Содержание к диссертации
Введение
1. Системы электропривода на базе синхронного двигателя для компрессорных установок 8
1.1. Обзор современных систем синхронного электропривода компрессорных установок 8
1.2. Построение систем управления с синхронным электроприводом 19
1.3. Синхронный электропривод компрессора кислородной станции 32
Выводы 43
2. Исследование синхронного двигателя математическими методами 44
2.1. Математическое описание синхронного двигателя в системе электропривода 44
2.2. Математическое моделирование преобразователя частоты с инвертором тока 56
2.3. Система управления электроприводом с синхронным двигателем 64
Выводы 76
3. Построение систем управления частотным синхронным электроприводом 84
3.1. Определение оптимального режима работы синхронного двигателя при частотном регулировании 84
3.2. Режим работы синхронного двигателя с минимизацией потерь энергии 92
3.3. Структура САР СД, питаемого от ИТ с ШИМ с реализацией различных законов регулирования 96
3.4. Управление синхронным двигателем на основе косвенной оценки угловой скорости и угла положения ротора 105
Выводы 111
4. Система автоматизированного электропривода компрессора с синхронным двигателем 112
4.1. Критерии выбора управляющего процессора 112
4.2. Групповое регулирование производительности компрессоров кислородной станции 119
4.3. Энергетика электропривода с синхронным двигателем и компрессорной станции 122
4.4. Учет расхода электроэнергии 134
Выводы 136
Заключение 141
Библиографический список
- Построение систем управления с синхронным электроприводом
- Математическое моделирование преобразователя частоты с инвертором тока
- Режим работы синхронного двигателя с минимизацией потерь энергии
- Групповое регулирование производительности компрессоров кислородной станции
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Синхронные двигатели (СД) получили широкое распространение в промышленности благодаря таким качествам как дешевизна, регулируемый cosj, высокий КПД, приемлемые массогабаритные показатели. В настоящее время ими оснащены практически все высокомощные неуправляемые механизмы, например, вентиляторы, насосы. В связи с увеличивающимися технологическими и экономическими требованиями все большая часть данного вида приводов переводится в разряд регулируемых.
Системы частотного синхронного электропривода (ЭП) находят все большее применение на мощных производственных механизмах, например, прокатных станах. В этом случае к ЭП предъявляются высокие требования в отношении динамических и экономических свойств. В ЭП турбомеханизмов, напротив, требования к динамике и глубине регулирования частоты вращения не столь критичны, поэтому здесь наилучшим решением является применение системы частотнорегулируемого синхронного ЭП без датчика скорости, обеспечивающей экономичное регулирование расхода и давления воздуха. Однако, в настоящее время на производстве в основном применяются неэкономичные системы дроссельного регулирования расхода воздуха. Поэтому разработка и исследование синхронного электропривода турбокомпрессорных установок с системой частотного управления является актуальной и своевременной.
Работа выполнена в рамках научного направления кафедры электропривода ЛГТУ «Разработка и исследование систем электропривода переменного тока», а также при поддержке гранта РФФИ 07-08-96431 «Анализ и синтез систем управления динамическими процессами в нелинейных электромеханических системах».
Целью работы является разработка и исследование синхронного электропривода турбокомпрессорных установок с системой частотного управления с использованием алгоритмов управления, разработанных на основе уточненной математической модели системы ПЧ-СД.
Идея работы заключается в создании системы регулируемого синхронного электропривода, обеспечивающей энергосбережение и улучшение условий работы СД за счет снижения частоты коммутации ключей инвертора и рационального использования электромагнитных свойств СД при векторном управлении.
Задачи работы:
исследование особенностей процесса регулирования скорости турбокомпрессоров для обеспечения энергосбережения и возможности построения системы частотного управления турбокомпрессором;
разработка математической модели синхронного ЭП, наиболее полно учитывающей особенности работы силовой части преобразователя частоты (ПЧ), содержащего инвертор тока (ИТ) с релейным регулятором, позволяющей исследовать свойства СД при питании от несинусоидального источника тока, построенного на базе регулируемых выпрямителя и инвертора;
разработка системы векторного управления с возможностью задания модулей вектора тока статора и вектора основного потокосцепления и угла между ними;
синтез системы управления преобразователя частоты, обеспечивающей минимум потерь энергии в электроприводе;
разработка алгоритма управления СД на основе косвенной оценки угловой скорости и угла положения ротора;
разработка методики расчета энергетических характеристик системы частотного ЭП группы турбокомпрессоров компрессорной станции.
Научная новизна:
- предложена новая система управления преобразователя частоты (ПЧ) с инвертором тока и с релейным регулятором, отличающаяся от известных возможностью работы с минимальной частотой коммутации ключей инвертора, обеспечивая тем самым снижение потерь в ПЧ;
- предложен принцип построения системы векторного управления с датчиком скорости, отличающийся от известных возможностью задания модулей вектора тока статора и вектора основного потока и угла между ними, с обеспечением любых режимов работы от высокодинамичных до статических с улучшенными энергетическими характеристиками;
- предложена новая система экономичного управления без датчика угла положения ротора, отличающаяся от известных наличием наблюдателя угла положения ротора и скорости, обеспечивающая повышение энергетических показателей такого привода за счет поддержания минимального тока статора.
Практическая ценность состоит в том, что:
- разработанный частотный синхронный ЭП позволит сократить потребление активной мощности из сети на 20-25%, по сравнению с дроссельным управлением, что улучшит энергоснабжение кислородной станции №2 ОАО НЛМК;
- в разработанной системе электропривода рационально перераспределены тепловые потери между трёхфазной обмоткой статора и обмоткой ротора, что позволит повысить срок службы СД.
Методы и объекты исследования. Исследования проводились с использованием теории электротехники и электропривода, математического моделирования переходных процессов на ЭВМ в сочетании с численными методами решения.
Достоверность результатов и выводов подтверждается хорошей сходимостью результатов теоретических исследований с результатами математического моделирования с погрешностью 5%, а также математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью полученных результатов с положениями общей теории электропривода и электротехники.
Реализация работы. Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, используются в учебном процессе на кафедре Электроэнергетических систем Липецкого филиала Международного института компьютерных технологий.
Апробация работы. Основные положения диссертационой работы докладывались и обсуждались: на научно-практической конференции “50-и летие образования Липецкой области” г. Липецк, 2003 г.; на научно-технической конференции “Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве” г. Воронеж, 2003 г.; на IV Международной научно-практической конференции “Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий” г. Москва, 2003 г.; на V Всероссийской научно-практической конференции “Ресурсосбережение и экологическая безопасность” г.Смоленск, 2006г.; конференции молодых ученых, посвященной 50-летию ЛГТУ “Технические науки - региону” г. Липецк, 2007 г.; на ежегодных научных конференциях и семинарах ЛГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе одна работа опубликована в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий обьем диссертации 166 с., в том числе 96 с. основного текста, 80 рисунков, список литературы из 115 наименований, 4 приложения.
Построение систем управления с синхронным электроприводом
Все указанные недостатки обусловлены наличием коллектора и процессом коммутации, поэтому наряду с совершенствованием электроприводов постоянного тока одной из важнейших задач современного электропривода является переход к регулируемым по скорости электроприводам переменного тока на базе бесколлекторных асинхронных и синхронных электродвигателей, а также машин двойного питания (асинхронизированных синхронных машин) [23,25,26,27,28,29, 30, 31, 32, 33,34, 35].
Каждый из видов двигателей переменного тока имеет свою целесообразную область практического применения в регулируемых электроприводах. Для синхронного двигателя такой областью являются, прежде всего, электроприводы средней и большой мощности (с номинальным моментом Миом 3 кН-м) с большим диапазоном регулирования скорости. Как показывает длительный опыт использования машин переменного тока с нерегулируемой скоростью, в этой области СД имеет неоспоримые преимущества по сравнению с асинхронным двигателем: более высокие энергетические показатели (КПД, coscp), увеличенный воздушный зазор.
В регулируемых электроприводах проявляются также дополнительные преимущества СД: повышенная управляемость; возможность выполнить как тихоходные, так и быстроходные приводы на основе преобразователя частоты с естественной коммутацией. Синхронный двигатель оказывается предпочтительным и при малом диапазоне регулирования скорости в тех случаях, когда затруднительно создание машин двойного питания (МДП) (приводы большой мощности и частоты вращения). Специальные виды СД: с постоянными магнитами [26, 28, 32], с когтеобразным ротором [28], позволяют использовать преимущества СД и в электроприводах малой мощности, и в мощных быстроходных и сверхбыстроходных электроприводах. По совокупности отмеченных факторов наблюдается тенденция относительного расширения области применения СД в регулируемых электроприводах переменного тока.
Применение синхронных регулируемых электроприводов началось с тех видов рабочих машин, где до этого использовался нерегулируемый электропривод на основе СД, питаемых от сети. В этих рабочих машинах переход к регулируемому электроприводу давал значительный технологический и конструктивный эффект.
Быстроходные электроприводы турбокомпрессоров позволяют наиболее экономично регулировать производительность при изменениях технологических режимов, исключают недостаточно надежные повышающие редукторы.
Эти требования являются определяющими при разработке электроприводов компрессоров. Ранее в главе 1.2. была рассмотрена групповая работа компрессоров, где ЭП работающие с постоянной производительностью при питании СД от сети имеют возможность только регулировать выработку количества реактивной мощности по каналу возбуждения, и работа компрессора с частотным регулированием скорости СД.
Рассмотрим регулирование по каналу возбуждения. Синхронный двигатель может быть использован также и как генератор реактивной мощности в системе электроснабжения. Наличие всевозможных возмущающих воздействий приводит к отклонению параметров СД и питающей сети от их номинальных значений. Это снижает технико-экономические показатели синхронных электро 22 приводов и вызывает колебания напряжения и частоты питающей сети. Поэтому системы автоматического управления синхронными электроприводами должны обеспечить, с одной стороны, устойчивую работу электропривода, с другой — стабилизацию параметров питающей сети системы электроснабжения.
Все это определило использование в синхронных электроприводах быстродействующих возбудителей с автоматическим регулированием возбуждения АРВ в зависимости от требований электропривода и системы электроснабжения.
Устройства АРВ обеспечивают различные законы регулирования параметров синхронного электропривода и питающей сети в установившихся и переходных режимах работы. АРВ СД в установившихся режимах обусловлено требованиями системы электроснабжения, а именно ликвидацией колебаний напряжения сети и потребностью реактивной мощности. Основными требованиями регулирования в этом случае является качество регулирования, т. е. точность стабилизации регулируемого параметра и надежность работы. АРВ в динамических режимах определяет мгновенные значения регулируемых параметров в переходных процессах. Сюда относятся повышение динамической устойчивости электропривода и демпфирование качаний ротора при набросах и сбросах нагрузки в электроприводах, работающих с резкопеременной нагрузкой. Основным требованием к АРВ в этом случае является высокое быстродействие.
Математическое моделирование преобразователя частоты с инвертором тока
Существенными недостатками на сегодняшний день является морально устаревшая силовая часть, которая может работать не продолжительное время и только в режиме пуска. Система управления разработана для максимального оптимального использования силовой части по электродинамическим и энергетическим характеристикам. В настоящее время мировой промышленностью производятся современные запираемые тиристоры максимального напряжения до 12кВ, действующий ток до 1500 А, частота коммутации до 400 Гц. Если в частотном преобразователи применять такие тиристоры то можно производить не только пуск, но и плавное регулирование давления (скорости компрессора). Это позволяет обеспечить оптимальные электродинамические и энергетические характеристики. Для этого необходимо разработка законов управления для обеспечения минимальных потерь, как в преобразователе, так во всей энергетической системе.
Крупные СД металлургических предприятий являются мощными приемниками электроэнергии в системе электроснабжения. Режим работы СД, сказывается на показателях качества электроэнергии в узле нагрузке (уровень напряжения, коэффициент мощности). Регулятор возбуждения определяет показатели работы самого СД - устойчивость, активные потери в меди, время переходного процесса. СД в компрессорной установки К-3000 работает с медленно меняющейся нагрузкой (вентилятор). Механическая характеристика представлена на рисунке 1.19.
Анализ проведенных исследований показывает широкие возможности использования систем «пусковое частотное устройство - двигатель» для пуска сверхмощных синхронных машин, используемых в качестве привода турбокомпрессора, воздуходувок и др. энергетических механизмов.
Как известно, прямой пуск машин такой мощности (20 МВт, 30 МВт и в перспективе 60 МВт) сопровождается потреблением большого пускового тока (5-7 1н); потреблением реактивной мощности; глубокой посадкой напряжения,
Механическая характеристика компрессора К-3000 которая мажет влиять на устойчивость работающих механизмов. Прямой пуск двигателя вызывает понижение напряжения в сети района пуска более чем на 20%.
В то время как пуск в функции частоты происходит при номинальных значениях тока, что исключает возникновение деформаций в лобовых частях обмоток статора; полностью исключается нагрев бочки ротора.
Условия работы основного оборудования подстанций, сетей, также предпочтителен при частотном пуске.
Вредные явления, возникающие в синхронных двигателях, при пусковых режимах практически полностью исключаются, это в свою очередь, повлияет на долговечность и работоспособность электрических машин. Пусковое устройство может использоваться для остальных трех машин в случае необходимости число повторных пусков не ограничивается. Схема электроснабжения представлена на рис. 1.10. При прямом пуске второй пуск не ранее чем через 15 минут, а третий через несколько часов.
Естественно, что вопрос количественной оценки внедрения системы частотного пуска еще недостаточно изучен и требует накопления эксплуатационного опыта. Необходимо отметить, что использование в настоящем устройстве стандартных серийных выпрямительно-инверторных преобразователей» силовых трансформаторов и другой аппаратуры значительно повышает технико-экономические данные этих устройств. Одновременно упрощаются вопросы эксплуатации и ремонта.
Дальнейший технический прогресс, снижение стоимости полупроводников, увеличение пропускной способности по току; увеличение рабочего напряжения вентилей - все это приведет к возможности создания более мощных установок и перспективному их использованию.
Наиболее очевидный эффект даст создание установок с регулированием ; скорости, как известно электрическое регулирование скорости является одним из наиболее экономичных способов регулирования производительности турбокомпрессоров. Создание таких установок требует увеличения мощности преобразователей частоты, увеличение мощности требуется и для решения вопроса о повышении устойчивости двигателей и обеспечению бесперебойности непрерывных технологических процессов.
В настоящее время мировой промышленностью создана элементная база (тиристоры GTO), на которой можно создать мощный преобразователь частоты, а при помощи современной микропроцессорной базы можно реализовать системы управления, оптимально используя возможности силовой части, и тем самым улучшить динамические и энергетические характеристики. Применение частотных преобразователей позволит коренным образом изменить существующее положение и обеспечить практически бесперебойную работу энергетических установок в металлургическом производстве.
Режим работы синхронного двигателя с минимизацией потерь энергии
Для анализа системы электропривода ПЧ-СД необходимо математическое моделирование преобразователя частоты. С положительной стороны себя зарекомендовали ПЧ большой мощности с инвертором тока. Структурная схема математической модели системы ПЧ - СД, представленная на рис. 2.8, содержит инвертор тока, сглаживающий реактор в цепи выпрямленного тока и выпрямитель.
Инвертор тока имеет шесть полностью управляемых ключей. Для мощных СД наиболее выгодно подходит высоковольтный GTO тиристор. Для того чтобы инвертор работал источником тока, необходимо построить систему управления силовыми ключами, сравнивающую заданные значения и текущие значения токов.
На вход регуляторов поступают сигналы задания на ток по каждой из фаз и сигналы обратных связей по току электрической машины. Управляющие сигналы на полупроводниковый преобразователь поступают на основе текущей ошибки регулирования, пороговые элементы (компаратор) работают следующим образом: пока заданное напряжение управления меньше напряжения датчиков обратных связей, на выходе компаратора 0, при превышении заданного напряжения управления над напряжением обратных связей значение на выходе компаратора меняется на 1 [40]. Выходы компараторов являются управляющими сигналами для тиристоров, находящихся в плечах фаз А, В, С. Значение компаратора 0 соответствует замкнутому нижнему ключу, а значение 1 - верхнему (рис. 2.9.). В итоге на вход инвертора поступает коммутационная функция, заданная вектором переключений с1 = (а,Ь,сУ, где а,Ь,с - выходы компараторов. В конкретный момент времени в каждом плече инвертора должен быть включен один тиристор, тогда с помощью коммутационной функции может быть определен вектор линейных напряжений [41]:
Произведем математическое моделирование по следующим условиям. Если Іазад -la А, то открывается верхний (закрывается нижний) ключ пары, иначе открывается нижний (закрывается верхний) ключ пары, где А выбирается в зависимости от возможной частоты коммутации силового GTO тиристора, а также от гармонического состава тока. Для нашей системы берем А = (0,1 + 0,12) W
Так как используем инвертор тока с реактором в цепи выпрямленного тока, то для непрерывности тока необходимо постоянное открытие одного верхнего и одного нижнего ключа, также наличие коммутирующих конденсаторов на выходе инвертора перед двигателем.
На рис 2.10 представлен контур регулирования. В результате имеем вектор тока, ограниченный окружностью радиусом А. Векторная диаграмма показана на рис. 2.11. Напряжение, приложенное к инвертору, рассчитывается по формуле: U„=Ud-(RF+pLF)Id, (2.16) где Rp, LF - активное сопротивление и индуктивность сглаживающего реактора. Расчет мгновенного значения тока в звене постоянного тока производим по следующим условиям: если ia ib и ia ic, то Id =У; если ib ia и ib іс, то Id =ib; (2.17) если ic ia и icj [ib, то Id =ic, где ia, ib, ic - фазные токи; id - ток в звене постоянного тока. Математическая модель расчета тока в звене постоянного тока показана на рис. 2.12. Если пренебречь гармониками, создаваемыми инвертором, и считать инвертор безынерционным, то полученный ток равен среднему значению рассчитанному по формуле:
Выпрямитель представляется как классический тиристорный выпрямитель, представленный на рис 2.13. Для расчета напряжения необходимо определить точку естественной коммутации и отсчитать угол а (время) на заданную величину. Угол а изменяется в диапазоне от 0 до я, где отсчет угла ведется от точки естественной коммутации: 1) для определения точки естественной коммутации необходимо произвести сравнение двух напряжений, например, если ua ис, то разрешается выполнить отсчет угла а; 2) тиристор VI откроется, когда будет произведен отчет угла а или выполнится следующее условие: если i2?rfceTHdt азад (или II 00л dt сс3ад )»т0 ТИРИСТ0Р VI - открыт. Аналогично производится открытие других тиристоров. Закрытие тиристора происходит, когда придет разрешение на открытие следующего тиристора. Математическая модель работы регулируемого выпрямителя представлена на рис. 2.14, где задается входное трехфазное напряжение и угол а.
Полученное напряжение равно среднему значению, рассчитанному по формуле: т 3V6тт Ud= Uscosa, (2.19) тт где Us —напряжения фазы питающей сети; а - угол управления выпрямителя. Математическая модель ПЧ со звеном постоянного тока представлена на рис. 2.15. При синтезе системы «преобразователь частоты синхронный двигатель» необходимо исследование электромагнитных процессов, происходящих в системе электропривода, которые требуется учитывать при проектировании силовой части и создании систем регулирования. Представляет интерес использование модели системы подчиненного регулирования в совокупности с моделью системы частотного управления, в которой синхронный двигатель описан в соответствии с уравнениями (2.1) - (2.5). В такой модели имеется возможность проанализировать процессы изменения амплитуды и фазы векторов, составляющих векторную диаграмму.
Групповое регулирование производительности компрессоров кислородной станции
Таким образом, для каждого значения угла а можно рассчитать оптимальный ток возбуждения, по соотношениям (2.2) определить то iSd, isq, перейти к токам isp, isx, используя преобразование (3.6), далее найти момент СД по (3.3). После это можно получить характеристики СД как функции момента. Такие характеристики показаны на рис. 3.6. для неявнополюсного СД в сопоставлении с характеристиками при cosq) = 1. Важнейшее отличие, к которому привело требование минимизации потерь, выражается в появлении положительного тока I (см. рис. 3.7). Эта составляющая тока якоря, направленная по вектору основного потока, не создает момента, но способствует созданию основного магнитного поля СД. В режиме холостого хода ток якоря ненулевой, он направлен по продольной оси. Появление тока isp приводит к увеличению угла ф, отставания тока от напряжения СД и к несколько ухудшенному использованию ПЧ по сравнению с режимами cos(p = 1. Ток возбуждения в режимах с минимизацией потерь существенно уменьшен, а ток якоря незначительно увеличен. [79]
Переход к режимам с минимизацией потерь дает определенное снижение потерь энергии. В рассмотренном примере потери снижаются примерно на 2 %, однако, еще более важно перераспределение потерь, а именно резкое уменьшение потерь в обмотке возбуждения - наиболее напряженной по нагреву части СД. В данном примере потери в обмотке возбуждения уменьшаются при переходе к режиму с минимизацией потерь примерно в 1,3 раза.
Таким образом, переход к режимам с минимизацией потерь от режимов Х5=0 повышает экономичность, улучшает использование СД и электропривода в целом, позволяет снизить габаритную мощность возбудителя. Момент СД в таких режимах по-прежнему теоретически не ограничен. Изменение момента с
Зависимость тока статора от момента двигателя is = f(M) СД: 1 - режим с минимизацией потерь при постоянстве основного потока; 2 - режим при coscp = 1 при постоянстве основного потока высоким темпом может быть осуществлено с приемлемыми кратностями напряжения ПЧ и возбудителя. САР СД, питаемого от ИТ с релейным регулятором, представляет собой стандартную схему электропривода, рассмотренную во второй главе, дополненную блоком задания режима работы САР СД, осуществляющим задание токов Id, Iq и If, обеспечивающую требуемые динамические и энергетические режимы работы СД, рассмотренные ранее. В результате имеем функциональную схему электропривода, представленную на рис. 3.8.
В системе образованы два замкнутых контура регулирования: внутренний многомерный контур регулирования токов и внешний одномерный контур регулирования скорости. Вектор задания токов і формируется нелинейным формирователем заданий «F». На вход формирователя воздействует вектор, состоящий из двух компонент. Одной компонентой является задание момента Mg, являющееся выходным сигналом регулятора скорости «PC», описанным во второй главе. Таким образом, задания токов формируются в зависимости от выходного сигнала регулятора скорости, то есть контур регулирования токов подчинен контуру регулирования скорости. В этом проявляется идея подчиненного регулирования. Другой компонентой является задание вектора потока, характеризующего энергетический режим СД. [80]
Развернутая структурная схема формирователя задания показана на рис. 3.9, по которой была создана математическая модель, представленная на рис. 3.10, построенная на основе свойств СД и выбранных рациональных режимов. При рассмотренных ранее режимах получаем соотношения для заданий токов и потоков в осях (р, т).
Математическая модель блока «поворот» Обеспечение работы режима с минимизацией потерь, описывается аналитически без учета насыщения, но исследуемый СД является насыщенным. При учете насыщения режим с минимизацией потерь не поддается описанию аналитическими зависимостями, поэтому представляются два пути реализации для различных режимов с минимизацией потерь энергии: автоматический поиск оптимального режима; упрощенная приближенная аппроксимация характеристик оптимальных режимов. При современном состоянии микропроцессорных систем более правильным представляется второй путь.
Для режимов с минимизацией потерь энергии при неизменном основном потоке можно; в первом приближении принять неизменной составляющую тока якоря по направлению основного потока: ispg = yp g. (3.17) Это единственное отличие от случая isp=0, звено имеет чрезвычайно простой вид. В результате получили САР, обеспечивающую возможность реализации рациональных различных режимов работы системы СД и ПЧ. Также реализация на практике такой САР возможна благодаря производству в настоящее время мировой промышленностью современных запираемых тиристоров максимального напряжения до 12кВ, действующего тока до 1500 А, частотой коммутации до 400 Гц и высоко скоростных сигнальных процессоров выполняющие операции с плавающей запятой.
