Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ вариантов модернизации высоковольтных электроприводов переменного тока 9
1.1. Общая оценка состояния электроприводов турбомеханизмов и требований к ним в промышленности 9
1.2. Анализ вариантов модернизации 14
1.3. Современное состояние и тенденции развития технических средств для частотного регулирования 19
1.3.1. Элементная база современных высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов 20
1.3.2. Обзор существующих преобразователей частоты на тиристорах...21
1.3.3. Современные преобразователи частоты для энергосберегающего электропривода 28
1.4. Проблемы, связанные с эксплуатацией высоковольтных преобразователей частоты на полностью управляемых ключах 35
1.4.1. Отрицательное влияние коммутационных перенапряжений 36
1.4.2. Электромагнитная совместимость преобразователей частоты и приводных асинхронных двигателей 38
1.5. Оценка перспектив применения многоскоростных АД для задач энергосбережения в вентиляторных механизмах 41
1.6. Технико-экономическое обоснование выбора системы НПЧ-АД для ступенчатого регулирования и постановка задачи по созданию объектно-ориентированного преобразователя частоты 47
Выводы 54
ГЛАВА 2. Разработка алгоритмов программного формирования ступеней частоты напряжения в системе 18-пульсный НПЧ-АД и их описание 55
2.1. Принципы построения алгоритмов программного формирования напряжения в НПЧ . 55
2.2. Разработка алгоритмов формирования ступеней пониженной частоты напряжения на базе 18-пульсного НПЧ 57
2.3. Разработка алгоритма формирования высоковольтного напряжения 64
2.4. Представление алгоритмов программного формирования напряжения на основе переключающих функций 70
2.5. Использование топологии схемы и матрицы коммутаций для описания алгоритмов НПЧ-АД 74
Выводы 78
ГЛАВА 3. Моделирование системы 18-пульсного НПЧ с различными видами нагрузок в режиме программного формирования напряжения 79
3.1. Описание модели системы с 18-пульсным НПЧ 79
3.2. Моделирование работы 18-пульсного НПЧ на R-нагрузку 88
3.3. Моделирование 18-пульсного НПЧ на RL- нагрузку 91
3.4. Исследование на модели системы 18-пульсный НПЧ-АД.. 98
3.4.1. Формирование режимов работы НПЧ-АД на пониженных частотах 101
3.4.2. Особенности формирования частоты 37,5 Гц при работе АД 104
3.5. Оценка влияния системы 18-пульсный НПЧ-АД на питаюнгую сеть 108
Выводы 118
Глава 4. Оптимизация режимов работы системы 18-пульсного НПЧ-АД с программным управлением 119
4.1. Анализ условий минимизации потерь в АД 119
4.2. Расчет минимума тока статора в системе НПЧ-АД 125
4.3. Исследования замкнутой системы НПЧ-АД при программном формировании напряжения на частоте 37,5 Гц 136
4.4. Описание экспериментальной установки НПЧ-АД с программным формированием напряжения 141
Выводы 151
Заключение 152
Литература 154
Приложение 164
- Современные преобразователи частоты для энергосберегающего электропривода
- Оценка перспектив применения многоскоростных АД для задач энергосбережения в вентиляторных механизмах
- Представление алгоритмов программного формирования напряжения на основе переключающих функций
- Формирование режимов работы НПЧ-АД на пониженных частотах
Введение к работе
В настоящее время, подавляющее большинство высоковольтных электроприводов переменного тока с нагрузкой вентиляторного типа (вентиляторы, насосы, компрессоры, воздуходувки, дымососы и др.) продолжают оставаться нерегулируемыми. В условиях постоянного роста цен на электроэнергию на предприятиях обострилась проблема энерго-, ресурсосбережения и появилась необходимость в их модернизации. Общеизвестно, что превышение электропотребления в механизмах данного типа составляет во многих случаях 30-40%. На энергоёмких производствах, в том числе и на ОАО ММК (г. Магнитогорск) уделяется значительное внимание решению проблем энергосбережения и рационального потребления энергоносителей.
В целом, установленная мощность электроприводов механизмов вентиляторного типа в ОАО «ММК» составляет около 200 МВт, в том числе 160 МВт приходится на высоковольтные двигатели переменного тока с напряжением 3, б кВ и выше. Таким образом, значительная доля электропотребления приходится на высоковольтный электропривод турбомеханизмов, который в своем большинстве продолжает оставаться нерегулируемым.
Существует широкий круг высоковольтных вентиляторных механизмов, для которых по сезонным условиям необходимо обеспечить несколько или даже одну дополнительную ступень частоты вращения. К таким механизмам следует в первую очередь отнести вентиляторы машинных залов прокатных цехов, производительность которых в зимнее время избыточна. Расчеты, проведенные для электропривода вентилятора машзала ЛПЦ-4 мощностью 630 кВт, показали, что при понижении в зимнее время (на период 120-160 суток) частоты вращения на 25% достигается заметное снижение электропотребления. При существующих ценах на электроэнергию ожидаемая экономия в денежном выражении составит свыше 800 тыс. рублей. Для этого достаточно в зимний период времени реализовать питание двигателя от ступенчатого преобразователя частоты с частотой выходного напряжения, например 37,5 Гц.
5 Кроме того, многие механизмы с вентиляторной нагрузкой практически не отключаются при снятии нагрузок из-за целого комплекса ограничений, связанных с нормируемым количеством пусков привода или агрегата ввиду их тяжести. Отсутствие возможности регулирования скорости таких механизмов не позволяет осуществить «мягкий» пуск мощных электродвигателей переменного тока. Применение современных высоковольтных преобразователей частоты для этих целей с экономической точки зрения нецелесообразно ввиду их высокой стоимости, обусловленной избыточными регулировочными возможностями. По этой причине на ОАО «ММК» разработана концепция модернизации электроприводов переменного тока, согласно которой предлагается реализовать три уровня регулировочных возможностей [1]:
Плавное регулирование частоты вращения двигателя с высокой точностью и в широком диапазоне.
Возможность создания ступенчатого регулирования скорости с реализацией экономичных режимов работы.
Возможность реализации "мягкого пуска", с ограничением динамических моментов и пусковых токов, что позволяет производить отключения в результате вынужденных и плановых простоев любого временного интервала.
Срок окупаемости, как показал опыт внедрения на ТЭЦ, преобразователей для первого уровня модернизации механизмов с вентиляторной нагрузкой составил около 8 лет, что экономически нецелесообразно.
Поэтому, в условиях действующего производства ОАО "ММК" для механизмов с вентиляторной нагрузкой принято решение о внедрении регулировочных возможностей различных уровней, в зависимости от требований со стороны производства. Ощутимый эффект энерго-, ресурсосбережения может быть получен при незначительных затратах путем использования тиристорных преобразователей постоянного тока, освобождаемых в результате реконструкции ряда цехов или вывода их из работы. В результате реконструкции нерегулируемых электроприводов переменного тока предполагается создние необходимых с учётом потребностей производства регулировочных возможностей для каждого конкретного механизма, или класса механизмов. Так как рассматриваемые электропри- воды изначально были спроектированы, как нерегулируемые, то к ним обычно не предъявляют жесткие требования по качеству регулирования. Кроме того, значительная часть электроприводов вентиляторного типа не нуждается в создании тормозных режимов.
Для реализации «мягкого» пуска и ступенчатого регулирования в высоковольтных электроприводах на кафедре электроники и микроэлектроники Магнитогорского государственного технического университета разработан высоковольтный вариант 18-пульсного преобразователя частоты [2]. Конструкция предложенного объектно-ориентированного преобразователя привлекательна пониженной «вентилеёмкостью», а также тем, что максимальные напряжения на вентилях вдвое меньше, чем на фазах двигателя.
На основе обзора существующих технических средств регулирования, сопоставления стоимостных показателей возможных вариантов модернизации, в работе была установлена технико-экономическая целесообразность создания объектно-ориентированного высоковольтного ступенчатого преобразователя частоты по предложенной схеме. Действительно, существующие высоковольтные НПЧ имеют значительно большую вентелеемкость (108 тиристоров) и стоимость их выше в 2,5 раза.
Были рассмотрены 3 варианта модернизации (система понижающий трансформатор - ПЧ - повышающий трансформатор, вариант использования много скоростного двигателя и предложенная схема). Расчеты показали целесообразность создания для мощных электроприводов рассматриваемого типа объектно-ориентированного 18-пульсного НПЧ. В этой связи в работе были решены следующие задачи: - разработана силовая схема высоковольтного варианта 18-пульсного непосредст- венного преобразователя частоты с пониженной «вентилеёмкостью»; - разработаны алгоритмы программного управления вентилями НПЧ, обеспечи вающих пуск и длительные режимы работы электропривода при формировании симметричных систем трехфазных напряжений с различными фиксированными значениями частоты; созданы математические модели систем 18-ггульсныЙ НПЧ с различными видами нагрузок при формировании ряда ступеней частоты напряжения, позволяющие исследовать алгоритмы управления вентилями и процессы электромеханического преобразования энергии в АД при пуске и в стационарных режимах работы; разработана структура системы управления, обеспечивающая устойчивую работу системы 18-пульсный НПЧ-АД в стационарных режимах с реализацией условий минимизации тока статора.
Исходными посылками для проведения теоретических и экспериментальных исследований явились разработки и результаты исследований, полученные на кафедре электроники и микроэлектроники Магнитогорского государственного технического университета при создании систем 6-ти 12-пульсный НПЧ-АД на базе отечественных тиристоров с программным формированием напряжения. Эти исследования показали, что для мощных электроприводов целесообразен переход к многопульсным схемам НПЧ.
Содержание работы изложено в четырех главах.
В первой главе проведена оценка состояния электроприводов вентиляторного типа в промышленности и проанализированы возможные варианты модернизации электроприводов, для которых является достаточным создание одной или нескольких ступеней частоты вращения. Значительное внимание уделено технико-экономическому обоснованию выбора предложенного высоковольтного варианта 18-пульсный НПЧ-АД.
Вторая глава посвящена разработке алгоритмов программного формирования ступеней пониженной частоты вращения без суммирования линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора и с суммированием напряжений для создания ступени частоты 37,5 Гц, которая, для многих электроприводов вентиляторного типа является одной из основных рабочих частот. Приведено математическое описание алгоритмов управления вентилями на основе переключающих функций, а также разработана матрица коммутаций вентилей и топологическое представление особенностей реализации алгоритмов.
Третья глава посвящена разработке математической модели системы НПЧ-АД при программном формировании напряжения, в которой реализованы предложенные алгоритмы управления вентилями при формировании ступеней пониженной частоты до 30 Гц и отдельно исследованы процессы при формировании высокого напряжения с частотой 37,5 Гц. Проведена оценка влияния преобразователя на питающую сеть.
В четвертой главе рассмотрены вопросы оптимизации стационарных режимов работы 18-пульсной системы НПЧ-АД с программным формированием напряжения. С использованием результатов расчетов на модели определены граничные углы управления, при которых сохраняется устойчивая работа. Расчет минимального тока проводился с использованием соотношений, вытекающих из круговой диаграммы АД [1]. Для повышения устойчивости системы НПЧ-АД и снижения её критичности к настройке преобразователя проведены исследования на модели различных структур регуляторов напряжения. Приведено описание физической модели системы электропривода и структурной схемы системы управления, а также приведены ряд осциллограмм, полученных на установке.
По результатам диссертационной работы опубликовано 13 статей, а также получен патент на изобретение.
Современные преобразователи частоты для энергосберегающего электропривода
Пусковые устройства наиболее эффективно применяются на объектах, где имеются несколько синхронных двигателей (СД), работающих в едином технологическом цикле, например, на компрессорных станциях промышленных предприятий. По техническим условиям эти двигатели обычно включаются один раз в неделю и работают на полную мощность независимо от потребности в сжатом воздухе. Пусковое устройство, выполняющее поочередный пуск всех СД компрессорной станции, позволяет по мере необходимости включать и отключать двигатели практически неограниченное число раз, обеспечивая с целью энергосбережения «старт-стопное» регулирование производительности. На компрессорных станциях обычно используются синхронные двигатели на напряжение 6 и 10 кВ мощностью от 800 до 4000 кВт. Для плавного пуска таких СД оптимальным является применение тиристорного пускового устройства (ТПУ), разработанного АО «Ансальдо-ВЭИ» и успешно примененное в тяжелой промышленности. ТПУ представляет собой тиристорный преобразователь, реализованный по шестипульснои схеме выпрямитель-инвертор со звеном постоянного тока. Схема ТПУ для пуска 5 СД, включающая все внешние и внутренние обменные сигналы, представлена нарис. 1.2.
Для ограничения токов КЗ на входе преобразователя устанавливаются линейные реакторы (ЛР), а в цепи постоянного тока - сглаживающий реактор (СР). Система управления ТПУ путем изменения углов управления тиристорами, регулирования тока штатных тиристорных возбудителей (ТВ) и коммутации выключателей обеспечивает: плавный поочередный пуск 5 нагруженных синхронных электродвигателей; синхронизацию с питающей сетью частоты вращения электродвигателей и последующее их переключение на питание от промышленной сети 6-Ю кВ.
В случаях, когда требуется непрерывное регулирование частоты вращения высоковольтных СД, применяются тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ), этой же фирмы, причем нашли применение два варианта. В первом случае, схема ТПЧ аналогична шестипульсному ТПУ и применяется для двигателей, допускающих загрузку обмоток статора высшими гармониками, т.е. для специальных вентильных двигателей либо для обычных двигателей, мощность которых может быть снижена на 20-25% от номинальной. Во втором случае, когда СД длительно работает с полной электрической нагрузкой, оптимальным решением является использование 12-пульсной схемы с трехобмоточными трансформаторами на входе и выходе преобразователя. Схема ТПЧ представлена на рис. 1.3. В основу конструкции тиристорных ПЧ положен модульный принцип построения. Два (или четыре для 12-пульсного ТПЧ) преобразовательных моста, а также ограничители перенапряжения, предохранители, дроссели насыщения, измерительные датчики тока и напряжения и устройства системы управления размещаются в единой конструкции, называемой высоковольтным тиристорным устройством (ВТУ). Каждый преобразовательный мост состоит из 6 тиристорных вентилей, содержащих один или несколько соединенных последовательно тиристоров, демпфирующие RC-цепочки и ячейки управления тиристоров [5,22]. Число тиристоров в плече моста зависит от рабочего напряжения ПЧ и параметров самих тиристоров. Для ТПЧ с трансформаторами на входе и выходе уровень переменного напряжения лежит в пределах 800-2200 В. Ещё один вариант многопульсного кольцевого преобразователя частоты, разработанный на кафедре АЭП ОГУ Микитченко А.Я., Грековым Э.Л., представлен нарис. 1.4 [23]. Преобразователь подключается на напряжение 380 В. Для получения высоковольтного варианта, необходимо последовательное включение вентилей. Недостаток данного кольцевого преобразователя частоты: большое число вентилей. Фирма TOSHIBA в 1981 поставила в Россию электропривод по схеме вентильного двигателя для воздуходувки. Мощность привода 10,5 МВт, 10 кВ. Фирма SIEMENS разработала преобразователь для пуска насосов гидроаккумулирующей станции, оборудованной четырьмя насосно-аккумулирующими установками. Мощность преобразователя 20 МВт, напряжение 23 кВ. Фирма Jeumont-Shneider разработала унифицированный модуль с масляным охлаждением для компоновки высоковольтных преобразователей частоты. Модуль имеет десять тиристоров, смонтированных электрически и механически последовательно. Номинальное напряжение б кВ. Эта же фирма разработала высоковольтный преобразователь частоты на основе автономного инвертора для электропривода центробежного компрессора. Преобразователь частоты набран из двенадцати указанных модулей: шесть - выпрямитель, шесть — автономный инвертор. Каждый модуль содержит десять последовательно соединенных тиристоров с повторяющимся напряжением тиристора 2600 В, током - 600 А. Фирма Jeumont-Shneider разработала электропривод номинальной мощностью 16,4 МВт для компрессоров газоперекачивающих станций. Электропривод выполнен по схеме вентильного двигателя. Номинальная мощность синхронного двигателя типа АТ65,5-170-2, МВт- 16,4. Номинальное напряжение - 9,405 кВ. Диапазон изменения мощности при регулировании -9,9-18 МВт. Фирма TOSHIBA поставила преобразователь для пуска синхронных двигателей насосной гидроаккумулирующей станции. Выпрямитель и инвертор преобразователя выполнены по трехфазной мостовой схеме. В каждом плече выпрямителя включено последовательно 42 тиристора с повторяющимся напряжением 2,5 кВ и током 1000 А, а в инверторе -35 тиристоров с теми же параметрами. Фирма SIEMENS поставила тиристорный преобразователь частоты, мощностью 50 МВт для подстанции, связывающей две сети 220 кВ, 50 Гц в Парагвае и 130 кВ, 60 Гц в Бразилии. Каждая сторона тиристорного преобразователя частоты выполнена по 12-фазной эквивалентной схеме, что реализуется на основе двух трехфазных мостов. Напряжение в звене постоянного тока 25,6 кВ, ток 1950 А. Каждое плечо трехфазного моста выполнено на основе высоковольтного тиристорного вентиля (ВТВ) с водяным охлаждением. ВТВ состоит из последовательно соединенных тиристоров.
Оценка перспектив применения многоскоростных АД для задач энергосбережения в вентиляторных механизмах
Наряду с использованием для целей энергосбережения объектно-ориентированных полупроводниковых средств на базе НПЧ-АД с программным формированием напряжения имеется возможность применения многоскоростных двигателей. Предложения по этому поводу сформулированы в [27]. В этой связи возникла необходимость оценить перспективу применения многоскоростньтх двигателей и определить условия, при которых данное направление будет в плане реализации экономически целесообразным.
Для целей ступенчатого регулирования скорости могут найти применение два типа многоскоростных двигателей (МД): однообмоточные и двухобмоточные МД. Однообмоточный двигатель имеет, как правило, две скорости и характеризуется тем, что в пазы статора укладывается одна обмотка, с возможностью изменения ее схемы соединений. Двухобмоточный двигатель позволяет получить четыре скорости вращения магнитного поля. При этом в пазы статора укладываются две независимые обмотки, каждая из которых (или одна из них — для случая трехскоростного двигателя) выполняется полюсопереключаемой. У полюсопереключаемых МД широкого назначения минимальная частота вращения равна 500 об/мин, однако выпускаются специальные двигатели, которые имеют меньшую частоту вращения. В этом случае увеличиваются габариты и масса двигателя, но имеется возможность получить большее количество соотношений числа пар полюсов, чем в однообмоточном двигателе.
В насосных установках наряду с плавно регулируемыми электроприводами могут применяться приводы с асинхронными многоскоростными электродвигателями, частота вращения которых меняется дискретно (ступенями) в соответствии с зависимостью: где f- частота тока питающей сети,/? — число пар полюсов электродвигателя, р= 1,2,3...; s= 0,024-0,04. Регулирование частоты вращения многоскоростных электродвигателей осуществляется изменением пар полюсов. Поскольку число пар полюсов не может быть дробным, при f = 50 Гц без учета скольжения частота вращения многоскоростных асинхронных электродвигателей имеет следующие значения: 3000, 1500, 1000, 750 об/мин и т.д.
В зависимости от схемы соединения обмоток статора полюсопереключаемые МД можно выбрать практически для любого вида нагрузки: вентиляторной, с постоянной мощностью или с постоянным моментом. При необходимости, согласно требованиям технологии, может обеспечиваться достаточная перегрузочная способность ( А,=1,8 - 2,5 ).
Применительно к задачам энергосбережения в вентиляторных механизмах могут применяться асинхронные МД с определенной схемой переключения обмоток статора, а именно схема, обеспечивающая увеличение перегрузочной способности при переходе на более высокую ступень частоты вращения. Такую возможность обеспечивает переключение статорной обмотки, соединенной по схеме звезда с последовательным соединением полуобмоток, на двойную звезду, с параллельным соединением полуобмоток [28], смотри рис. 1.11. При таком переключении осуществляется переход от согласно -последовательного соединения секций к встречно-параллельному включению (рис. 1.12). Изменяя ступенями частоту вращения электродвигателя можно дискретно менять положения напорной характеристики насоса. Благодаря этому изменению существенно уменьшаются превышения напоров в режиме минимальных подач.
По своему эффекту оснащение насоса многоскоростным электродвигателем равнозначно установке на станции дополнительного небольшого насоса (так называемого разновеса). Хотя этот способ регулирования не ликвидирует превышения напоров полностью, но благодаря их уменьшению обеспечивает более экономичный режим работы насосной установки.
Эффективность применения многоскоростных электродвигателей можно оценить следующим образом. Применение двухскоростного электродвигателя снимает превышения напоров, ограниченное криволинейным четырехугольником 2-4-5-6 (рис. 1.12).
Следовательно, экономия электроэнергии за счет снятия этих напоров может быть определена как разность потерь электроэнергии, затрачиваемой на превышение напоров, ограниченных ординатами криволинейного треугольника 1—3—5 и ординатами криволинейных треугольников 1—2—6 и /—3—4, Тогда величина экономии электроэнергии составит: — значения мощности, потребляемой при Qb Hi и Q2 Н2 соответственно, кВт; Т = Tj +Т2; — расчетный период времени, ч; Ti,T2 — время работы, ч, насоса с частотой вращения электродвигателя «у и П2 соответственно; w , Wj , w2 — относительные потери электроэнергии, определяемые по графикам. =0,02-0,03 — снижающий коэффициент, учитывающий, что КПД многоскоростных электродвигателей на 2—3 % ниже, чем односкоростных.
Для 3-х, 4-скоростных электродвигателей величина экономии электроэнергии вычисляется аналогичным образом, но при этом увеличивается число напорных характеристик и, следовательно, превышение напоров уменьшается еще больше. При этом возможности по экономии электроэнергии возрастают. Рассматриваемая методика определения экономии электроэнергии, является упрощенной, а приведенные формулы являются приближенными, так как при их выводе сделаны некоторые допущения. В частности, не учитывается изменение КПД насоса при изменении частоты его вращения, поскольку при этом экономия электроэнергии, обусловленная снижением напоров, обычно больше, чем потери электроэнергии за счет снижения КПД насоса при изменении его частоты вращения. Учет потерь электроэнергии, обусловленный изменением КПД насосного агрегата, осуществляется с помощью уравнения (1.4).
Однако данная методика позволяет достаточно быстро и просто оценить возможности по экономии электроэнергии. Сравнение прогнозируемой экономии электроэнергии с фактической, полученной при внедрении регулируемого электропривода на действующих объектах, показывает, что погрешность вычисления не превышает 10—15 %. Учитывая отсутствие достаточно надежных исходных данных о предстоящем режиме работы насосных установок, эту погрешность можно считать приемлемой при разработке практических мероприятий по экономии электроэнергии в насосных установках.
Оценивая рассмотренный способ регулирования скорости асинхронного двигателя, следует отметить простоту его реализации и отсутствие больших потерь скольжения, что характерно для параметрических способов регулирования скорости АД. Основным критерием при покупке и внедрении много скоростных двигателей по отношению к простым АД является его стоимость и затраты связанные с монтажом. Для сопоставления ниже приведены цены на двигатели, применяемые для компрессоров. Они взяты из прайс-листов на август 2002 г. ЗАО «ТПК Технополюс» г. Москва. Анализ цен показывает, что по стоимости простые АД и МД отличаются в 2-3 раза.
Представление алгоритмов программного формирования напряжения на основе переключающих функций
При создании модели на основе средств объектно-ориентированного программирования возникает необходимость представления системы «НПЧ-нагрузка» совокупностью простейших блоков, каждый из которых описывает какую-либо часть исследуемой схемы или электрические процессы, проходящие в этой части схемы. Для этой цели выделены следующие блоки: 1. Блок, описывающий изменение питающего напряжения (модель источника питания). 2. Блок, описывающий работу тиристора (фактически, его модель). 3. Блок, описывающий контрольные точки схемы, например, потенциалы в общей точке нагрузки, на анодах и катодах тиристоров и др. 4. Блок математического описания основных вариантов состояния схемы НПЧ с набором соответствующих уравнений и программных средств. 5. Блок, реализующий контроль текущего времени и выполнение заданных алгоритмов программного формирования последовательности подачи управляющих импульсов. Все расчеты производятся на элементарном шаге времени, в течение которого ни один из токов не меняет свой знак, и само изменение токов гораздо меньше их значений, т.е. перекоммутация происходит не за время шага расчетов, а между ними. Это позволяет считать тиристоры в открытом состоянии перемычками, а в закрытом - разрывом. Для моделирования процессов в системе 18-пульсный НПЧ-АД наиболее удобной является трехфазная модель двигателя в реальной системе координат «а, в, с». При этом вывод основных результатов моделирования в виде расчетных осциллограмм осуществляется без дополнительных преобразований. Кроме того, проще осуществляется программная стыковка трехфазного выхода преобразователя с моделью трехфазного электродвигателя. Следует также отметить, что модель двигателя в реальной системе координат позволяет наглядно представить физические процессы электромеханического преобразования энергии в АД. В результате моделирования предполагается провести комплексные исследования предложенной системы электропривода. При этом в энергосберегающих режимах работы вентиляторных электроприводов должны учитываться следующие их особенности: - при переходе на пониженные ступени частот вращения момент нагрузки на валу двигателя снижается в квадратичной зависимости; - напряжения и токи в обмотках двигателя несинусоидальны; - система НПЧ-АД с программным формированием напряжения разомкнута; - на низких ступенях частот вращения возможен режим прерывистых токов. При разработке модели учитывались общепринятые допущения: - воздушный зазор между статором и ротором равномерный; - влияние потерь в стали и эффект вытеснения токов и потоков во внимание не принимаются; - статор и ротор имеют однотипные распределенные обмотки; - параметры фазных обмоток статора и ротора, в общем случае могут отличаться по фазам, а система напряжений и токов в них также могут быть несинусоидальными и несимметричными; - насыщение по главному пути и по путям рассеяния не влияют друг на друга и могут учитываться раздельно; - индуктивности потоков рассеяния фаз статора и ротора постоянны; - МДС и магнитные индукции при насыщении стали сердечника распределяются в воздушном зазоре машины синусоидально, а магнитная проводимость по внутреннему диаметру статора постоянна и не зависит от положения ротора; - мощность трансформатора в системе НПЧ принята бесконечно большой, трансформатор не насыщен, ток намагничивания трансформатора не учитывается. Уравнения электрического равновесия для статорных и роторных обмоток, с учетом допущений, представляются в общепринятой форме записи: Сама методика разработки модели асинхронного двигателя основана на приведении математического описания АД к развернутой структурной схеме, в которой каждый блок отражает конкретную математическую операцию [I, 33-41]. На её основе в среде Delphi была разработана компьютерная модель двигателя, в которой за основу были взяты параметры двигателя А02-42-4, на базе которого создана экспериментальная установка. Адекватность модели реальному двигателю была установлена в результате сопоставления типовых процессов пуска двигателя и ударного приложения нагрузки. В процессе моделировании основных режимов работы для системы «НПЧ — нагрузка» в первую очередь необходимо было решить следующие задачи: - проверить правильность реализации алгоритмов управления на примере исследования работы преобразователя на R- нагрузку; - исследовать влияние индуктивности на характер коммутационных процессов при работе преобразователя на RL-нагрузку при различных значениях cos(p этой нагрузки; - на основе исследований стационарных режимов длительной работы электропривода при формировании различных ступеней пониженной частоты вращения определить условия оптимизации длительных режимов по критерию минимизации тока статора; - оценить возможности снижения кратности пускового тока при многоступенчатом частотном пуске электропривода системы НПЧ-АД и пуске на отдельные ступени. При разработке модели высоковольтного варианта была принята за основу ранее разработанная матрица коммутаций и описание алгоритмов на основе переключающих функций.
Графический интерфейс модели НПЧ и АД содержит свыше 50 окон для ввода необходимых данных и условий проведения экспериментов. Эти окна выполнены на страницах «Исходные данные нагрузки» и «Исходные данные НПЧ» (рис. 3.1 и 3.2). Согласно приведенным изображениям указанных страниц графического интерфейса, в модели системы предусмотрена возможность ввода и коррекции параметров двигателя и установка начальных условий по частоте вращения двигателя, начальных и конечных значений углов управления преобразователем на каждой ступени работы, ввод длительности интервалов работы на этих ступенях. Предусмотрена также возможность ввода и коррекции характера изменения нагрузки в виде зависимости:
Задание величины момента холостого хода Мхх и коэффициента к позволяет осуществить формирование любой вентиляторной характеристики в функции квадрата частоты вращения. В тоже время, при 1с=0., можно воспроизвести работу электропривода с постоянным моментом сопротивления.
На рис. 3.3 показан графический интерфейс, представляющий результаты расчета основных энергетических показателей и характеристик качества электромеханического преобразования энергии в системе НПЧ-АД. При проведении расчетов были использованы известные в математике и теории электротехники типовые расчетные формулы.
Формирование режимов работы НПЧ-АД на пониженных частотах
Проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) вентильных преобразователей с примыкающими сетями электроснабжения связана, главным образом, с двумя факторами - потреблением реактивной мощности на основной частоте и искажениями формы питающих преобразователь напряжений. Оба неблагоприятных для ЭМС фактора обусловлены процессами коммутации вентилей, но механизм их происхождения разный. Искажение формы напряжения (несинусоидальность) возникает вследствие того, что коммутационные процессы приводят к появлению высших гармоник в токе, а потребление преобразователями реактивной мощности на основной частоте — из-за того, что коммутация вентилей приводит к отставанию первой гармоники тока от коммутирующих ЭДС [3].
При оценке влияния частотно-регулируемых электроприводов на сеть электроснабжения следует учитывать, что особенностью последней является подключение к ней нагрузки в виде асинхронных двигателей, а также трансформаторов. Наличие на электростанциях мощных синхронных генераторов-источников реактивной энергии, «спокойный» характер нагрузки механизмов (насосов, вентиляторов) с вентиляторной моментной характеристикой способствуют стабильность напряжения даже при подключении мощных преобразователей частоты. Поэтому оценку ЭМС можно проводить по расчету такого показателя качества электроэнергии, как коэффициент искажения синусоидальности формы кривой напряжения. Для этого введены обобщенные расчетные параметры, согласно описанной методики, в зависимости, от которых может быть количественно оценено влияние преобразователей частоты на систему электроснабжения. эквивалентное ему значение индуктивного сопротивления входного реактора).
Обозначив положив, что 6% ек 12,5%, имеем 53 min // 79 . Если обратиться к рис. 3.17, то видно, что границы отношения мощности КЗ на шинах питающей сети к номинальной полной мощности преобразователя (асинхронного двигателя), приведенные для 18-пульсного выпрямителя по (3.16), практически совпадают с полученными по (3.17).
В действующих схемах электроснабжения значения определяются, по существу, параметрами трансформаторов. Чем больше мощность частотно-регулируемого электропривода, тем сложнее без применения специальных мер обеспечить ЭМС. В общем случае к таким мерам следует отнести увеличение мощности КЗ в точке подключения преобразовательной нагрузки, повышение пульсности (эквивалентной фазности) преобразовательной схемы, разделение потребителей в сетях электроснабжения, использование в преобразователях частоты выпрямителей, управляемых по методу широтно-имульсной модуляции (ШИМ).
Увеличение мощности КЗ в точке подключения преобразовательной нагрузки равносильно увеличению параметра Хп/Хсэ за счет снижения индуктивного сопротивления Хсэ, что практически может быть достигнуто путем увеличения мощности трансформатора. Практическое осуществление этого способа означает необходимость замены существующего трансформатора более мощным. При этом его мощность зависит от количества регулируемых электроприводов, подключенных к шинам, т.е. от величины преобразуемой мощности. Очевидно, что такое решение в целом является экономически и технически нецелесообразным.
Для уменьшения содержания высших гармоник в сетях электроснабжения и снижения коэффициента искажения синусоидальности напряжения целесообразно иметь 18-ти ггульсную схему выпрямления.
В тоже время, электроприводы с полностью управляемыми преобразователями частоты отличает повышенная стоимость. Применение того или иного способа обеспечения требуемого значения Кии в каждом конкретном случае требует комплексного подхода и проведение технико-экономического анализа.
Определим токи сети 18-пульсного НПЧ, Работа электропривода большой мощности сопровождается сложными электромагнитными процессами, характер которых зависит от многих параметров сложной системы, содержащей нелинейные элементы (вентили) и магнитные связи. Токи в вентилях и обмотках трансформаторов содержат широкий спектр высших гармоник, так как несинусоидальны и напряжения, приложенные к отдельным элементам системы.
Опыт показывает, что при использовании шестипульсных и двенадцатипульсных НПЧ получается более широкий спектр высших гармоник (пятая и седьмая гармоника достигает 18 %), которые приводят к значительной несинусоидальности токов в питающей сети, вызывают дополнительные потери энергии, понижают ее качественные и энергетические показатели и ухудшают электромагнитную совместимость с другими устройствами, включенными в сеть.
Рассмотрим влияние высоковольтного НПЧ-АД на питающую сеть для идеального случая, когда энергосистема сверхмощная: то есть величиной индуктивных сопротивлений энергосистемы можно пренебречь, отсутствует и взаимовлияние вентильных установок. Индуктивные сопротивления четырехобмоточного трансформатора рассматриваются распределенными между первичными и вторичными обмотками. Коммутация вентилей происходит мгновенно.
Соотношение намагничивающих сил первичных и вторичных обмоток, расположенных на одном сердечнике выпрямительного трансформатора, определяет степень равновесия между намагничивающими силами обмоток, расположенных на каждом сердечнике [42]. На основе компьютерной модели НПЧ получены мгновенные значения токов, которые протекают на вторичных обмотках трансформатора. Форма тока первичной обмотки многообмоточного трансформатора определяется по мгновенным значениям тока вторичных обмоток, с учетом фазового сдвига между группами, из условия питающая сеть «бесконечной» мощности.
Похожие диссертации на Разработка высоковольтного электропривода с вентиляторной нагрузкой по системе 18-пульсный НПЧ-АД
