WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Кузин Кирилл Андреевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫМ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ТУРБОМЕХАНИЗМОВ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2012

Работа выполнена на кафедре Автоматизированного электропривода  федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национального исследовательского университета «МЭИ».

Научный руководитель:

Осипов Олег Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры Автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ».

       Официальные оппоненты: 

Шевырев Юрий Вадимович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Электрификация и энергоэффективность горных предприятий» Московского государственного горного университета;

Кузьмин Иван Константинович, кандидат технических наук, руководитель группы сектора «Комплектного электропривода» ООО «Элпро-Рус»

Ведущее предприятие:  ООО  УК «РОСВОДОКАНАЛ» г. Москва

Защита диссертации состоится 15 июня 2012 года в аудитории М-611 в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте по  адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, корпус М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ». Автореферат диссертации размещен на сайте: www.mpei.ru.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью), просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет МЭИ и e-mail: kirakuz2@rambler.ru.

Автореферат разослан « » мая 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета  Д 212.157.02

канд. техн. наук, доцент       Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы. Энерго – и ресурсосбережение наряду с информатизацией и компьютеризацией в различных технологических процессах является одним из основных направлений технической политики во всех развитых странах мира, не исключая и Россию. Существенной составляющей в этом направлении является применение регулируемого электропривода ЭП для турбомеханизмов (насосов, турбокомпрессоров, дымососов, вентиляторов и т. п. механизмов). Особая роль в подобных электроприводах больших мощностей (свыше 250 кВт) принадлежит высоковольтному частотно-регулируемому синхронному электроприводу, обладающему более высокими, по сравнению с асинхронным  электроприводом,  энергетическими показателями. При этом для группы турбомеханизмов, работающих на общую выходную магистраль, более экономичным решением является использование лишь одного преобразователя частоты ПЧ с возможностью его работы с любым из электродвигателей группы и переключением их от ПЧ к питающей сети и обратно.

В области автоматического управления и регулирования режимов работы СД значительный вклад внесли такие ученые, как Д.П.Петелин, В.А.Венников, А.И.Важнов, А.М.Вейнгер, Г.Б.Онищенко, М.М.Ботвинник, Ю.Г.Шакарян, М.П.Титов, И.Я.Браславский. Данное направление науки развивалось в МЭИ, ОАО «Электропривод», УПИ и в ряде других отечественных ВУЗах и НИИ. При этом, однако, не уделялось должного внимания проблемам согласования технологических и энергетических режимов работы преобразователя частоты, синхронного двигателя и его возбудителя при работе группы технологически взаимосвязанных турбомеханизмов. Таких режимов работы, например, как частотный пуск и частотное регулирование производительности турбомеханизма, согласованное включение в работу необходимого числа турбомеханизмов, прямой пуск и работа от питающей сети, переключение источника питания СД от ПЧ к сети при жестком согласовании выходного напряжения ПЧ по амплитуде, частоте и фазовому сдвигу с напряжением питающей сети при одновременном регулировании технологического параметра.

Как правило, модернизация синхронного электропривода турбомеханизмов связана с установкой не только ПЧ, обеспечивающих регулирование скорости синхронных двигателей, но и с заменой технически устаревших их возбудителей. При этом для резервирования питания и осуществления технологической надежности работы приводных двигателей требуется сохранять возможность его прямого пуска и работы в нерегулируемом режиме. Отсюда вновь устанавливаемый возбудитель должен обеспечивать все режимы работы СД: асинхронный пуск двигателя при питании его от сети, частотный пуск, режим переключения питания двигателя и регулирование энергетических показателей привода в соответствии с технологическими режимами работы турбомеханизма. Подобная многофункциональность работы возбудителя накладывает дополнительные требования на его систему и алгоритмы управления, законы формирования тока возбуждения и взаимосвязи между собой СД, преобразователя частоты и возбудителя.

При организации современных систем управления технологическим процессом ТП наиболее удобным средством управления и диагностирования работы электропривода группы турбомеханизмов является персональный компьютер (ЖК-панель управления) с программой визуализации ТП и отображением текущего состояния электропривода, регистрацией аварийных и штатных событий. Проектирование и реализация подобных средств является неотъемлемой частью задач повышения эргономических показателей работы оперативного персонала и надежности системы в целом.

Внедрение в состав электропривода турбомеханизмов новых технических средств (ПЧ, программируемых контроллеров, АСУТП) на основе микропроцессорной техники одновременно сопровождается проблемой обеспечения их электромагнитной совместимости (ЭМС) в реальных промышленных условиях эксплуатации привода. Это требует анализа электромагнитной обстановки (ЭМО) в районе расположения элементов электропривода турбомеханизма, и при необходимости  принятия мер по обеспечению их ЭМС.

Ясно, что решение указанных проблем при внедрении синхронного частотно-регулируемого электропривода турбомеханизмов будет способствовать повышению их технико-экономических показателей, энергоэффективности  и технической надежности.

Целью диссертационной работы является разработка, совершенствование и исследование систем и алгоритмов управления синхронного частотно-регулируемого электропривода турбомеханизмов, обеспечивающих повышение их технико-экономических показателей, энергоэффективности  и технической надежности.

Достижение поставленной цели потребовало:

- анализа технологических режимов работы, типовых нагрузочных диаграмм привода турбомеханизмов и на их основе технико-экономического обоснования целесообразности применения в них частотно-регулируемого синхронного электропривода;

- разработки и совершенствования алгоритмов управления группой синхронных частотно-регулируемых электроприводов турбомеханизмов;

- разработки математической модели синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением в режимах пуска, регулирования частоты вращения, переключения его питания с ПЧ на питающую сеть;

- разработки алгоритмов формирования тока возбуждения СД, обеспечивающих работу возбудителя во всех технологических режимах работы турбомеханизмов;

- разработки систем диагностирования, сбора и обработки переменных электропривода насосных агрегатов, а также согласования аппаратно-программных средств, обеспечивающих интерфейс «человек-машина»;

- экспериментального исследования ЭМО в районе расположения элементов электропривода турбомеханизмов и на их основе принятия мер по обеспечению их ЭМС.

- апробации теоретических и технических разработок на основе экспериментальных исследований синхронных ЭП турбомеханизмов.

Методика исследований. Теоретические исследования основывались на общих положениях теории электропривода и теории автоматического управления, методов структурного моделирования, аппарата булевой алгебры и теории электромагнитного поля. Экспериментальные исследования проводились в электроприводах действующих насосных станций и турбокомпрессорных установках осциллографированием переменных электроприводов с использованием программы  DriveMonitor и программного обеспечения системы визуализации процесса InTouch WonderWare. Для исследования электромагнитной обстановки использовался разработанный комплект анализаторов электрического и магнитного полей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе разработанной математической модели системы ПЧ-СД и моделированием режимов переключения питания СД от ПЧ на сеть определены допустимые уровни рассогласования параметров синхронизируемых напряжений (амплитуд напряжений и фазовых сдвигов между ними) при подобных переключениях и их взаимосвязь с режимами работы электропривода;

2. Разработаны алгоритмы управления технологическими режимами работы синхронных частотно-регулируемых электроприводов турбомеханизмов, состоящих из n-го их числа и работающих в единой технологической группе, обеспечивающие согласованное взаимодействие ПЧ, СД и его возбудителя; 

3. Разработаны алгоритмы управления током возбуждения СД, обеспечивающие согласованную работу возбудителя в технологических режимах работы, как насосных станций, так и компрессоров, а также регулирование тока возбуждения по минимуму реактивной мощности.

Практическая ценность и реализация работы заключаются в следующем:





1. Предложены и реализованы принципы управления технологическими режимами работы электропривода группы турбомеханизмов с общей выходной магистралью.

2. Разработана математическая модель СД, обеспечивающая его адекватное исследование во всех технологических и энергетических режимах работы и позволяющая дать оценку возможных изменений электрических переменных на стадии проектирования комплектного электропривода на базе синхронного двигателя, в том числе и по системе ПЧ-СД.

3. Реализована система регулирования тока возбуждения СД, обеспечивающая требуемые технологические режимы работы насосной станции и поршневого компрессора с высокими энергетическими показателями.

4. Технически реализованы алгоритмы логического управления электроприводами группы насосов аппаратно-программными средствами на основе программируемого логического контроллера SIMATIC S7-300, сетевой коммуникационной платы Simatic NET, монитора, а также программного обеспечения визуализации InTouch WonderWare, обеспечивающего интерфейс «человек-машина» и диагностирование технического состояния электроприводов насосов.

5. Определены спектральные характеристики напряженности электрического и магнитного полей в районе расположения элементов электропривода компрессора. Обеспечена их электромагнитная совместимость.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований апробированы при внедрении высоковольтных синхронных частотно-регулируемых электроприводов насосных станций Большекамского водозабора БКВ и Чусовских очистительных сооружений ЧОС-2 (г. Пермь), а также привода поршневого компрессора Нефтеперерабатывающего завода (г. Москва), обеспечив заметное увеличение энергетических и технологических показателей по сравнению с прежней системой регулирования. В итоге модернизации насосной станции снизились эксплуатационные расходы на оборудование из-за отсутствия гидравлических ударов в выходных трубопроводах за счет стабилизации давления воды и плавности его регулирования.  Повысилась  энергоэффективность, и как следствие снизились расходы на перекачку чистой воды, уменьшилась ее себестоимость. Разработанная видеотерминальная станция и принципы диагностирования электрооборудования насосной станции нашли применение и для вновь разрабатываемых в ООО «Русэлпром-Мехатроника» (г. Москва) электроприводов турбомеханизмов.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждены правомерностью принятых исходных допущений и предпосылок, корректным применением методов теорий электропривода и автоматического управления, результатами практической реализации и экспериментальных исследований разработанных алгоритмов и принципов управления, а также энергетических режимов работы синхронных частотно-регулируемых электроприводов турбомеханизмов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Алгоритмы системы управления технологическими режимами работы высоковольтных синхронных частотно-регулируемых электроприводов турбомеханизмов.

2. Математическая модель системы ПЧ-СД с многоуровневым автономным инвертором напряжения.

3. Результаты анализа режима переключения питания СД от ПЧ на сеть, определяющие допустимые значения рассогласования параметров синхронизируемых напряжений при переключении и их зависимость от условий работы.

4. Алгоритмы управления системой возбуждения СД, принципы формирования тока возбуждения СД по минимуму потребляемой им реактивной мощности и по току статора. Варианты их технической реализации для промышленных СД, включая СД с бесщеточной системой возбуждения. 

5. Система сбора, обработки и визуализации переменных электроприводов турбомеханизмов, обеспечивающая диагностирование технического состояния и режимов работы синхронного частотно-регулируемого электропривода турбомеханизмов.

6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанных алгоритмов и систем управления синхронными частотно-регулируемыми электроприводами турбомеханизмов, их энергетических режимов работы и спектральных характеристик напряженностей электрического и магнитного полей в районе расположения элементов управления и силовой части электроприводов турбомеханизмов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Тула, 2010 г.), на XV, XVI Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва,  2009, 2010 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 8 печатных трудах, в том числе двух изданиях, входящих в перечень, рекомендованных ВАК РФ по направлению «Энергетика».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 60 наименования и 1 приложения. Ее содержание изложено на 132 страницах основного текста, содержит 68 рисунков и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследований.

В первой главе на примере электропривода насосных агрегатов перекачивающей станции определены технологические особенности работающих в группе электроприводов турбомеханизмов и требования к ним. Рассмотрены способы регулирования производительности насосной станции, методика определения ожидаемого экономического и технологического эффектов от частотного регулирования скорости насосов.

Предложена функциональная схема электропривода (ЭП) насосной станции на базе одного преобразователя частоты в соответствии с технологическим алгоритмом его работы (рис. 1). Здесь: TV – питающий трансформатор; 1.16.1 – ячейки питания от сети приводов насосов; ПЧ – преобразователь частоты; Q – высоковольтный выключатель; 1.26.2 – ячейки питания от ПЧ приводов насосов; Д1Д6 – синхронные двигатели (СД); 1.36.3 – возбудители СД; 1.46.4 – ЭП задвижек на входе насосов; 1.56.5 – ЭП задвижек на выходе насосов; 1.66.6 – датчики давления на выходе насосов; 1.76.7 – датчики давления на входе насосов; 7 и 8 – 1-ый и, соответственно, 2-ой датчики давления на напорном коллекторе;  Х1 – сигналы индикации и управления высоковольтными ячейками; Х2 – сигналы от датчиков давления; Х3 – сигналы информационной сети Profibus; Х4 – сигналы индикации и управления ЭП задвижек; Х5 – сигналы индикации и управления ЭП насосов; Х6 – сигналы сети промышленного интернета.

Рис. 1. Функциональная схема электропривода насосной станции.

Шкаф видеотерминальной станции (ШВТС) содержит программируемый логический контроллер (ПЛК), предназначенный для: реализации алгоритмов управления электроприводами, включая режим переключения питания двигателя с ПЧ на сеть; приема и обработки аналоговых и дискретных сигналов, поступающих от датчиков. Пульт управления  (ПУ) и вспомогательное оборудование обеспечивают формирование и передачу управляющих сигналов преобразователю ПЧ по сети Profibus. В их числе задание на скорость; сбор и обработка переменных, поступающих от ПЧ. Результаты обработки поступают на видеотерминальную станцию (ВТС), предназначенную для управления и контроля готовности к работе электропривода, визуализации состояния и режима работы электропривода, архивации основных координат ЭП. Шкаф управления ЭП (ШУЭП) обеспечивает световую индикацию состояния электроприводов насосов и содержит ПЛК, который на основании данных от ШВТС по сети Profibus  управляет силовой частью привода. К секции шин 6 кВ с частотой 50 Гц подключены ПЧ и электродвигатели  (рис. 1). Выход ПЧ питает шину регулируемых напряжения (06 кВ) и частоты (050 Гц). ПЧ обеспечивает плавный пуск и вывод из работы любого из 6 насосов и синхронизацию электродвигателя насоса с питающей сетью. Это исключает удары в гидравлической и электрической сетях. Регулирование давления происходит за счет изменения частоты вращения электродвигателя, питающегося от ПЧ. При неисправности ПЧ предусмотрен прямой пуск от сети любого из СД.

Определены логические взаимосвязи между входными и выходными сигналами управления электроприводами насосной станции и на их основе предложен алгоритм управления работой группы n-го количества электроприводов турбомеханизмов при работе с одним ПЧ на одну выходную магистраль по аналогии со схемой рис. 1. В качестве примера ниже приведен фрагмент предложенного алгоритма в виде уравнений алгебры логики, описывающих формирование команд на включение n-го приводного двигателя насоса «От ПЧ» () и «От сети» ():

;            

,

где: Х3n – пуск n-го приводного двигателя; q5n – включенное состояние камеры регулируемого напряжения и частоты n-го приводного двигателя;  q6n –        включенное состояние сетевой камеры n-го приводного двигателя; q7 – включенное состояние вводного разъединителя секции шин регулируемого напряжения и частоты; q8  – состояние готовности ПЧ к работе;  q10n – состояние готовности возбудителя n-го приводного двигателя к работе; q13n – аварийное состояние силовой цепи n-го приводного двигателя;  Y1n  – выбран режим работы n-го приводного двигателя «От ПЧ»; Y2n – выбран режим работы n-го приводного двигателя «От сети». При равенстве сигналов на включение n-го приводного двигателя Y3n или Y4n логической единице включается камера регулируемого напряжения и частоты или сетевая камера n-го двигателя соответственно.

Предложенные уравнения управления являются универсальными для рассмотренной схемы с любым количеством N электроприводов турбомеханизмов и были апробированы при модернизации насосных станций ЧОС-2 и «Большекамский водозабор» г. Пермь.

Выбраны и обоснованы элементы силовой части электропривода насоса на примере насосной станции ЧОС-2.

Во второй главе разработана и апробирована модель СД с электромагнитным возбуждением на базе уравнений обобщенной электрической машины в различных режимах работы СД (прямой  и частотный пуски, частотное регулирование скорости, переключение источника питания СД от ПЧ на сеть).

Предложена математическая модель (рис. 2) высоковольтного синхронного частотно-регулируемого электропривода на базе ПЧ с многоуровневой широтно-импульсной модуляцией, приведены результаты моделирования режимов его работы, включая переключение питания СД от ПЧ на питающую сеть.

Рис. 2. Математическая модель переключения питания СД.

Здесь: ПЧ – преобразователь частоты с многоуровневой ШИМ типа Robicon Perfect Harmony, формирующий трехфазное напряжение заданной амплитуды Uмз и частоты fз , Q1 –  выключатель на выходе ПЧ; Q2 – сетевой выключатель; К1 и К2 – логические управляющие сигналы выключателей Q1 и Q2 соответственно; Iпч и Iдв – действующие значения токов ПЧ и двигателя соответственно; SM – синхронная машина, представленная в модели уравнениями электромагнитных и электромеханических процессов в СД;  L – выходной дроссель для ограничения уравнительного тока при переключениях источника питания двигателя; ОВ – обмотка возбуждения СД с питанием от тиристорного возбудителя ТВ; Мс – нагрузка вентиляторного типа, свойственная приводу насосов.

Рис. 3. Зависимость максимального значения тока статора Iдв  от разности амплитуд Um % и фазовых сдвигов о напряжений ПЧ и питающей сети в режиме переключения питания СД.

На основе анализа режимов  переключения питания СД от ПЧ на сеть определены допустимые значения рассогласования их напряжений по амплитуде Um и по фазе при подобных переключениях  (рис. 3, рис. 4) и уровень  их рассогласований  от режимов  работы электропривода. Оценка электродинамических возмущений в СД при его переключении от ПЧ к питающей сети выполнялась при  следующих допущениях:

- частоты напряжений на выходе ПЧ и сети принимались абсолютно равными для исключения влияния одного из трех факторов рассогласований рассматриваемых напряжений;

- отклонения напряжений на выходе ПЧ и сети принимались по амплитуде Um в пределах не более ±5% от номинального их значения и по фазе – ±2 градуса, что характерно для программного обеспечения систем управления большинства промышленных ПЧ; 

- статический момент Мс на валу двигателя принимался постоянным и равным номинальному его значению;

- сигналы  К2 на включение Q2 и К1 для отключения Q1 подавались с выдержкой времени между собой, равной 60 мс в соответствии с реальными временами срабатывания высоковольтных вакуумных выключателей.

Рис. 4. Зависимость максимального значения тока ПЧ IПЧ  от разности амплитуд Um % и фазовых сдвигов о напряжений ПЧ и питающей сети в режиме переключения питания СД.

Результаты моделирования, представленные на рис. 3 и рис. 4, позволяют наглядно в зависимости от амплитудных и фазовых отклонений напряжений на выходе ПЧ и сети оценивать возможные превышения токов ПЧ и СД. Если принять допустимым кратковременное превышение тока ПЧ (соответственно тока СД) на уровне 150%  его номинального значения, что характерно для большинства промышленных ПЧ (на рис. 3 и рис. 4 это отражено плоскостью серого цвета), то допустимые рассогласования напряжений на выходе ПЧ и сети при номинальной нагрузке СД во время его переключения с ПЧ на сеть будут находиться в пределах:

  • по амплитуде напряжений Um доп  ±1 %;
  • по фазовому сдвигу доп ±2 градуса.

Моделирование подобных режимов переключения СД от ПЧ на сеть при снижении статической нагрузки на валу двигателя ожидаемо показало уменьшение бросков тока в ПЧ и СД, что позволяет при равных ограничениях по их току увеличивать допуски по отклонениям амплитуды и фазовым сдвигам напряжений. Так снижение на 20% значения тока статора СД при снижении нагрузки на его валу или при уменьшении реактивной составляющей тока статора с помощью регулирования тока возбуждения позволит допустить отклонение амплитуд напряжений на выходе ПЧ и сети до ±2%.

На основе результатов моделирования предложен закон формирования амплитуды и частоты регулируемого напряжения статора (табл. 1) при частотном пуске СД с постоянным моментом сопротивления  от ПЧ со скалярной структурой управления, обеспечивающий при ограничении тока статора на уровне номинального значения уверенное втягивание в синхронизм вначале пуска и устойчивую работу уже при 10% номинальной скорости.

Таблица 1

Темп нарастания частоты и амплитуды напряжения статора

0

0.01837

0.053

0.1

1

0

0.02

0.04

0.1

1

0

0.9185

1.325

1

1

, сек

0

0.6

1

2

Как видно из табл. 1 в период времени  сек задается пониженное относительно номинального соотношение , а в период  сек – повышенное, что предлагается для переходного процесса при втягивании разгоняющегося ротора в синхронизм с полем статора. С момента времени  сек двигатель устойчиво работает в синхронизме на частоте 5 Гц с номинальным магнитным полем статора и готов к переходу на любую частоту вращения с ускорением  Гц/с. 

Доказана адекватность применения рассмотренных математических моделей с целью исследования подобных режимов работы СД при проектировании систем электропривода на его основе.

Третья глава посвящена разработке алгоритмов формирования тока возбуждения для согласованной работы синхронного двигателя в режимах его питания от сети напрямую, частотного регулирования технологического параметра, переключения его питания от ПЧ на сеть.

Предложен алгоритм управления системой возбуждения СД, объединяющий режимы его прямого пуска от сети и питания от управляемого ПЧ. На его основе разработана и технически реализована цифровая система управления тиристорным возбудителем, обеспечивающая стабильность и надежность пусковых и установивших режимов СД (рис. 5).

Рис. 5. Основные узлы системы регулирования тока возбуждения СД.

При диагностике режимов работы и технических состояний СД в предлагаемой системе управления возбудителем учитываются одновременно несколько функциональных критериев и доступных измерению переменных электропривода, как в роторной, так и в статорной цепях СД (ток и напряжение статора, ток и напряжение возбуждения, реактивная мощность). При этом  используется информация как с датчиков в шкафу управления СВСД, так и с датчиков в РУ-6кВ. Это гарантирует достоверный и своевременный анализ аварийных режимов работы СД.

Предложены системы формирования тока возбуждения СД по минимуму потребляемой им реактивной мощности, а также варианты их технической реализации для промышленных СД, включая СД с бесщеточной системой возбуждения.

Дан анализ и синтез регуляторов тока возбуждения и реактивной мощности СД в системах стабилизации заданной реактивной мощности СД (рис. 6).

Рис. 6. Структурная схема регулирования реактивной мощности СД.

Здесь: Qз – задание рекуперируемой реактивной мощности; Q – реальное значение реактивной мощности в диктующей точке; WpQ(p) – ПИ-регулятор реактивной мощности; Wpтв(p) – ПИ-регулятор тока возбуждения; f(M) –многомерная передаточная функция между током возбуждения и реактивной мощностью, зависящая от момента нагрузки СД и определяемая передаточным коэффициентом KQ и постоянной составляющей Q0, соответствующей нулевому току возбуждения на прямой зависимости  Q (Iв); QVAR – переменная составляющая реактивной мощности при ненулевом токе возбуждения.

При отсутствии средств измерения реактивной мощности предложено формирование тока возбуждения в соответствии с текущим значением тока статора. Для этого необходимо на практике или моделированием получить U-образную характеристику двигателя. Определив по ней минимумы тока статора при соответствующих токах возбуждения (точки, где cos() = 1), аппроксимировать их полиномом второго порядка. Для смещения с неустойчивой точки работы СД, где cos() = 1, достаточно незначительно  (на 2...3%) увеличить постоянную составляющую C уравнения и получить  для исследуемого СД зависимость типа:

,

где  – коэффициенты полученного полинома второго порядка. 

Предлагаемые принципы формирования тока возбуждения экспериментально обоснованы как в системах с прямым возбуждением, так и в бесщеточных системах возбуждения СД.

Четвертая глава связана с экспериментальными исследованиями энергетических режимов работы электропривода турбомеханизма, технологических режимов разработанных систем и алгоритмов их управления на примере электропривода насосного агрегата станции ЧОС-2 (г. Пермь). Также освещены решения проблем обеспечения электромагнитной совместимости элементов электропривода турбомеханизма в реальных условиях его эксплуатации. Разработана и реализована система управления давлением в напорном коллекторе насосной станции посредством синхронного частотно-регулируемого электропривода. Дан анализ работоспособности системы и синтез регулятора давления.

Регистрация осциллограмм координат приводного СД, работающего от ПЧ во время его пуска и выхода на установившийся режим работы осуществлялась с помощью разработанной системы регистрации, обработки и визуализации переменных электроприводов насосных агрегатов станции ВТС. Так, на рис. 7 представлены изменения скорости вращения ротора n, тока статора I, тока возбуждения Iв, напряжения статора U, активной мощности  P и момента двигателя M во время плавного пуска СД от ПЧ.

Рис. 7. Осциллограммы координат системы ПЧ-СД при пуске.

Экспериментальные исследования синхронных частотно-регулируемых электроприводов насосов станции ЧОС-2 подтвердили работоспособность и высокое качество регулирования производительности насосной станции для разработанных алгоритмов и систем их управления. Практически обеспечено плавное регулирование скорости привода насосов во всем его рабочем диапазоне, ограничение темпов разгона и торможения приводов, стабилизация давления в выходном трубопроводе насосной станции с точностью не менее 98 % от установившегося значения. Проблема обеспечения ЭМС элементов электропривода  решалась экспериментальным исследованием ЭМО в районе их расположения в системах управления возбуждением СД. Для ее оценки использовался разработанный комплект устройств анализа спектра напряженностей электрического и магнитного полей, датчики которых были тарированы в эталонных магнитном и электрическом полях соответственно.

Предварительно при наладке указанной системы были определены основные и наиболее мощные источники электромагнитных полей в шкафу управления возбуждением СД. Ими оказались трансформатор питания тиристорного возбудителя ТВ и силовые к нему проводники.

В рабочем режиме тиристорного возбудителя напряженность электрического поля в указанных точках достигала 80 и 78 В/м при частотах 1050 и 400 Гц. В диапазоне частот 1700…7000 Гц наблюдалась напряженность электрического поля со средним значением 70 В/м.  Максимальная амплитуда напряженности магнитного поля достигала 55 А/м при частоте 150 Гц. Максимальные амплитуды напряженности электрического поля вблизи силовых проводников ТВ на частотах 450 и 750 Гц достигали соответственно 72 и 65 В/м.

Рассмотренные источники ЭМП в шкафу управления возбуждением СД  достаточно удалены от элементов цифровой системы управления и не влияли на ее работоспособность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

  1. Определены технологические особенности и обобщены допустимые режимы работающих в группе электроприводов турбомеханизмов на примере насосных агрегатов насосной станции и обоснованы технологические и эксплуатационные требования к их синхронным частотно-регулируемым электроприводам.
  2. Рассмотрены способы регулирования производительности насосной станции, методика определения ожидаемого экономического и технологического эффектов от частотного регулирования скорости насосов. Предложена функциональная схема электропривода насосной станции в соответствии с технологическим алгоритмом его работы.
  3. Определены логические взаимосвязи между входными и выходными сигналами управления электроприводами насосной станции и на их основе предложен алгоритм управления работой группы n-го количества электроприводов турбомеханизмов при работе на одну выходную магистраль.
  4. Разработана и апробирована в программе PSim математическая модель синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением в режимах пуска, регулирования частоты вращения, переключения его питания с ПЧ на питающую сеть. Приведены результаты моделирования этих режимов, доказывающие адекватность применения рассмотренных математических моделей с целью исследования подобных режимов работы СД при проектировании систем электропривода на его основе.
  5. На основе результатов моделирования предложен закон формирования амплитуды и частоты регулируемого напряжения статора, тока возбуждения при частотном пуске СД от ПЧ со скалярной структурой управления.
  6. В результате моделирования режимов  переключения питания СД от ПЧ на сеть определены допустимые значения рассогласования параметров синхронизируемых напряжений (амплитуд напряжений и фазовых сдвигов между ними) при подобных переключениях и уровень их  рассогласований  от режимов работы электропривода.
  7. Обусловлено применение систем возбуждения синхронных двигателей с цифровым управлением в современном частотно-регулируемом электроприводе, входящем в общую структуру АСУТП предприятия. Дан пример подобных систем с возможностью регулирования тока возбуждения по любому необходимому закону.
  8. Предложен принцип формирования тока возбуждения по минимуму реактивной мощности СД и поддержания его коэффициента мощности вблизи единицы, рассмотрены варианты его технической реализации. При использовании рассмотренного принципа существует возможность компенсации реактивной мощности в диктующей точке питающей энергосистемы с помощью подключенного к ней синхронного двигателя. Величина компенсируемой реактивной мощности будет обусловлена ограничением тока статора СД и, соответственно, режимом работы технологического процесса.
  9. Экспериментально доказана применимость предложенного принципа формирования тока возбуждения в системах, как с прямым возбуждением, так и в бесщеточных  во всех технологических и энергетических режимах работы СД, обеспечивающего высокие энергетические показатели.
  10. Экспериментальные исследования синхронных частотно-регулируемых электроприводов насосов станции ЧОС-2 подтвердили работоспособность и высокое качество регулирования производительности насосной станции для разработанных алгоритмов и систем их управления. Обеспечено: плавное регулирование скорости приводов во всем его диапазоне, ограничение темпов разгона и торможения приводов, стабилизация давления в выходном трубопроводе насосной станции.
  11. Предложенная система сбора, обработки и визуализации переменных электропривода насосной станции показала свою эффективность  в организации процесса регулирования производительности насосной станции. Разработанная система позволяет диагностировать штатные и аварийные ситуации, текущее состояние электроприводов насосной станции и способствует повышению надежности их работы.
  12. Предложено устройство для исследования ЭМО в районе расположения основных элементов электропривода и на его основе определены спектральные характеристики напряженностей электрического и магнитного полей в системах управления возбуждением СД, его силовых кабелей. Это позволило конструктивно определить области расположения проводников связи в цепях управления тиристорными возбудителями СД.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований апробированы при внедрении высоковольтных синхронных частотно-регулируемых электроприводов насосных станций Большекамского водозабора БКВ и Чусовских очистительных сооружений ЧОС-2 (г. Пермь), а также привода турбокомпрессора Нефтеперерабатывающего завода (г. Москва), обеспечив заметное увеличение энергетических и технологических показателей по сравнению с прежней системой регулирования. В итоге модернизации насосной станции снизились эксплуатационные расходы на оборудование из-за отсутствия гидравлических ударов в выходных трубопроводах за счет стабилизации давления воды и плавности его регулирования.  Повысилась  энергоэффективность, и как следствие снизились расходы на перекачку чистой воды, уменьшилась ее себестоимость. Разработанная видеотерминальная станция и принципы диагностирования электрооборудования насосной станции нашли применение и для вновь разрабатываемых в ООО «Русэлпром-Мехатроника» (г. Москва) комплектах электроприводов турбомеханизмов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

  1. Иванов Г.М., Осипов О.И., Дронов А.С., Кузин К.А. «Проблемы и опыт модернизации высоковольтных синхронных электроприводов насосных станций» // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: Ч. 4, стр. 86. Тула: изд-во ТулГУ, 2010.
  2. Иванов Г.М., Осипов О.И., Мельников Д.Н., Кузин К.А. «Видеотерминальная станция электропривода резиносмесителя» // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: Ч. 3, стр. 47. Тула: изд-во ТулГУ, 2010.
  3. Кузин К.А., Камнев А.М. «Энерго- и ресурсосбережения в системах водоподачи насосной станции» // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: пятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. в 3-х т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2009.
  4. Кузин К.А. «Энерго- и ресурсосбережение в системе водоснабжения» // Электропривод и системы управления // Труды МЭИ. Вып. 684. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009.
  5. Осипов О.И., Кузин К.А., Мусин М.Д., Мельников Д.Н. «Анализатор электромагнитных полей в районе расположения элементов электропривода» // Электропривод и системы управления // Труды МЭИ. Вып. 685– М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - стр. 29-32.
  6. Кузин К.А., Осипов О.И. «Алгоритмы логического управления режимами работы электроприводов насосной станции» // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 16 – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. – стр. 122-127.
  7. Кузин К.А. «Анализатор электромагнитных полей в районе расположения элементов электропривода» // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Шестнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. в 3-х т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2010 -  стр. 137.
  8. Осипов О.И., Кузин К.А., «Моделирование переключения синхронного двигателя от преобразователя частоты на сеть» // Электропривод и системы управления // Труды МЭИ. Вып. 687– М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - стр. 4-8.
 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.