в операторном виде и решение их в пакете Simulink в виде функциональных моделей. На рис.4.1 показана такая модель асинхронного двигателя, построенная по уравнениям (3.17) [36J.
Такие модели достаточно наглядны, легко модифицируются. Их применение оправдано в тех случаях, когда необходимо сконструировать собственный уникальный блок или учесть явления и процессы, не предусмотренные в стандартных библиотечных блоках, например, явление насыщения главной магнитной цепи АД. В прочих ситуациях построение функциональных моделей преимуществ не дает. В частности, результаты моделирования, полученные при исследовании функциональной модели (рис. 4.1) идентичны результатам для библиотечного блока SimPowerSystems «Asynchronous Machine SI units».
Первым этапом при анализе работы АД является моделирования процесса прямого пуска. Данный процесс является типовым и по характеру его протекания можно оценить адекватность модели реальной системе. При этом в первую очередь уделяется внимание совпадению результатов моделирования, воспроизводящих известными паспортные данные.
На рис. 4.2 показана компьютерная модель, реализующая прямой пуск двигателя при различных характерах нагрузки на валу. Назначение и особенности настройки стандартных библиотечных блоков подробно описаны в специальной литературе [34, 43, 44]. Переключатель S1 позволяет выбрать характер нагрузки: вентиляторного типа или с постоянным моментом сопротивления на валу. Субблок «Vent» реализует известную зависимость: М = М + ко2. Блок «Scope» отображает зависимость от времени действующих значений токов статора, скорости вращения ротора и электромагнитного момента на валу. Для точного определения контролируемых величин их численные значения выводятся на виртуальный дисплей.
Полученные при расчетах параметры позволяют адекватно описать работу двигателя в номинальном режиме. В режимах отличных от номинальных, особенно при пуске двигателя, погрешность результатов может оказаться значительно большей. Она обусловлена изменением параметров цепи ротора Rr и tr в процессе пуска за счет вытеснения тока в стержнях и насыщения коронок зубцов ротора [45].
Погрешность тем больше, чем выше мощность двигателя. В частности, для исследуемого АД полученная при моделировании кратность пускового тока оказалась выше паспортного значения почти в два раза. В данной работе параметры R r и tt скорректированы таким образом, чтобы величина кратности тока к\ соответствовала паспортному значению.
Итоговая модель непригодна для исследования номинального режима, но позволяет корректно описать процесс пуска и режимы, близкие к холостому ходу двигателя. Учитывая, что при пуске мощных вентиляторов момент сопротивления на валу АД ограничен по величине модель с измененными параметрами можно считать адекватной для решения поставленной задачи.
