Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1 ОБЗОР И АНАЛИЗ РАБОТ ПО МОДЕЛИРОВАНИЮ
СИСТЕМ С ЭМ И ПП И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ 16
1.1 Обзор и анализ работ по моделированию систем с
ЭМиПП 16
1.2 Формулировка проблемы, выбор цели и постановка
ЗАДАЧ 26
ГЛАВА 2 МЕТОДОЛОГИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ С
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ МАШИНАМИ И
ПОЛУПРОВОДНОКОВЫМИ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ 30
2.1 Общая характеристика методологии 30
2.2 Моделирование систем по связанным подсистемам,
алгоритм расчета, разделение систем на части 34
2.3 Преобразования схем и уравнений для обеспечения
устойчивости итерационных вычислений 45
2.4 Метод моделирования ПП при переменной структуре.
Алгоритм расчета 47
2.5 Учет потерь энергии в ПП 49
2.6 Применение явного метода Эйлера для решения
дифференциальных уравнений 50
2.7 Метод расчета баланса мощностей и энергий 51
2.8 Применение метода симметричных составляющих
для многофазных систем 52
ГЛАВА 3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ 55
3.1 Модель синхронной многофазной машины 55
3.2 Приведение обмотки возбуждения синхронной
3.3 Модель машины с постоянными магнитами 60
машины к статору 59
3.4 Учет насыщения стали 61
3.5 Пуск двигателя СД-800-6 и расчет баланса энергий 62
3.6 Режимы работы генератора ГС-2500-6,3 66
3.7 Режимы работы шестифазной машины ПР-50 67
3.8 Модель асинхронной многофазной машины 69
3.9 Модель асинхронной машины с фазным ротором 73
3.10 Расчет и сравнение с экспериментом характеристик
шестифазного асинхронного двигателя АДВ-90 76
ГЛАВА 4 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 78
4.1 Модель трехфазного тиристорного моста 78
4.2 Тиристорный регулятор трехфазного напряжения 89
4.3 Тиристорный преобразователь частоты со звеном
постоянного тока 93
4.4 12-ПУЛЬСНЫЙ выпрямитель с параллельным
соединением трехфазных мостов 99
4.5 Расчет искажений напряжения трехфазной сети при
питании полупроводниковых преобразователей 106
4.6 Трехфазный транзисторный инвертор ПО
4.7 Многотактный инвертор с фильтрами 114
4.8 Двухуровневый транзисторный преобразователь
частоты со звеном постоянного тока 119
4.9 Трехуровневый инвертор напряжения 124
4.10 Преобразователи частоты с числом уровней больше 3 130
4.11 Каскадные преобразователи частоты 144
4.12 Синтез преобразователя частоты с трехфазным и
однофазными ИНВЕРТОРАМИ 158
4.13 Расчет потерь энергии в преобразователях на
транзисторах IGBT 165
4
ГЛАВА 5 СИСТЕМЫ С СИНХРОННЫМИ МАШИНАМИ 172
5.1 Частотный пуск турбогенераторов 172
5.2 Приводы рудоразмольных мельниц 185
5.3 Приводы вентиляторов шахт 191
5.4 Преобразователи собственных нужд электропоездов 200
5.5 Наладка систем управления с использованием
математических моделей 207
ГЛАВА 6 СИСТЕМЫ С АСИНХРОННЫМИ МАШИНАМИ 211
6.1 Пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей
через тиристорные регуляторы напряжения 211
6.2 Привод насоса с преобразователем ТПЧ-250-380 214
6.3 Транзисторные приводы бурового станка 218
6.4 Транзисторные приводы шахтных вагонов и
самосвалов 222
6.5 Синтез системы с шестифазным асинхронным
генератором и активным выпрямителем 230
ГЛАВА 7 РЕАЛИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСА МАТЕМАТИЧЕСКИХ
МОДЕЛЕЙ В C++ BUILDER И В MATLAB 245
7.1 Комплекс моделей в среде C++ Builder 245
7.2 Комплекс моделей, разработанный в MATLAB по
новой методологии моделирования 248
7.3 Комплекс моделей в MATLAB тиристорных
преобразователях с RC-цепями 253
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 262
ЛИТЕРАТУРА 264
АКТ ВНЕДРЕНИЯ 291
Введение к работе
Актуальность работы. Системы с электрическими машинами (ЭМ) и полупроводниковыми преобразователями (ПП) наиболее интенсивно развиваются в последние два десятилетия. В основном это обусловлено развитием полупроводниковой преобразовательной техники. Мировой рынок продаж мощных полупроводниковых приборов вырос с 4,94 миллиардов долларов США в 1996 году до 11 миллиардов в 2001 году [235]. Увеличивается мощность полупроводниковых преобразователей, расширяются их функции, сфера применения, устраняются недостатки. Развитие преобразовательной техники приводит к улучшению характеристик систем с ЭМ и ПП. Улучшаются их массогабаритные показатели, повышается надежность, экономичность, быстродействие и т. д.
Значительное влияние на развитие преобразовательной техники, и систем с ЭМ и ПП оказывает появление новых полупроводниковых приборов. В области напряжений 600-1700 В лучшими ключевыми элементами последнего десятилетия считаются транзисторные модули IGBT [49], [259], [261]. В последние годы IGBT успешно конкурируют с тиристорами и в области более высоких напряжений. Полностью управляемые тиристоры IGCT также находят применение [250], [251]. Преобразователи на однооперационных тиристорах имеют худшие технические характеристики, но их стоимость ниже. Поэтому они также широко применяются [16], [46]-[48], [104], [121], [170], [181], [243].
Другими компонентами преобразователей являются конденсаторы [252], [266], охладители [254], драйверы [259], трансформаторы, дроссели. Характеристики этих элементов постоянно улучшаются за счет использования новых материалов, технологий, новых технических решений. Значительные результаты достигнуты в развитии микропроцессорных систем управления [253], [256], [264]. Совершенствуются алгоритмы
управления, программы для микропроцессорных устройств, средства защиты, диагностики [54], [132], [173], [201], [227].
Обширная номенклатура модулей IGBT, тиристоров IGCT, одноопе-рационных тиристоров и других комплектующих, глубокие исследования в области систем управления, защиты, конструирования позволяют многим фирмам осуществлять выпуск широкого спектра силовых ПП и систем с ПП. В настоящее время на Российском рынке преимущественно присутствуют преобразователи зарубежных фирм (SIEMENS [252], SCHNEIDER ELECTRIC [263], ROCKWELL AUTOMATIZATION [247], [250], MITSUBISHI ELECTRIC, ABB [251], ALSTOM [195], [215]). Поставки ПП и систем с ЭМ и ПП осуществляют также отечественные предприятия - ОАО "Силовые машины" и др.
В ПП реализуются традиционные и новые технические решения. Из новых решений можно отметить активные статические устройства [53], [54], [71], [96], [172], [198], [200], [212], [220], [258], которые обеспечивают работу с практически синусоидальными потребляемыми токами, с заданным коэффициентом мощности сети. При их использовании не требуются дополнительные фильтрокомпенсирующие устройства.
Из новых решений можно также выделить многоуровневые ПП [171], [174], [177], [189], [195], [204], [221], [239], [241]. Они позволяют улучшить качество напряжений и токов на входе и выходе, уменьшить потери энергии, повысить напряжение и единичную мощность устройств. К многоуровневым ПП относятся также системы с "плавающими" конденсаторами [167], [172], [176], [195], [213], [234].
Новыми устройствами являются матричные ПП с ШИМ [54], [231], [233], [245], [249]. В них конденсаторные фильтры выносятся на сторону питания и нагрузки и обеспечивают не только коммутацию полупроводниковых приборов, но и фильтрацию напряжений на входе и выходе. В отличие от преобразователей частоты со звеном постоянного напряжения
(или тока), в которых осуществляется двойное преобразование энергии, в матричных ПП осуществляется однократное ее преобразование.
Следует отметить преобразователи частоты с каскадным соединением однофазных инверторов в фазах нагрузки (MITSUBISHI [261], ESTEL [258]). Преобразователи обеспечивают высокое качество электроэнергии на входе и выходе [227]. Модификацией этого решения является совместное применение однофазных и трехфазных инверторов [225].
Более широкое применение могут найти системы с многотактными ПП [60], в которых преобразовательные мосты включаются параллельно и работают со сдвигом по фазе опорных напряжений. В этих системах улучшается форма токов и напряжений на входе и выходе и уменьшается емкость конденсаторных батарей.
Ведутся работы по построению многоуровневых гибридных схем преобразования частоты [241]. Рассматриваются возможности построения преобразователей с активным выпрямителем тока и инвертором напряжения на полностью управляемых полупроводниковых элементах [202].
На транзисторах IGBT и тиристорах IGCT выполняются статические компенсаторы и активные фильтры [185], [186], [204], [210], [216], [224], ПП железнодорожных подстанций [189], [244], тяговые приводы [21], [121], [122], преобразователи собственных нужд электропоездов [16], [104], [121], приводы насосов и вентиляторов [121], гребные электрические установки, ветроустановки [222], [229], трансмиссии самосвалов [136], электропередачи постоянного напряжения [59], приводы рольгангов [24] и др. В России применение силовых транзисторных преобразователей и электроприводов сдерживается высокой их стоимостью. Тем не менее, в этом направлении работают многие организации [33], [37], [54], [71], [96], [99], [114], [122], [127], [142], [228], [231].
Наряду с разработкой систем с ЭМ и ПП новых типов, многие фирмы продолжают разработки систем с использованием однооперационных ти-
ристоров [16], [17], [45]-[48], [70], [121], особенно для установок большой мощности [170].
В системах с ЭМ и ПП преимущественно используются трехфазные синхронные и асинхронные электрические машины. Вместе с тем, расширяется применение многофазных ЭМ с несколькими трехфазными обмотками, взаимно сдвинутыми по фазе, ЭМ двойного питания [2], [16], [19], [75], [94], [104], [112]-[121], [138], [144], [149], [151]-[155]. Чаще применяются мощные машины с постоянными магнитами, вентильно-индукторные машины [73], [138], [140], [142].
Задачи, возникающие при проектировании систем с ЭМ и ПП, разнообразны. Это разработка схем, алгоритмов управления, определение параметров элементов, расчет нагрузок, анализ переходных, установившихся и аварийных режимов работы, расчет качества электроэнергии, вибраций, тепловыделений, действия защит, разработка конструкций и др. В связи с этим при разработке систем с ЭМ и ПП обычно осуществляется большой объем исследований. По электрическим машинам исследования базируются на работах Адкинса Б., Важнова А. И., Вольдека А. И., Горева А. А., Данилевича Я. Б., Домбровского В. В., Иванова-Смоленского А. В., Казовского Е. Я., Костенко М. П., Лютера Р. А., Парка Р., Сыромятникова И. А., Хуторецкого Г. М. и др. По полупроводниковым преобразователям исследования базируются на работах Бернштейна И. Я., Глебова И. А., Глинтерника С. Р., Гусяцкого Ю. Я., Емельянова А. В., Жемерова Г.Г. и др. По системам с ЭМ и ПП и их моделированию исследования базируются на работах Башарина А. В., Беспалова В. Я., Булгакова А. А., Бутырина П. А., Германа-Галкина С. Г., Глазенко Т. А., Грузова В. Л., Дартау В. А., Демирчяна К. С, Ефимова А. А., Зиновьева Г. С, Ковчина С. А., Козяру-ка А. Е., Копылова И. П., Коровкина Н. В., Коськина Ю. П., Короткова Б. А., Неймана Л. Р., Новикова В. А., Плахтыны Е. Г., Пухова Г. Е., Рудакова В. В., Сабинина Ю. А., Сандлера А. С, Сарбатова Р. С, Сидельникова
Б. В., Соколовского Г. Г., Столярова И. М., Слежановского О. В., Шака-ряна Ю. Г., Шрейнера Р. Т. и др.
В области разработки и производства систем с ЭМ и ПП работают многие заводы, фирмы, университеты. Более успешны те структуры, которые создают и анализируют новые технические решения, повышают эффективность производства, осваивают перспективные технологии, обеспечивают высокое качество изделий. Однако, в связи с быстрым развитием преобразовательной техники, создание современных конкурент-носпособных систем с ЭМ и ПП для многих предприятий является проблемой. Отсутствуют достаточно эффективные средства разработки. Несмотря на большой объем выполненых работ по моделированию, имеющиеся средства анализа и синтеза систем (MatLab [25], [35], [50], Des-ignLab [130], [131] и др.) недостаточны. При их использовании трудоемкость решения сложных задач велика, ограничены возможности, модели работают при значительных затратах машинного времени, проявляются ограничения по устойчивости и точности вычислений [42]. Отсутствуют модели и необходимые исследования многих систем с ЭМ и ПП новых типов. Не решены задачи разработки комплекса моделей для анализа и синтеза систем с многоуровневыми, многотактными, каскадными, много-тактно-многоуровневыми ПП, с многофазными ЭМ с учетом вытеснения токов в массивных элементах конструкции. Не решены задачи построения систем с ЭМ и ПП с одновременным учетом электромеханических, электромагнитных, тепловых процессов и процессов управления. Не решены задачи построения моделей сложных систем для работы в реальном времени. Достоверность расчетов при использовании известных комплексов моделей систем недостаточна, в них отсутствуют проверки результатов методами баланса мощностей и энергий.
Целью работы является создание систем с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями, в том числе новых типов,
на основе разработки комплекса быстродействующих уточненных моделей и выполнения исследований.
Идея работы заключается в разработке методологии моделирования систем с ЭМ и ПП, позволяющей создавать быстродействующие уточненные модели, в создании комплекса таких моделей, в осуществлении анализа и синтеза систем средствами моделирования и в использовании моделей при наладке систем.
Для достижения цели потребовалось решить следующие задачи:
Разработать методологию моделирования систем с ЭМ и ПП, основанную на разделении их на подсистемы, на использовании новых способов разделения систем на части, метода обеспечения устойчивости вычислений, алгоритмов учета потерь энергии в ПП, процедур расчета баланса мощностей и энергий. Для многофазных систем потребовалось модифицировать метод симметричных составляющих.
Разработать комплексы моделей систем с ЭМ и ПП в среде программирования C++Builder и в среде Simulink, отличающиеся рассмотрением систем нового типа, подробным описанием систем, быстродействием, повышенной точностью и устойчивостью вычислений, наличием процедур расчета баланса мощностей и энергий.
Разработать систему наладки блоков управления систем с ЭМ и ПП, использующую модели, работающие в реальном времени.
Выполнить исследования, анализ и синтез систем с ЭМ и ПП на моделях и подтвердить адекватность исследований экспериментально.
Защищаемые научные положения
1. Разделение систем с ЭМ и ПП на подсистемы по потокам взаимной индукции обмоток электрических машин и трансформаторов, применение новых способов преобразования систем при разделении их на части, нового метода обеспечения устойчивости вычислений, оригинального
способа учета потерь энергии в ПП, методов расчета баланса мощностей и энергий, модифицированного метода симметричных составляющих позволяет создать методологию моделирования, обеспечивающую повышение устойчивости, точности, быстродействия и надежности моделей, минимизацию исходных данных и использование общих алгоритмов расчета.
Разработанная методология позволяет создать комплекс моделей систем с ЭМ и ПП, отличающийся моделями систем нового типа (с многофазными ЭМ, с активными, многотактными, многоуровневыми, каскадными ПП), уточненным описанием систем (учтены потери энергии в ПП, вытеснение токов в ЭМ, различия индуктивностей ЭМ для многофазных и трехфазных составляющих токов), взаимосвязанным описанием различных процессов (электромагнитных, электромеханических, тепловых, регулирования), устойчивостью и точностью вычислений, быстродействием и надежностью моделей, обеспечивающий повышение эффективности анализа и синтеза систем.
Замена силовых частей систем с ЭМ и ПП моделями, выполненными по принятой методологии и работающими в реальном времени, позволяет создать систему наладки блоков и алгоритмов управления, обеспечивающую сокращение трудоемкости и сроков выполнения пуско-наладочных работ.
Установлено свойство систем с 6-фазными ЭМ и ПП напряжения - при увеличении различия индуктивностей ЭМ для 6-фазных и 3-фазных симметричных составляющих токов (при сокращении шага обмоток) пульсации токов фаз увеличиваются. Установлено свойство систем с трехуровневыми ПП напряжения - существуют электрические контуры, в которых замыкаются токи тройной частоты, которые создают дополнительные нагрузки элементов. В многотактных ПП напряжения установлена зависимость токовой нагрузки конденсаторов от количества парал-
лельно включенных преобразовательных мостов. Указанные свойства и зависимости, а также реализация в моделях различных алгоритмов управления и возможностей расчета потерь энергии позволяют выполнить синтез мощной системы с 6-фазным асинхронным генератором и активным выпрямителем.
5. В системах пуска турбогенераторов тиристорными пусковыми устройствами установлена связь колебаний частоты вращения ротора и напряжения обмотки возбуждения, что позволяет использовать алгоритм стабилизации процесса, основанный на выделении низкочастотной переменной составляющей напряжения возбуждения.
Методы исследований. Использованы методы расчета электрических цепей, теории электрических машин, полупроводниковых преобразователей, электропривода, автоматического регулирования, методы моделирования систем с ЭМ и ПП, решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, сплайн-аппроксимации кривых, гармонического и частотного анализа, симметричных составляющих.
Научная новизна результатов исследований:
Новой является методология моделирования систем с ЭМ и ПП, отличающаяся тем, что разделение систем на подсистемы осуществляется по потокам взаимной индукции обмоток ЭМ и трансформаторов, используются новые способы преобразования систем для разделения их на части и обеспечения устойчивости вычислений, оригинальный алгоритм учета потерь энергии в ПП, модификация метода симметричных составляющих для многофазных систем. Методология отличается также тем, что указанные составляющие объединены специальными алгоритмами расчета и дополнены расчетом баланса мощностей и энергий.
Новым является комплекс моделей систем с ЭМ и ПП, отличающийся описанием систем с многофазными ЭМ, с активными, многоуровневыми, многотактными и другими ПП, повышенной точностью
(учетом потерь энергии в ПП, вытеснения токов в ЭМ, различия индук-тивностей ЭМ для многофазных и трехфазных симметричных составляющих токов и др.), взаимосвязанным описанием различных процессов (электромагнитных, электромеханических, тепловых, регулирования), устойчивостью вычислений, быстродействием и надежностью.
Новой является система наладки блоков и алгоритмов управления, основанная на замене силовых частей систем с ЭМ и ПП моделями, выполненными по принятой методологии и работающими в реальном времени.
Новыми являются результаты анализа систем с многофазными ЭМ и ПП напряжения и синтеза системы с 6-фазным асинхронным генератором и многотактным активным выпрямителем с пониженными пульсациями токов и пониженными потерями энергии.
Новыми являются рекомендации по стабилизации процесса пуска турбогенераторов тиристорными пусковыми устройствами путем изменения частоты переключения тиристоров.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена положительными результатами внедрения разработанной методологии моделирования, комплекса моделей и программ расчета на ЭВМ, сравнением результатов расчетов и экспериментов, использованием в моделях систем с ЭМ и ПП расчетов баланса мощностей и энергий, практикой разработки и производства систем с ЭМ и ПП на заводе "Электросила" и на других предприятиях, данными по эксплуатации изготовленных систем.
Практическая ценность работы. Разработана методология моделирования систем с ЭМ и ПП, позволяющая создавать модели. Разработан комплекс моделей систем с ЭМ и ПП, позволяющий выполнять их анализ и синтез. Разработана система наладки блоков управления систем с ЭМ и ПП, позволяющая сократить сроки выполнения и трудоемкость пускона-
ладонных работ. Даны рекомендации по построению ряда систем с ЭМ и ПП. Результаты использованы при разработке действующих систем с ЭМ и ПП и в перспективных проектах.
Реализация результатов работы. Методология моделирования и комплекс моделей систем с ЭМ и ПП внедрены на заводе "Электросила" и других предприятиях. Они используются для анализа технических решений, синтеза систем, а также при проектировании: электроприводов мельниц (4 МВт) ГОК "Олимпиадинский", вентиляторов (3,7 МВт) рудника "Северный Глубокий", трансмиссии переменного тока (1 МВт) самосвалов "БелАз", электроприводов экскаваторов ЭКГ-10 (800 кВт), шахтных вагонов (100 кВт) и насосов (250 кВт), тиристорных пусковых устройств (до 6 МВт) турбогенераторов (Ивановская ГРЭС, Тюменская ТЭЦ-1, ОПС "Каборга", Калининградская ТЭЦ, ТЭС "Геллер" в Венгрии, ТЭЦ "Дибис" в Ираке, ТЭЦ-9, ТЭЦ-27, ТЭЦ-21), судовых систем и др.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались:
на конференции Европейской ассоциации электропривода и силовой электроники ЕРЕ 2005, Германия, г. Дрезден, 2005 г. [225];
на конференции Европейской ассоциации электропривода и силовой электроники ЕРЕ-РЕМС 2004, Латвия, г. Рига, 2004 г. [228], [243];
на научно-практической конференции "Энергосбережение на предприятиях металлургической и горной промышленности", 19-22 января 2004 г., Санкт-Петербург;
на конференции Европейской ассоциации электропривода и силовой электроники ЕРЕ 2003, Франция, г. Тулуза, 2003 г. [181];
на VII Симпозиуме "Электротехника 2010", ТРАВЭК-ВЭИ, Московская область, 27-29 мая 2003 г. [47];
на НТС ОАО "ГАЗПРОМ", Нижний Новгород, 2002 г. [45];
на Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы развития автоматизированного электропривода промышленных установок", г. Новокузнецк, 15-17 мая 2002 г. [48];
на научно-практической конференции "ЭЛЕКТРОЭНЕРГО-2003", проведенной ОАО "Электросила" в 2002 г. [112];
на научно-практической конференции "Транспортный электропривод - 2001", проведенной ОАО "Электросила" в 2001 г. [88];
на VII международной научно-технической конференции "Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств". Санкт-Петербург, 2000 г. [21], [127];
на VI международной научно-технической конференции "Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств". Санкт-Петербург, 1998 г. [126];
на научно-технической конференции "Проблемы создания мощных электроэнергетических систем для судов ледового плпвания и технических средств освоения шельфа", Ленинград, 1983 г. [115];
на 3 Всесоюзной конференции "Совершенствование проектирования судовых ЭЭС и технологии электромонтажных работ", Ленинград, 1979 г. [117], [118].
Личный вклад автора состоит в разработке методологии моделирования и математических моделей систем с ЭМ и ПП, в организации разработки компьютерных моделей систем, в руководстве этой разработкой и непосредственном участии в ней, а также в анализе и синтезе систем с ЭМ и ПП и в выработке рекомендаций по их созданию.
Публикации. По теме диссертации имеется 49 публикаций, в том числе 2 монографии, 9 изобретений, 38 статей, из которых 6 статей опубликованы в сборниках, рекомендованных ВАК РФ.
