автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Анализ технологических возможностей и выбор оптимальной топологии высоковольтных регулируемых электроприводов переменного тока

На правах рукописи

КРАСНОВ Дмитрий Валерьевич

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И ВЫБОР

ОПТИМАЛЬНОЙ ТОПОЛОГИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 Ш 2012

005016161

Нижний Новгород - 2012

005016161

Работа выполнена в ФБГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет им. С.В.Черномырдина»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Онищенко Георгий Борисович

Официальные оппоненты: Хватов Олег Станиславович,

доктор технических наук, профессор ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта», заведующий кафедрой

Виноградов Анатолий Брониславович, кандидат технических наук, доцент ООО «Русэлпром-Электропривод», начальник лаборатории систем управления

Ведущая организация: ООО «Электропром» г.Москва

Защита состоится 17 мая 2012г. в 14.00 в ауд. 1258 на заседании диссертационного совета Д212.165.02 при Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е.Алексеева по адресу: 603950, ГСП41, г.Нижний Новгород, ул. Минина, 24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е.Алексеева.

Автореферат разослан 14 апреля 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Соколов В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из наиболее эффективных направлений энергосбережения является широкое использование регулируемого электропривода во всех сферах его применения. В мировой практике это направление стало широкомасштабным и вылилось в создание крупной отрасли промышленности по производству преобразователей частоты для регулируемых электроприводов переменного тока. В России, хотя и с некоторым опозданием, использование низковольтных преобразователей частоты для регулируемого электропривода получило достаточно широкое применение; схемные, и аппаратные решения этих преобразователей хорошо отработаны и сотни фирм выпускают их по однотипной топологии.

Иное положение сложилось с высоковольтными (в/в) преобразователями частоты для электропривода. Эффективность использования в/в регулируемых электроприводов большой мощности во всех отраслях промышленности, энергетики, коммунального хозяйства исключительно велика, что доказано мировой практикой. В России создание и широкое использование в/в регулируемых электроприводов идет с большим отставанием.

Разработки и изготовление в/в преобразователей частоты для электропривода ведет ряд российских фирм: ОАО «Электровыпрямитель», ООО «JI-Старт», ЗАО «Энергокомплект», ЗАО «Эрасиб», ВНИИР, ОАО «Новая Эра». ЗАО НТЦ «Приводная техника» и др. Отечественные фирмы выпускают преобразователи частоты малыми партиями по различной топологии.

Несмотря на уже накопленный в мировой практики опыт создания в/в частотно-регулируемых электроприводов, еще не сложились оптимальные технические решения по их построению (топологии), продолжается их поиск, направленный на снижение стоимости этих приводов и лучшую электромагнитную совместимость в/в преобразователей частоты с питающей сетью и питаемыми двигателями переменного тока.

Задача разработки, организации производства и широкого промышленного внедрения в/в регулируемых электроприводов большой мощности имеет важное значение для экономики нашей страны, учитывая, что в мировой практике такие электроприводы производятся по несколько тысяч в год, а отечественными фирмами - по несколько десятков единиц в год.

Для условий нашей страны создание и широкое использование энергосберегающих в/в электроприводов переменного тока требует проведения исследований в ряде аспектов этой проблемы:

1. Определение количественной потребности в электроприводах рассматриваемого класса с учетом технико-экономической целесообразности их применения для различных видов технологического оборудования.

2. Сопоставительный анализ различных технических решений по топологии в/в преобразователей частоты с целью выбора перспективных вариантов для организации серийного производства.

Указанные направления исследований определили содержание настоящей работы.

Целью работы является - выбор оптимальной топологии в/в регулируемых электроприводов переменного тока большой мощности для реали-

зации энергосберегающих технологий в различных отраслях народного хозяйства. В соответствии с этим в работе решались следующие задачи:

1. Прогноз перспективной количественной потребности в в/в регулируемых электроприводах переменного тока для основных отраслей промышленности, энергетики, коммунального и водного хозяйства.

2. Исследование гармонического состава выходного напряжения (тока) в/в преобразователей частоты как важного фактора, определяющего энергетическую эффективность оборудования.

3. Разработка методики многокритериального выбора технически оптимального варианта топологии в/в преобразователей частоты с учетом конкретных условий применения.

4. Сопоставительный анализ различных технических решений по построению (топологии) в/в преобразователей частоты с целью выбора наиболее эффективных для серийного производства.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы следующие методы:

• методы статистических исследований энергоемкости и количественной потребности в в/в регулируемых электроприводах;

• методы компьютерного моделирования электромагнитных процессов в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока;

• методы анализа гармонического состава выходных значений напряжения и тока преобразователей частоты;

• методы многокритериального эвристического анализа на базе нечеткой логики.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Прогноз количественной потребности в высоковольтных регулируемых электроприводах переменного тока для основных отраслей хозяйства страны на перспективу до 2020 года.

2. Результаты сопоставительного анализа возможных вариантов топологии высоковольтного частотно-регулируемого электропривода.

Научная новизна:

1. Впервые исследована перспективная потребность основных отраслей хозяйства в мощных энергосберегающих в/в регулируемых электроприводах переменного тока и получен прогноз потребности до 2020г.

2. Выполнено исследование гармонического состава выходного напряжения и тока высоковольтных инверторов, позволяющее оценивать энергетическую эффективность вариантов построения автономных инверторов.

3. Проведен многокритериальный сопоставительный анализ основных вариантов топологий построения высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов, позволяющий обосновать технические направления создания этого вида электроприводов в нашей стране.

Практическая полезность работы:

• разработана методика многокритериального анализа и выбора рациональной топологии построения в/в частотно-регулируемых электроприводов с учетом конкретных требований и областей их применения;

• предложены технические решения по построению многоуровневых преобразователей частоты, существенно повышающие их надежность. Указанные разработки защищены двумя патентами РФ.

Обоснованность и достоверность результатов и выводов диссертации обеспечивается широтой привлеченных источников для статистических исследований, использованием адекватных математических моделей и пакетов прикладных программ для исследования электромагнитных процессов, сопоставлением расчетных результатов с экспериментальными.

Результаты работы реализованы при создании промышленных в/в регулируемых электроприводов: сетевого насоса котельной № 4 г.Одипцово, сетевых насосов центральной котельной г.Астрахани, насосов второго подъема Челныводоканал и др.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на VI Международной конференции по автоматизированному электроприводу. г.Тула, сентябрь 2010г., конференции Интерэлектро г.Москва, июнь 2010г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК, получены 2 патента.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список литературы и приложение, изложенных на 182 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, определены цель и задачи работы.

В первой главе приведены результаты прогноза потребности в в/в регулируемых электроприводах переменного тока. По экспертным оценкам во всех отраслях хозяйства в России установлены 22000 в/в электроприводов переменного тока. Потенциальная потребность в регулируемых электроприводах большой мощности определяется следующими факторами:

• Высокая энергосберегающая эффективность в/в регулируемых электроприводов большой мощности, что особенно проявляется применительно к турбомеханизмам (насосам, вентиляторам, компрессорам), электропривод которых составляет до 60% общей установленной мощности электроприводов в промышленности и коммунальном хозяйстве. Регулирование производительности этих машин изменением скорости вращения позволяет сэкономить около 30 % электроэнергии, 30 % тепла и 20 % воды.

• Использование регулируемого электропривода, особенно в технологических установках большой мощности, дает не только энергосберегающий эффект, но и существенно повышает надежность оборудования, что связано с двумя обстоятельствами:

- обеспечивается плавный пуск электропривода, при котором в 3-5 раз снижаются пусковые токи, исключаются механические и гидравлические удары;

- оборудование работает в технологически оптимальном режиме со сниженной скоростью, напором и производительностью.

Рассматриваются электроприводы с двигателями переменного тока с номинальным напряжением 6,0; 10,0 кВ и мощностью свыше 400 кВт.

При определении потребности в регулируемых электроприводах основное внимание уделялось наиболее массовым. Это электроприводы насосов различного назначения, вентиляторов, дымососов, эксгаустеров, турбокомпрессоров, т.е. турбомеханизмов, имеющих «вентиляторный» характер нагрузки, работающих в длительном режиме и не требующих высокой динамики управления. К этим рабочим машинам примыкают рабочие машины с постоянным моментом нагрузки, такие как мельницы, смесители, ру-доразмольное оборудование и другие машины. В совокупности с турбома-шинами эти машины составляют по количеству и суммарной мощности более 90 % парка всех электроприводов с в/в двигателями большой мощности. Уникальные электроприводы прокатных станов, шахтных подъемных машин и др., обладающих специфическими требованиями к электроприводу, в настоящей работе не учитывались.

Объективными причинами применения регулируемого электропривода для механизмов собственных нужд ТЭС и ТЭЦ является:

• переменный режим работы энергоблоков, что вызывает необходимость регулирования производительности основных механизмов энергоблоков: питательных насосов, дутьевых вентиляторов, дымососов, циркуляционных насосов; применяющееся регулирование средствами дросселирования ведет к значительному непроизводительному расходу электроэнергии; потери энергии в системах собственных нужд энергоблока достигают 16 %.

В области теплоснабжения весьма перспективно использование мощного регулируемого электропривода на сетевых и подкачивающих насосных станциях. Насосные установки для циркуляции и подачи теплоносителя - это массовые механизмы большой мощности, используемые на ТЭС, ТЭЦ и в коммунальных сетях теплоснабжения. Режимы теплоснабжения на РТС и ТЭЦ требуют изменения подачи воды в магистральные сети теплоснабжения. Реализация переменных режимов работы теплофикационных насосных станций необходима, т.к. отсутствие регулирования ведет к значительным потерям тепла и излишним затратам энергии на циркуляцию горячей воды.

Второй значительной областью применения мощных регулируемых электроприводов является водное хозяйство, прежде всего, водоснабжение и канализация. Центробежные насосы являются распространенной рабочей машиной во всех отраслях хозяйства. Большинство насосных станций водоснабжения и канализации работают с переменной производительностью, определяемой графиком дневного и ночного водопотребления.

В коммунальном хозяйстве в/в двигателями мощностью 400-5000 кВт оснащаются насосы I и II подъемов, районные и центральные канализационные станции. Регулирование производительности насосных станций производится неэкономичными способами: числом работающих насосов и дросселированием. Применение дросселирования связано также с необходимостью согласования £)-Н характеристик насоса с характеристикой напорного трубопровода. Прогноз экономии электроэнергии за счет применения регулируемого электропривода насосных агрегатов по данным

ВНИИВодгео составляет: в коммунальном хозяйстве - 3,0 млрд.кВт.ч/год; в промышленности - 2,2 млрд.кВт.ч/год.

Наибольший объем перекачки воды приходится на промышленные объекты, где превалируют системы оборотного водоснабжения. Количество в/в электродвигателей насосных агрегатов в системах водоснабжения на предприятиях металлургии, химической и нефтехимической промышленности составляет около 1/3 в/в двигателей, эксплуатируемых на предприятиях этих отраслей.

В металлургической промышленности используются в/в электроприводы с двигателями переменного тока для привода турбомеханизмов.

В доменном производстве: для привода газодувок мощностью 12-60 МВт; для привода кислородных турбокомпрессоров мощностью 6-12 МВт.

В агломерационном производстве: для привода эксгаустеров мощностью 1,3-3,0 МВт; для привода дымососов мощностью 1,2-8,0 МВт; для привода воздуходувок мощностью 4,0-5,0 МВт.

В кислородно-конверторных цехах для электропривода турбомеханизмов используются быстроходные синхронные двигатели большой мощности 1,75-18 МВт. В настоящее время указанные турбомеханизмы оснащены нерегулируемым электроприводом. Регулирование производительности либо не производится, либо осуществляется неэкономичными способами. Кроме того существуют трудности с пуском двигателей особо большой мощности. Применение тиристорных пусковых устройств не в полной мере решает задачи плавного пуска с ограничением пусковых токов. Во избежание снижения надежности оборудования число прямых пусков мощных двигателей ограничено нормативами. Использование частотного пуска снимает все ограничения, связанные с пусковыми режимами.

Для привода турбокомпрессоров, скорость вращения рабочего колеса которого составляет 6000 об/мин и выше, перспективно использование высокоскоростных электроприводов с преобразователями частоты с частотой 100 Гц и более, что позволит исключить механические мультипликаторы.

В горнодобывающей промышленности использование в/в регулируемого электропривода целесообразно для шахтных вентиляторов главного проветривания, насосных агрегатов и механизмов обогатительных фабрик и рудоразмольных производств (дробилки и мельницы).

Целесообразность регулируемого электропривода шахтных вентиляторов связана с высокой энергоемкостью проветривания шахт. Эти вентиляторы работают в непрерывном круглосуточном режиме, и их мощность достигает нескольких тысяч киловатт. Изменение производительности шахтных вентиляторов технологически необходимо. Для шахтных вентиляторов существует проблема обеспечения их пуска, связанная с большим моментом инерции механизма и с необходимостью ограничения ускорений и исключения колебаний момента двигателя во избежание поломок лопастей рабочего колеса.

Значительную область применения регулируемого привода составляют буровые насосы, используемые в установках бурения на нефть и газ.

Вторую группу массовых механизмов в горнодобывающей отрасли, где требуется использование мощного регулируемого электропривода пе-

ременного тока, составляет дробильно-размольное оборудование: дробилки, стержневые, шаровые мельницы и др. Необходимость применения в/в преобразователей частоты в электроприводах этих машин определяется, в первую очередь, условиями пуска. Большой момент трогания и высокий момент инерции (тяжелый пуск) не допускают применения тиристорных пусковых устройств. В то же время большая мощность электроприводов требует ограничения пусковых токов. Радикальным способом является частотный пуск двигателей. Регулирование скорости вращения мельниц позволяет экономить электроэнергию и обеспечить требуемое качество помола материала. Аналогичная ситуация характерна для механизмов цементной промышленности: мельниц и вращающихся печей.

В химической и нефтехимической промышленности применение в/в регулируемого электропривода перспективно для следующих групп механизмов: насосов; турбокомпрессоров; мощных поршневых компрессоров; мешалок полимерных материалов; резиносмесителей и ряда других. Регулирование производительности мощных поршневых компрессоров в настоящее время производится неэкономичными методами (отжатием клапанов, байпасированием и др.). Изменение производительности регулированием скорости вращения свободно от этих недостатков. Частотное регулирование снимет проблемы тяжелого пуска мощных поршневых машин.

Для рабочих машин типа мешалок и смесителей регулирование производительности реализуется использованием регулируемых электроприводов постоянного тока. Для химических производств использование машин постоянного тока нежелательно ввиду агрессивности окружающей среды и токопроводящей пыли. Замена приводов постоянного тока на регулируемые электроприводы переменного тока очевидна.

За рубежом широкое применение в/в частотно-регулируемого электропривода характерно для трубопроводного транспорта газа и нефти, нефтепродуктов и жидких химических продуктов. Регулируемый электропривод насосных агрегатов на перекачивающих станциях магистральных и местных нефтепроводов и продуктопроводов позволяет избежать непроизводительных затрат энергии, связанных с дросселированием, сократить число пусков мощных насосных агрегатов, обеспечить их плавный пуск и останов, что существенно повышает надежность оборудования.

Общая оценка потенциальной потребности в регулируемых приводах большой мощности на период до 2020 года сведена в табл. 1.

__Таблица 1

№ Отрасль хозяйства Оценка потребности

№ Единиц Суммарная мощность МВт

1 Электроэнергетика 4240 3825

2 Теплоснабжение 1470 1235

3 Водоснабжение и канализация 700 1510

4 Металлургия 190 1000

5 Горнодобывающая 810 1380

6 Цементная 160 170

7 Химическая и нефтехимическая 630 1550

Общая потребность 8200 10670

Проведенные анализ и расчеты показывают:

1. Общая потребность в в/в преобразователях частоты для электропривода может быть оценена в перспективе до 2020 года количеством 8200 единиц, суммарной установленной мощностью около 10 тыс. МВт.

2. Применение в/в регулируемых электроприводов дает ориентировочную величину экономии электроэнергии порядка 13,0 млрд.кВтч/год.

3. Приведенная оценка носит оптимистический характер, и ее реализация во много зависит от темпов развития экономики страны, объема инвестиций и других объективных обстоятельств.

Во второй главе рассмотрены особенности построения в/в регулируемого электропривода переменного тока. Основной научно-технической проблемой при создании мощных преобразователей частоты для питания электродвигателей напряжением 6,0 и 10 кВ была и остается задача поиска оптимальной топологии преобразователей, которая должна обеспечивать:

• минимальную себестоимость преобразователей

• возможность использования стандартных по параметрам синхронных и асинхронных двигателей напряжением 6,0 и 10 кВ;

• достижение удовлетворительной формы выходного напряжения (тока), при которой не требуется снижение нагрузочной способности двигателей и усиление изоляции обмоток;

• минимизация вредного воздействия на питающую сеть (реактивная мощность, искажение тока, высокочастотные помехи);

• высокий к.п.д. преобразования энергии;

• конструктивную и эксплуатационную надежность.

При решении указанных задач выявились различные направления создания преобразователей частоты, что привело к разнообразию топологических и аппаратных решений. Поиск оптимальных технических решений связан с двумя основными проблемами:

Первая: проблема высокого напряжения. Входное и выходное напряжение в/в преобразователей превышает допустимое напряжение полупроводниковых управляемых приборов (ключей), что определяет необходимость последовательного включения отдельных ключей, либо структурных узлов на их основе. Вторая - проблема качества электроэнергии. Для в/в электроприводов искажение формы выходныго тока и напряжения, а также величин перенапряжений и скоростей нарастания тока и напряжения имеет существенно большее значение, чем для низковольтных электроприводов, что связано с вредным воздействием этих параметров на приводной электродвигатель. Применение выходных фильтров ухудшает массогабаритные и стоимостные показатели электрооборудования. Для решения проблемы высокого напряжения применяются следующие технические решения:

1. Использование двух силовых трансформаторов, один из которых понижает напряжение питающей сети до уровня 690 В. Преобразователь частоты выполняется на низком напряжении, а выходное напряжение преобразователя повышается вторым повышающим трансформатором.

2. Последовательное включение управляемых полупроводниковых ключей в каждом плече мостового инвертора.

3. Деление выпрямленного напряжения на конденсаторах для создания трех или четырех уровней напряжения и последовательное включение инверторов — многоуровневые преобразователи.

4. Последовательное по выходу включение однофазных низковольтных преобразователей с питанием каждого преобразователя от отдельных обмоток многообмоточного входного трансформатора - многоуровневый преобразователь с каскадным включением инверторов.

Формирование синусоидального напряжения и тока на выходе преобразователя производится способом широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Регулирование величины (амплитуды) выходного напряжения также производится методом ШИМ. В схемах с многоуровневыми и каскадными преобразователями благодаря специальным алгоритмам ШИМ по каждому уровню напряжения удается достигнуть существенно лучшей формы выходного напряжения. В большинстве используемых топологий применяются входные трансформаторы, что позволяет гальванически разделить преобразователь от питающей сети и улучшить электромагнитную совместимость преобразователя с сетью.

Для сопоставительного анализа вариантов топологий в/в преобразователей частоты были приняты следующие 6 схем (рис. 1).

Первая схема имеет топологию, аналогичную низковольтным преобразователям частоты. Несмотря на простоту схемы, она имеет ряд существенных недостатков.

Идея многоуровневой топологии (схема 2) заключается в делении напряжения в звене постоянного тока на конденсаторах и последовательном включении групп полупроводниковых ключей на транзисторах или тиристорах с комбинированным управлением. При этом вдвое уменьшается величина коммутируемого напряжения и достигается улучшение формы выходного напряжения, что сокращает мощность выходного фильтра.

Топология 3 отличается от рассмотренной топологии трехуровневого инвертора отказом от входного трансформатора. При этом выпрямитель выполняется на управляемых полупроводниковых приборах IGBT или IGCT. В результате получается активный выпрямитель, оказывающий минимальное вредное влияние на питающую сеть.

Топология 4 - двухтрансформаторное построение схемы в/в преобразователя. Смысл этой топологии - выполнить преобразование частоты на двухуровневом низковольтном (690 В) преобразователе.

Перспективной является топология 5, где деление напряжения, с целью повышения числа уровней, производится посредством многообмоточного входного трансформатора. Преобразователь на 6,0 кВ содержит 15 однофазных преобразователей частоты, каждый с максимальным выходным напряжением 690 В. Силовая ячейка - инвертор напряжения (рис. 2) питается трехфазным напряжением от отдельных обмоток трансформатора, соединенных в треугольник. Пять инверторов по выходу соединены последовательно (рис. 3), образуя фазу выходного напряжения с максимальным напряжением 3450 В. Линейное напряжение будет 6000 В.

Посредством системы управления фазы напряжения отдельных инверторов сдвинуты на 12°эл., что обеспечивает компенсацию высших гармо-

ник в кривой выходного напряжения. При этом напряжение и ток на выходе преобразователя имеют практически синусоидальную форму. Возможно выполнение преобразователя на 10 кВ, за счет увеличения числа инверторов до 24.

ПЧ с двухуровневым инвертором напряжения на ЮВТ

ювт

ПЧ с трехуровневым инвертором напряжения на ЮВТ или ЮСТ

юст

ПЧ с активным выпрямителем и трехуровневым инвертором напряжения на ЮВТ или ЮСТ

юст

ПЧ по двухтрансфторматорной схеме с низковольтным инвертором

напряжения

Тр1

<5>

*

+

± Т

+

Ф2

Тр2

м

ПЧ с многообмоточным трансформатором и каскадным соединением

инверторных модулей

__Тр цч

3

с с с с

VI5 обмоток

ПЧ с ШИМ выпрямителем и ШИМ инвертором тока на Б ОСТ

Рис. 1. Основные схема высоковольтных преобразователей частоты

Создание тиристоров с комбинированным управлением дало возможность строить инверторы тока с использованием метода ШИМ для получения синусоидальной формы выходного тока. В топологии 6 в состав преобразователя входят трансформатор, управляемый выпрямитель, выполнен-

ный для лучшей совместимости с питающей сетью на БСЗСТ, реактор фильтра, автономный инвертор тока на БвСТ с ШИМ и выходной С-фильтр. Частота тока регулируется инвертором, а величина тока - управляемым выпрямителем. ШИМ в инверторе тока имеет свои особенности. Прерывание тока в нагрузке производится одновременным включением ключей в анодной и катодной группе для каждой фазы инвертора. Исключение перенапряжений при этом достигается посредством С-фильтра.

Рис.2. Схема силового блока каскадного пре- Рис.3. Принцип сложе-образователя частоты ния напряжений в пре-

образователе на 6 кВ

Третья глава посвящена исследованию гармонического состава выходного напряжения и тока в/в преобразователей частоты.

Различные схемные построения инверторов напряжения и тока приводят к различному составу высших гармонических на выходе преобразователя, что определяет мощность и стоимость выходных фильтров, которые необходимо предусматривать в составе электропривода.

Непременным требованием к в/в преобразователям является обеспечение качества выходной электроэнергии требованиям ГОСТ13109-97, т.е. полный коэффициент гармоник (ТНО) по напряжению и току не должен превышать 5-8 % во всех режимах работы. Это достигается установкой в необходимых случаях фильтров с соответствующими параметрами.

При проведении исследования решались следующие задачи: определение гармонического состава выходных напряжения и тока преобразователей при различной топологии и определение параметров фильтров, которые позволяют снизить ТНО до допустимых значений. Исследование проводилось методом компьютерного моделирования.

Асинхронный двигатель в модели представлен Г-образной схемой замещения. Параметры активного сопротивления и индуктивностей соответствуют параметрам схем замещения асинхронных двигателей мощностью 800, 1250, 3200 кВт, напряжением 6,0 кВ.

Управление инвертором производится ШИМ модулятором, который формирует последовательность управляющих импульсов, подаваемых на управляющие электроды ключей инверторов. Ширина импульсов формируется в соответствии с заданным индексом модуляции и частотой инвертора. Величина индекса модуляции пропорциональна величине выходного напряжения и выходной частоте.

ШММ

система управления

Т 1 1 Нагрузка

Рис.4

Модель частотно-регулируемого асинхронного электропривода с двухуровневым инвертором напряжения дана на рис.4.

Модель инвертора тока с ШИМ отличается применением управляемого выпрямителя, Ь-фильтра в звене постоянного тока и С-фильтра на выходе преобразователя. Система управления инвертором тока с ШИМ предусматривает управление ключами таким образом, чтобы не допустить разрыв цепи постоянного тока в моменты коммутации.

Для ослабления высших гармоник до требуемого уровня включают фильтр - пассивный четырехполюсник, который пропускает частоты ниже частоты среза без существенного ослабления и уменьшает амплитуды частот выше частоты среза. Прияты /"-образные ¿-С-фильтры. Индуктивность Ь определяется, исходя из заданной (4 %) величины падения напряжения на фильтре. Емкость фильтра рассчитывается, исходя из заданной частоты среза. Полученные данные уточнялись в процессе моделирования.

В результате моделирования получены осциллограммы напряжения и тока и спектр гармоник, на основе которых рассчитаны коэффициенты ТНО. Всего получено 660 осциллограмм.

Моделирование проводилось для всех рассматриваемых топологий в/в преобразователей частоты, для инверторов напряжения без выходного фильтра и с выходным синусным фильтром. При моделировании рассматривались осциллограммы для трех значений частот выходного напряжения (тока) - 50, 30, 15 Гц при пропорциональном изменении выходного напряжения, а также при различных значениях частоты ШИМ. В качестве примера на рис.5 показаны осциллограммы напряжения и тока для трехуровневого преобразователя.

Наихудшие значения коэффициента искажения имеют двухуровневые инверторы напряжения. Их использование без выходного фильтра недопустимо. Коэффициент ТНО(и) для трехуровневых инверторов имеет значения, превосходящие допустимые, но требуемая мощность выходных фильтров будет примерно на 40 % меньше. Многоуровневые инверторы напряжения с многообмоточным трансформатором имеют формы выходного напряжения и тока, близкие к синусоидальным. Для инверторов тока с ШИМ установка выходных С-фильтров обязательна. Требуемая мощность

Рис.5. Напряжение, ток нагрузки и спектр гармоник напряжения при частоте ШИМ 1500 Гц и частоте инвертора 30 Гц

конденсаторов составляет 125-175 % номинальной реактивной мощности двигателя. Для всех типов преобразователей частоты определены параметры фильтров.

В главе 4 проведено технико-экономическое сопоставление в/в преобразователей частоты, выполненных по различным вариантам топологий. Сравнение производилось для преобразователей номинальным напряжением 6,0 кВ для электроприводов переменного тока в наиболее представительном диапазоне мощностей 800-3200 кВт. Для каждого типоразмера преобразователя рассматривалась силовая часть, состоящая из выпрямителя, инвертора, трансформаторно-реакторного оборудования, конденсаторов фильтра в цепи постоянного тока и выходных синусных Ь-С фильтров. В качестве силовых полупроводниковых ключей принимались ключи, выполненные на ЮВТ или ЮСТ приборах. Мощность выходных фильтров принималась такой, чтобы гармонический состав выходного напряжения соответствовал бы нормативным значениям ГЯО< 5%. Стоимость микропроцессорной системы управления принималась одинаковой для всех типов преобразователей.

Результаты анализа показывают, что наиболее дешевые преобразователи, выполненные по топологии I «Бестрансформаторный выпрямитель -двухуровневый инвертор» и по топологии V «Многообмоточный входной трансформатор - многоуровневый инвертор». Наиболее дорогие - преобразователи по топологии VI «Входной трансформатор, управляемый выпря-

митель - инвертор тока с ШИМ» и по топологии IV «Двухтрансформатор-ный преобразователь с двухуровневым низковольтным инвертором».

Достоинством топологии I с бестрансформаторной схемой и двухуровневым инвертором является низкая стоимость. Для этой схемы характерны существенные недостатки: низкая надежность, связанная с тем, что ключи должны выдерживать полное напряжение, плохая совместимость с питающей сетью, необходимость выходных фильтров большой мощности невозможность исполнения на 10 кВ, большие габариты и масса.

Достоинствами топологии II с трехуровневым инвертором являются: силовые ключи рассчитаны на половину напряжения, хорошая электромагнитная совместимость с питающей сетью, хорошее качество выходного напряжения при незначительном выходном фильтре. Недостатки - недостаточная надежность, связанная с большим числом силовых полупроводниковых ключей, сложность выполнения преобразователя на 10 кВ.

Топология III с активным выпрямителем и трехуровневым инвертором имеет хорошую совместимость с питающей сетью, достаточно хорошую форму выходного напряжения при слабом синусном фильтре, полупроводниковые ключи работают при половинном напряжении. Недостатки схемы: большое число управляемых полупроводниковых приборов, высокая стоимость, невозможность исполнения на 10 кВ.

Топология IV, выполненная по двухтрансформаторной схеме, имеет высокую надежность, удовлетворительную совместимость с питающей сетью, возможность выполнения на 10 кВ. Недостатками являются высокая стоимость, большие габариты и масса, пониженный к.п.д.

Топология V с входным многообмоточным трансформатором и каскадным многоуровневым инвертором обладает существенными достоинствами: хорошей совместимостью с питающей сетью; практически синусоидальным напряжением; высокой надежностью, поскольку преобразование производится на низком напряжении; возможностью исполнения на 10 кВ; низкой стоимостью. Основным недостатком данной топологии является сложность входного трансформатора, имеющего 45 вторичных обмоток.

Преобразователи частоты на базе инвертора тока с ШИМ (топология VI) имеют хорошую совместимость с питающей сетью, высокую надежность, связанную с отсутствием высоковольтных электролитических конденсаторов, возможность рекуперативного торможения. Недостатками преобразователей этого типа являются большая стоимость и массогабаритные показатели, и невозможность питания более чем одного двигателя.

Решаемая в работе задача - выбор наилучшего варианта построения в/в преобразователя частоты для регулируемых электроприводов является задачей многокритериального выбора, поскольку ее решение связано с оценкой рассматриваемых вариантов по нескольким показателям технического и экономического характера. К таким показателям относятся: стоимость, эксплуатационная надежность, качество энергии, подаваемой на приводной электродвигатель, электромагнитная совместимость с питающей сетью, к.п.д., массогабаритные показатели. Указанные показатели не всегда могут быть выражены в численном виде и не являются одинаково значимыми для потребителя (ранг значимости).

Таблица 3

Сводная таблица результатов сравнения вариантов топологий в/в преобразователей частоты методом многокритериальной эвристической оценки

№№ "——._____ Варианты Варианты ----_ V III II VI IV I Итоговая оценка

1 V Многообмоточный входной трансформатор, многоуровневый каскадный инвертор \ L L mL mL mL 8

2 III Бестрансформаторный активный выпрямитель, трехуровневый инвертор X \ R L mL mL 4

3 II Входной трансформатор, неуправляемый выпрямитель, трехуровневый инвертор X R \ L mL mL 4

4 VI Входной трансформатор, управляемый выпрямитель, инвертор тока с ШИМ шХ X X \ L mL -1

5 IV Двухтрансформаторнах схема с низковольтным двухуровневым инвертором шХ тХ тХ X \ L -6

6 I Бестрансформаторный выпрямитель, двухуровневый инвертор шХ тХ тХ тХ X \ -9

Для объективного сравнения вариантов топологий была использована компьютерная экспертная система многокритериального выбора и принятия решения Cordes, основанная на эвристических принципах на базе нечеткой логики. В основу функционирования системы положен тезис о том, что при сравнении двух объектов по одному показателю эксперт всегда достаточно уверенно определит, какой из объектов лучше или хуже в 5-уровневой вербальной форме (много лучше mL, лучше L, равно R, хуже X, много хуже тХ. Также эксперт может оценить значимость отдельных критериев для потребителя, проведя их ранжирование также по пятиуровневой шкале А, В, С, D, Е (по убыванию). Результат сопоставления дан в табл. 3.

В главе 5 приводятся сведения об использовании полученных в диссертации рекомендаций для создания промышленных регулируемых электроприводов большой мощности.

В 2009г. был сдан в эксплуатацию регулируемый в/в привод сетевого насоса котельной № 4 г.Одинцово Московской обл. В этой установке приводной асинхронный двигатель ДАВ-315-4У мощностью 315 кВт напряжением 6,0 кВ питается от в/в преобразователя частоты ВЧРП-06/040-А, выполненного по схеме многоуровневого инвертора напряжения с многообмоточным трансформатором (топология V).

В/в преобразователь ВЧРП-06/100 был применен при реконструкции Центральной котельной г.Астрахани в составе системы управления группой сетевых насосных агрегатов. Насосная станция включает 4 насосных агрегата с двигателями типа АЧ-400-493 бЗОкВТ, 6,0 кВ. Станция группового управления позволяет подключать преобразователь частоты к любому электродвигателю. Это дает возможность производить плавный пуск насосного агрегата и регулировать производительность насосной станции.

ЗАО «Привод-Инжиниринг» выполнен проект реконструкции насосной станции второго подъема ЗАО «Челныводоканал». Проект предусматривает замену двух насосных агрегатов на агрегаты меньшей мощности с двигателями 800 кВт, 6,0 кВ и использование в/в преобразователя частоты типа ВЧРП-06/100-А для регулирования скорости и производительности насосных агрегатов. Проект находится в стадии реализации.

Для подготовки специалистов по применению и эксплуатации в/в преобразователей частоты разработан, изготовлен и введен в эксплуатацию учебно-лабораторный стенд с физической моделью в/в преобразователя частоты, выполненного по топологии многоуровневого инвертора напряжения с многообмоточным трансформатором.

Важным вопросом для обеспечения эксплуатационной надежности в/в преобразователей частоты является обеспечение сохранения их в работе при отказе одной силовой ячейки. В преобразователе частоты с многоуровневым инвертором напряжения эта задача решается шунтированием вышедшей из строя силовой ячейки силовым полупроводниковым ключом. Был разработан способ управления таким ключом, на который получен патент № 2397597 «Способ аварийного управления силовой ячейкой высоковольтного преобразователя частоты». Для повышения надежности работы в/в преобразователей частоты, выполненных по топологии с многообмоточным трансформатором было предложено введение контроля температуры обмоток трансформатора, с возможностью автоматического снижения нагрузки преобразователя при повышении температуры над заданной уставкой. На данное решение получен патент на полезную модель.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Выполнен прогноз потребности в в/в регулируемых электроприводах переменного тока большой мощности (свыше 400 кВт) на период до 2020 года. Перспективная потребность основных отраслей хозяйства страны может быть оценена количеством порядка 8200 единиц установленной мощностью около 10 тыс. МВт. Использование указанного количества в/в регулируемых электроприводов даст ориентировочную экономию электроэнергии порядка 13,0 млрд.кВтч/год.

2. Для организации отечественного производства наукоемкой продукции, которой являются в/в полупроводниковые преобразователи частоты для электропривода, необходимо выбрать топологию построения силовой части преобразователя. Был проведен анализ топологий в/в ПЧ по следующим вариантам:

I бестрансформаторный выпрямитель, двухуровневый инвертор напряжения;

П входной трансформатор, неуправляемый выпрямитель, трехуровневый инвертор напряжения;

Ш бестрансформаторный активный выпрямитель, трехуровневый инвертор напряжения;

IV двухтрансформаторная схема с низковольтным двухуровневым инвертором и повышающим трансформатором;

V входной многообмоточный трансформатор, каскадное включение однофазных низковольтных инверторов;

VI управляемый выпрямитель, инвертор тока с ШИМ.

3. Проведено компьютерное моделирование рассмотренных вариантов топологий в/в преобразователей частоты с целью анализа гармонического состава выходных напряжений и токов и определения параметров выходных фильтров. Наихудшие значения коэффициента искажения имеют двухуровневые инверторы напряжения. Их использование без выходных фильтров недопустимо. Трехуровневые инверторы напряжения также требуют выходных фильтров, однако их мощность будет примерно на 40% меньше, чем для двухуровневых. Каскадные многоуровневые инверторы напряжения с многообмоточным трансформатором имеют форму выходного напряжения и тока, близкую к синусоидальной. Инверторы тока с ШИМ требуют установки С-фильтров значительной мощности.

4. Определены достоинства и недостатки рассмотренных вариантов в/в преобразователей частоты, на основе чего проведена их многокритериальная оценка. Оценка проводилась по следующим технико-экономическим показателям: себестоимости, эксплуатационной надежности, качества электроэнергии на выходе преобразователя, электромагнитной совместимости с питающей сетью, к.п.д., массогабаритным показателям. Оценка производилась на основе методики эвристической многокритериальной оценки с использованием нечеткой логики.

5. В результате проведенного всестороннего сопоставления вариантов топологий выработаны следующие рекомендации:

• Для массового применения для регулируемых в/в электроприводов широкого класса рабочих машин наилучшими показателями обладают преобразователи, выполненные по топологии «Многообмоточный входной трансформатор с многоуровневым каскадным соединением инверторов».

• Перспективной по мере повышения параметров силовых полупроводниковых приборов является топология «Бестранформаторный активный выпрямитель, трех(четырех)уровневый инвертор напряжения».

• Преобразователи, выполненные по топологии «Входной трансформатор, управляемый выпрямитель, инвертор тока с ШИМ», несмотря на свою высокую стоимость, могут найти применение для особо ответственных установок мощностью свыше 2500 кВт.

6. Рекомендации, полученные в работе, были использованы при создании промышленных регулируемых электроприводов большой мощности. Создан учебно-лабораторный стенд с физической моделью в/в преобразователя частоты, выполненного по топологии «Многоуровневый инвертор напряжения с многообмоточным трансформатором».

Публикации автора по теме диссертации, научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК

1. Краснов, Д.В. Оценка потребности в высоковольтных регулируемых электроприводах переменного тока/ Краснов Д.В., Онищенко Г.Б. // Изв. ТулГУ. техн. наука, вып. 3, часть 1., 2010, С.73-82.

2. Краснов, Д.В. Оценка потребности в высоковольтных регулируемых электроприводах переменного тока / Краснов Д.В., Онищенко Г.Б. // Приводная техника, 2008, № 6, с.3-13.

3. Краснов Д.В. Особенности топологии высоковольтных преобразователей частоты для регулируемого электропривода переменного тока/ Краснов Д.В. // Приводная техника. 2009. № 5, с. 18-27.

4. Краснов, Д.В. Энергосбережение средствами электропривода/ Краснов Д.В., Онищенко Г.Б. // Энергосбережение и водоподготовка, 2011, № 5, с 3-1.

Публикации в других изданиях

5. Краснов, Д.В. Исследование гармонического состава выходного напряжения и тока высоковольтных преобразователей частоты/ Краснов Д.В., Онищенко Г.Б. // Приводная техника, 2011, № 3, с.2-12.

Патенты

6. Патент РФ на изобретение № 2397597 «Способ аварийного управления силовой ячейкой высоковольтного преобразователя частоты» /Краснов Д.В., Рязанцев A.A., Губанов О.В., / Приоритет от 6 апреля 2009.

7. Патент РФ на полезную модель № 85275 «Высоковольтный преобразователь частоты» /Краснов Д.В., Рязанцев A.A., Губанов О.В., Лазарев Г.Б./ Приоритет от 6 апреля 2009.

Личный вклад автора

В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат: расчет потребности в высоковольтных регулируемых электроприводах [1], оценка экономической эффективности [4], постановка задачи [6,7].

Подписано в печать 12.04.2012. Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная. _Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 214.

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И ОЦЕНКА ПОТРЕБНОСТИ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

1.1. Исходные предпосылки.

1.2. Эффективность использования высоковольтных регулируемых электроприводов в энергетике.

1.3. Эффективность использования высоковольтных регулируемых электроприводов в водном и коммунальном хозяйствах.

1.4. Эффективность использования высоковольтных регулируемых электроприводов в металлургической промышленности

1.5. Эффективность использования высоковольтных регулируемых электроприводов в горнодобывающей промышленности

1.6. Эффективность использования высоковольтных регулируемых электроприводов в химической промышленности.

1.7. Прогноз потребности в высоковольтных регулируемых электроприводах.

Выводы по главе.

Глава 2. ОСОБЕННОСТИ ТОПОЛОГИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

2.1. Общие принципы построения высоковольтных регулируемых электроприводов.

2.2. Топология преобразователей частоты с автономными инверторами тока.

2.3. Топология преобразователей частоты с инвертором напряжения.

Выводы по главе.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГАРМОНИЧЕСКОГО СОСТАВА ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ.

3.1. Цель и задачи исследования.

3.2. Описание имитационных моделей преобразователей частоты.

3.3. Определение параметров схем замещения асинхронных двигателей и трансформаторов.

3.4. Методика определения параметров фильтров.

3.5. Результаты исследования гармонического состава выходного напряжения и тока высоковольтных преобразователей частоты.

3.5.1. Результаты моделирования ПЧ с двухуровневым инвертором напряжения на IGBT.

3.5.2. Результаты моделирования трехуровневого инвертора.

3.5.3. Результаты моделирования ПЧ с многообмоточным трансформатором и каскадным соединением инверторных модулей (многоуровневый инвертор напряжения).

3.5.4. Результаты моделирование ПЧ по двухтрансформа-торной схеме с низковольтным инвертором напряжения.

3.5.5. Результаты моделирования ПЧ с ШИМ выпрямителем и ШИМ инвертором тока на SGCT с ёмкостным фильтром.

Выводы по главе.

Глава 4. СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТОПОЛОГИЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

4.1. Задачи сопоставительного анализа.

4.2. Расчет элементов силовой части высоковольтных преобразователей частоты.

4.3. Сопоставление вариантов топологий высоковольтных преобразователей частоты по стоимостным показателям.

4.4. Оценка характеристик высоковольтных преобразователей частоты для электропривода, выполненных по различным топологиям.

4.5. Выбор наилучшего варианта топологии с использованием эвристической системы принятия решений на базе нечеткой логики.

Выводы по главе.

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ СОПОСТАВИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА.

5.1. Промышленная серия преобразователей частоты ВЧРП

5.2. Учебный стенд многоуровневого преобразователя частоты.

5.3. Опытно-промышленный регулируемый электропривод сетевого насоса (насосная станция г. Одинцово).

5.4. Проект: Насосная установка 2-го подъема ЗАО «ЧЕЛ-НЫВОДОКАНАЛ».

5.5. Проект: Центральная котельная г.Астрахань.

5.6. Патенты на полезную модель «Высоковольтный преобразователь частоты».

5.6.1. Патент на полезную модель «Высоковольтный преобразователь частоты».

5.6.2. Патент на изобретение «Способ аварийного управления силовой ячейкой высоковольтного преобразователя частоты».

Энергосбережение является наиболее эффективным путем решения энергетических проблем, как во всем мире, так и в нашей стране. Это универсальный, инвестиционно привлекательный, экономически оправданный способ исключения дефицита электроэнергии и первичных энергетических ресурсов. Кроме того, энергосбережение наиболее экономично решает важные проблемы экологии, поскольку последствием всех энергосберегающих мероприятий является сокращение вредных выбросов в окружающую среду.

Для России энергосбережение особенно актуально, учитывая, что наша страна имеет весьма высокую удельную энергоемкость экономики, превосходящую в 3 и более раз аналогичный показатель развитых стран, (в 2,3 раза в целом по миру). Большая энергоемкость ВВП непосредственно сказывается на недостаточном уровне конкурентоспособности отечественной продукции. Для России потенциал энергосбережения весьма велик - он составляет более 40% от общего энергопотребления [58].

Среди многих направлений энергосбережения важное место занимает энергетическая оптимизация технологических процессов на основе использования автоматизированного регулируемого электропривода во многих отраслях хозяйства, что подтверждаестя мировым и отечественным опытом [31, 35,45, 66].

Как правило, в большинстве технологических установок, в энергетике, промышленности, коммунальном хозяйстве и других отраслях приводные электродвигатели имеют установленную мощность, рассчитанную на максимальную производительность оборудования, в то время как на практике режимы работы с максимальными параметрами составляют не более 10%; общего времени работы оборудования. Используемые для осуществления режимов работы со сниженными параметрами механические, гидравлические и другие способы регулирования являются неэкономичными с точки зрения энергопотребления, что ведет к значительным непроизводительным затратам электрической энергии. Электродвигатели, работающие с постоянной скоростью вращения, потребляют до 35% больше электроэнергии, чем это требуется для обеспечения оптимального технологического процесса [34].

Кроме прямой экономии электроэнергии применение регулируемого электропривода дает еще ряд существенных эксплуатационных преимуществ, главные из которых

• оптимизация самого технологического процесса;

• автоматизация технологических процессов;

• сокращение числа прямых пусков электродвигателей и уменьшение пусковых токов;

• исключение механических воздействий и гидравлических ударов при пуске оборудования;

• увеличение межремонтного срока службы оборудования.

Эти преимущества иногда трудно поддаются прямой экономической оценке, однако они являются существенным фактором обоснования технико-экономической эффективности, достигаемой при использовании регулируемого электропривода. Достижение этой эффективности также подтверждается широким мировым и отечественным опытом.

В последнее десятилетие XX века и в начале XXI века началось массовое применение регулируемого электропривода во всех сферах его использования. Однако, это коснулось, в первую очередь, электроприводов с низковольтными двигателями переменного тока мощностью до 250 кВт. В этой области топология и технология производства преобразователей частоты уже хорошо отработаны, налажено серийное производство электроприводов многими зарубежными и отечественными фирмами. Годовой объем производства низковольтных частотнорегулируемых приводов составляет около 0,5 млн. шт. в год.

Иначе обстоит дело с электроприводами большой мощности на базе высоковольтных (6.0 и 10.0 кВт) двигателей переменного тока. Технические сложности создания высоковольтных преобразователей частоты и их высокая стоимость ограничивали масштабное производство и использование мощных высоковольтных регулируемых электроприводов переменного тока.

Ситуация принципиально изменилась с созданием и появлением на рынке мощных силовых полностью управляемых полупроводниковых приборов с высокими значениями рабочих напряжений. (IGB -транзисторов, запираемых GTO-тиристоров, тиристоров с комбинированным управлением ЮСТ и SGCT).

К началу столетия ведущие зарубежные фирмы освоили серийное производство высоковольтных преобразователей частоты с необходимыми техническими характеристиками, и началось внедрение мощных регулируемых электроприводов, в первую очередь для мощных турбомеханизмов (насосов, вентиляторов, турбокомпрессоров), дробильно-размольного оборудования, механизмов химической промышленности и др.

Мировой объем продаж зарубежных фирм в 2007 г. составил свыше 1,5 млрд. долларов (4600 единиц), динамика роста производства - около 30% в год [66].

Несмотря на уже накопленный в мировой практики опыт создания высоковольтных преобразователей частоты и мощных регулируемых электроприводов на их основе, еще не сложились оптимальные технические решения по их построению (топологии), продолжается поиск более эффективных технических решений, направленных на снижение стоимости этих приводов и лучшую электромагнитную совместимость высоковольтных преобразователей частоты с питающей сетью и питаемыми двигателями переменного тока. Основные разработчики и изготовители высоковольтных преобразователей частоты Allen Breadly, Siemens, ABB, General Electric, Toshiba, Mitshubishi и др. постоянно ведут модернизацию существующих и поиск новых технических решений.

В России создание и широкое использование высоковольтных регулируемых электроприводов переменного тока идет с большим отставанием, что связано, в первую очередь, с недостаточным вниманием к вопросам энергосбережения, достигаемого за счет применения мощного регулируемого электропривода. Разработка, производство и использование высоковольтных регулируемых электроприводов находятся еще на начальном этапе. Вместе с тем потенциальная потребность в этих электроприводах исключительно велика, и развитие соответствующей подотрасли электротехники является одной из первоочередных задач инновационного развития экономики страны.

Разработки и изготовление высоковольтных преобразователей частоты (главным образом по сборочной технологии) ведет ряд российских фирм: ОАО «Электровыпрямитель», (ПЧ типа ВПЧА), ООО «Л - Старт» (ПЧ типа ВПЧА), ОАО ВНИИР (ПЧ типа ЭПВ, АВВ-Бпуе), ЗАО «Энергокомплект» (ПЧ типа ЕК - АУ6), ЗАО «Эрасиб»(ПЧ типа ЭРАТОН - В), ООО «ЭЛСИБ» (ПЧ типа ЭЭВ), ОАО «Новая Эра» (ПЧ типа ВПЧ - 1250/3). ЗАО НТЦ «Приводная техника» (ПЧ типа ВЧРП).

Отечественные фирмы выпускают преобразователи частоты малыми партиями по различной топологии.

Задача создания, организации производства и широкого промышленного внедрения высоковольтных регулируемых электроприводов большой мощности имеет исключительно важное значение для экономики нашей страны, учитывая, что в мировой практике такие электроприводы производятся по несколько тысяч комплектов приводов в год. А отечественными фирмами - по несколько десятков единиц в год. Решение этой задачи будет способствовать уменьшению импортной зависимости и повышению экономической безопасности.

Для условий нашей страны создание и широкое использование энергосберегающих высоковольтных электроприводов переменного тока требует проведения исследований в ряде аспектов этой проблемы:

1. Определение реальной количественной потребности в электроприводах рассматриваемого класса с учетом технико-экономической целесообразности их применения для различных видов технологического оборудования.

2. Сопоставительный анализ различных технических решений по топологии высоковольтных преобразователей частоты с целью выбора перспективных вариантов для основных областей применения.

Указанные направления исследований определили содержание настоящей работы.

Целью работы является выбор оптимальной топологии высоковольтных регулируемых электроприводов переменного тока большой мощности для реализации энергосберегающих технологий в различных отраслях народного хозяйства.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Прогноз перспективной количественной потребности в высоковольтных регулируемых электроприводах переменного тока для основных отраслей промышленности, энергетики, коммунального и водного хозяйства с обобщенной оценкой достигаемого эффекта по энергосбережению.

2. Сопоставительный анализ различных технических решений по построению (топологии) высоковольтных преобразователей частоты с целью выбора наиболее эффективных для массового производства.

3. Исследование гармонического состава выходного напряжения (тока) высоковольтных преобразователей частоты как важнейшего фактора, определяющего энергетическую эффективность оборудования.

4. Выработка критериев сопоставительной оценки различных топологий высоковольтных преобразователей частоты с учетом энергетической эффективности вариантов.

5. Разработка методики выбора технически оптимального варианта топологии высоковольтных преобразователей частоты с учетом конкретных условий применения.

Решение указанных вопросов позволит определить как научно-техническую, так и практическую стороны рассматриваемой проблемы в их взаимосвязи, т.е. определить перспективное техническое содержание продукции и перспективы объемов ее выпуска. Важно отметить, что эти стороны проблемы являются взаимосвязанными. Объем (серийность) выпускаемой продукции существенным образом сказывается на ее содержании. Методы исследования.

Для решения поставленных задач использованы следующие методы:

• методы статистических исследований энергоемкости и количественной потребности в высоковольтных регулируемых электроприводах;

• методы математического моделирования электромагнитных процессов в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока при различной топологии преобразователей частоты (инверторы тока, напряжения, многоуровневые инверторы и др.);

• методы анализа гармонического состава периодических функций напряжения и тока;

• методы многокритериального эвристического анализа на базе нечеткой логики.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Прогноз количественной потребности и в высоковольтных регулируемых электроприводов переменного тока для основных отраслей хозяйства страны на перспективу до 2020 года.

2. Результаты сопоставительного анализа возможных вариантов топологии высоковольтных преобразователей частоты для электропривода.

Научная новизна:

• Впервые исследована перспективная потребность основных отраслей хозяйства в мощных энергосберегающих в/в регулируемых электроприводах переменного тока и получен прогноз потребности до 2020г.

• Выполнено исследование гармонического состава выходного напряжения и тока высоковольтных инверторов, позволяющее оценивать энергетическую эффективность вариантов построения автономных инверторов.

• Проведен многокритериальный сопоставительный анализ основных вариантов топологий построения высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов, позволяющий обосновать технические направления создания этого вида электроприводов в нашей стране.

Практическая полезность работы:

• разработана методика многокритериального анализа и выбора рациональной топологии построения в/в частотно-регулируемых электроприводов с учетом конкретных требований и областей их применения;

• предложены технические решения по построению многоуровневых преобразователей частоты, существенно повышающие их надежность. Указанные разработки защищены двумя патентами РФ.

Обоснованность и достоверность результатов и выводов диссертации обеспечивается широтой привлеченных источников для статистических исследований, использованием адекватных математических моделей и пакетов прикладных программ для исследования электромагнитных процессов, сопоставлением расчетных результатов с экспериментальными, полученными на промышленной установке.

Результаты работы реализованы при создании промышленных регулируемых электроприводов сетевого насоса котельной № 4 г.Одинцово, сетевых насосов Центральной котельной г.Астрахани, насосов 2 подъема Челны-водоканал и др.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на VI Международной конференции по автоматизированному электроприводу г.Тула, сентябрь 2010г., конференции Интерэлектро г.Москва, июнь 2010г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 печатные работы, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК, получены 2 патента на изобретения.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит Введение, 5 глав, Заключение, Список литературы и Приложение, изложенные на 168 стр. текста.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Задача создания отечественных мощных высоковольтных регулируемых электроприводов для основных отраслей хозяйства страны является исключительно важной для экономики нашей страны, т.к. позволяет решать масштабные задачи энергосбережения и повышения энергетической эффективности, повышать технический уровень технологических процессов в энергетике, химической, горной промышленности, металлургии, коммунальном хозяйстве и других отраслях.

2. Для организации отечественного производства наукоемкой продукции, которой являются высоковольтные полупроводниковые преобразователи частоты для электропривода, необходимо, в первую очередь, выбрать топологию построения силовой части преобразователя. Мировая практика не дает однозначного ответа, какое схемное построение является наилучшим.

3. Поиск оптимальных технических решений в части топологии высоковольтных преобразователей связан с решением двух основных проблем. Первая - коммутируемое полупроводниковыми ключами напряжение существенно превышает блокирующие возможности силовых полупроводниковых приборов, что определяет необходимость разделения напряжения на уровни и последовательного соединения полупроводниковых ключей. Вторая проблема связана с искажением формы выходного напряжения и тока и плохой электромагнитной совместимостью преобразователя с питающей сетью. Решение этих вопросов для высоковольтных преобразователей носит принципиальный характер.

4. Выполнен прогноз потребности в высоковольтных преобразователях частоты для регулируемого электропривода переменного тока большой мощности (свыше 400 кВт) на период до 2020 года. Перспективная потребность основных отраслей хозяйства страны может быть оценена количеством порядка 8200 единиц суммарной установленной мощностью около 10 тыс. МВт.

Использование указанного количества высоковольтных регулируемых электроприводов даст ориентировочную экономию электроэнергии около 13 млрд.кВтч/год.

5. Был проведен анализ топологий высоковольтных ПЧ по следующим вариантам:

I бестрансформаторный выпрямитель, двухуровневый инвертор напряжения;

II входной трансформатор, неуправляемый выпрямитель, трехуровневый инвертор напряжения;

III бестрансформаторный активный выпрямитель, трехуровневый инвертор напряжения;

IV двухстанформаторная схема с низковольтным двухуровневым инвертором и повышающим трансформатором;

V входной многообмоточный трансформатор, каскадное включение однофазных низковольтных инверторов;

VI управляемый выпрямитель, инвертор тока с ШИМ.

6. Проведено компьютерное моделирование рассмотренных вариантов топологий высоковольтных преобразователей частоты. Моделирование проводилось на имитационных моделях преобразователь-двигатель. Целью проводимого исследования являлся анализ гармонического состава выходных напряжений и токов высоковольтных ПЧ при различной топологии их построения и определение параметров выходных фильтров, позволяющих снизить полный коэффициент гармоник (ТНЕ)) до нормативного значения.

Наихудшие значения коэффициента искажения имеют двухуровневые инверторы напряжения. Их использование без выходных фильтров недопустимо. Трехуровневые инверторы напряжения также требуют выходных фильтров, однако их мощность будет примерно на 40% меньше, чем для двухуровневых. Каскадные многоуровневые инверторы напряжения с многообмоточным трансформатором имеют форму выходного напряжения и тока, близкую к синусоидальной. Инверторы тока с ШИМ требуют установки С-фильтров значительной мощности.

7. На основе разработанной методики проведен сопоставительный анализ всех вариантов топологий высоковольтных преобразователей частоты по расчетной себестоимости.

8. В результате проведенных исследований определены достоинства и недостатки рассмотренных вариантов высоковольтных преобразователей частоты, на основе чего проведена их многокритериальная оценка. Оценка проводилась по следующим технико-экономическим показателям: себестоимости, эксплуатационной надежности, качества электроэнергии на выходе преобразователя, электромагнитной совместимости с питающей сетью, к.п.д., массогабаритным показателям.

9. Многокритериальная оценка производилась на основе компьютерной методики эвристической многокритериальной оценки с использованием нечеткой логики. Методика позволяет учесть не только значения отдельных показателей, выраженных в числовой и вербальной формах, но и значимость (ранг) показателей.

10. В результате проведенного всестороннего сопоставления вариантов топологий выработаны следующие рекомендации:

• В настоящее время для массового применения для регулируемых электроприводов широкого класса рабочих машин наилучшими показателями обладают преобразователи, выполненные по топологии «Многообмоточный входной трансформатор с многоуровневым каскадным соединением инверторов».

• Перспективной по мере повышения параметров и снижения стоимости управляемых силовых полупроводниковых приборов является топология «Бестранформаторный активный выпрямитель, трех(четырех)уровневый инвертор напряжения».

• Преобразователи, выполненные по топологии «Входной трансформатор, управляемый выпрямитель, инвертор тока с ШИМ», несмотря на свою высокую стоимость, могут найти применение для особо ответственных установок мощностью свыше 2500 кВт.

• Преобразователи, выполненные по двухтрансформаторной топологии, устарели, обладают худшими технико-экономическими характеристиками и не могут быть рекомендованы к применению.

• Бестрансформаторные схемы преобразователей с двухуровневым инвертором напряжения обладают самой низкой надежностью из рассмотренных схем, оказывают неблагоприятное влияние на питающую сеть, и, несмотря на их относительно невысокую стоимость, не могут быть рекомендованы для использования.

11. Рекомендации, полученные в работе, были использованы при создании промышленных регулируемых электроприводов большой мощности: электропривод сетевого насоса котельной № 4 г.Одинцово (двигатель 6,0 кВ мощностью 315 кВт), электропривод сетевых насосов Центральной к5отельной г. Астрахани (двигатели 6,0 кВ, 630 кВт), электропривод насосов второго подъема ЗАО «Челныводоканал» (двигатели 6,0 кВ мощностью 800 кВт) и др. Кроме того был создан учебно-лабораторный стенд с физической моделью в/в преобразователя частоты, выполненного по топологии «Многоуровневый инвертор напряжения с многообмоточным трансформатором».

1. Анишев Е.Ю., Лазарев Г.Б. Особенности применения преобразователя частоты в мощном электроприводе циркуляционных насосов. Электротехника, 2007, № 10.

2. Артюх В.М., Литвак В.В. Потери энергии в оборудовании собственных нужд электростанций // Электрические станции, 2007, №2.

3. Б. Баклунд Выбор класса напряжения силовых полупроводниковых приборов // Электротехника, 2007, № 5.

4. Беляев Д.В., Вейнгер A.M. Мощный регулируемый электропривод переменного тока и питающая сеть Труды V Международной конференции по автоматизированному электроприводу - СПб.: 2007.

5. Битнев A.B. Энергосбережение на объектах МГУП «Мосводоканал», 2007, № 6.

6. Виноградов А.Б., Изосимов Д.Б. Анализ энергетических показателей и методика выбора оптимальных алгоритмов широтно-импульсной модуляции для управления трехфазным инвертором напряжения // Электричество, 2009, № 5.

7. Волков Э.П., Баринов В.А. Перспективы развития электроэнергетики России на период до 2030г. Доклад на научной сессии Отделения энергетики АН РФ 28 февраля 2007.

8. Волков Э.П. О стратегии развития электроэнергетики России // Электрические станции, 2007, №11.

9. Высоковольтный преобразователь частоты серии ВПЧА. ООО «Л-Старт» -М:. 2005.

10. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в Mathlab6,0 СПб:. Корона принт, 2001.

11. ГГ. Соколовский Электроприводы переменного тока с частотным регулированием -М.: Изд. дом Академия, 2006.

12. ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

13. Донской Н.В., Иванов А.Г., Матисон В.А., Ушаков И.И. Частотно-регулируемые высоковольтные электропривода // Известия Академии электротехнических наук РФ, 2010, № 1.

14. Дробкин Б.З., Пронин М.В., Ефимов A.A. Развитие устройств силовой электроники для регулируемых электроприводов // Труды конференции по автоматизированному электроприводу СПб.: 2007.

15. Зобов И.Б., Бакалов A.B. Системы частотного регулирования крупными высоковольтными электроприводами. Информационный бюллетень «Теплоэнергоэффективные технологии», 2003, № 2(31).

16. Колпаков М.А. Алгоритмы управления многоуровневым преобразователем частоты // Силовая электроника, 2009, № 2.

17. Конденсаторы высоковольтные для комплектации силовых фильтров высших гармоник http://Vpromelectro.ru.

18. Корсун Ю.М., Черекчиди Э.И. Регулируемый электропривод в транспорте нефти // Топливно-энергетический комплекс, 2003, № 1.

19. Краевская Н.П., Гринберг В.В. Электрооборудование химических производств Минск. Высшая школа, 1990.

20. Краснов Д.В. Особенности топологии высоковольтных преобразователей частоты для регулируемого электропривода переменното тока // Приводная техника, 2009, № 5.

21. Краснов Д.В. Оценка потребности в высоковольтных регулируемых электроприводах переменного тока // Приводная техника, 2008, № 6.

22. Краснов Д.В. Исследование гармонического состава выходного напряжения и тока высоковольтных преобразователей частоты // Приводная техника, 2011, № 3.

23. Лазарев Г.Б. Высоковольтные преобразователи частоты для частотно-регулируемого привода // Новости электротехники. Вып. 2(32), 2005.

24. Лазарев Г.Б. Мощные высоковольтные преобразователи частоты для регулируемого электропривода в электроэнергетике // Электротехника, 2005, № п.

25. Лазарев Г.Б. Топология высоковольтных инверторов. Промышленный вестник, 2005, № 22(65).

26. Лазарев Г.Б. Частотно-регулируемый электропривод насосных и вентиляторных установок // Силовая электроника, 2007. № 3.

27. Лазарев Г.Б. Электромагнитная совместимость высоковольтных преобразователей частоты с системами электроснабжения и электродвигателями собственных нужд тепловых электростанций // Электротехника, 2004, № 10.

28. Лезнов Б.С. Современные проблемы использования регулируемого электропривода в насосных установках // Водоснабжение и санитарная техника, 2006, №11.

29. Лезнов Б.С. Энергосбережение и регулируемый электропривод в насосных и воздуходувных установках. -М.: Энергоатомиздат, 2006.

30. Лефлер Н., Дагбьярсон Г. Энергия для борьбы с нищетой // ABB Revew, 2004, № 13.

31. Модернизация автоматизированных электроприводов в металлургии, химической и цементной промышленности // Transresch Antriebsystem. Каталог, 2008.

32. Никифоров Г.В., Заславец Б.И. Энергосбережение и энергопотребление в металлургическом производстве М.: Энергоатомиздат, 2003.

33. Н.Ф.Ильинский, В.В.Москаленко. Электропривод: энерго- и ресурсосбережение М.: Изд. дом Академия, 2008.

34. Обзор высоковольтных преобразователей частоты Общество инженеров силовой электроники - М.: 2007.

35. Онищенко Г.Б. Краснов Д.В. Оценка потребности в высоковольтных регулируемых электроприводах переменного тока // Известия Тульского государственного университета, Технические науки. Выпуск 2, часть I, 2010.

36. Онищенко Г.Б., Лазарев Г.Б. Развитие энергетики России М.: Рос-сельхозакадемия, 2008.

37. Онищенко Г.Б. Особенности электропривода шахтных вентиляторов главного проветривания // Новые технологии, 2007, № 3.

38. Патент РФ на изобретение № 2397597 «Способ аварийного управления силовой ячейкой высоковольтного преобразователя частоты» / Краснов Д.В., Рязанцев A.A., Губанов О.В., Лазарев Г.Б. / 2009.

39. Перспективы развития основного электрооборудования ЕЭС России. Под ред. А.П.Бурмана -М.: Изд. дом МЭИ, 2006.

40. Преобразователи частоты высоковольтные. ОАО «Электровыпрямитель» www.estima-saransk.ru/price.htm.

41. Преобразователи частоты для высоковольтных асинхронных двигателей ЗАО «Электротекс» http://www.etx.ru.

42. Преобразователи частоты производства ОАО «Электровыпрямитель» для высоковольтного электропривода переменного тока // Силовая электроника, 2005, № 1.

43. Справочник по проектированию электрических сетей Изд-во НЦ ЭНАС, 2006.

44. Ремезов А.Н. и др. Массовое внедрение энергосберегающего элек7 тропривода в масштабах крупного города. Известия Тул.ГУ. Технические науки. Вып. 3, часть I, Тула, изд-во ТулГУ, 2010.

45. Ремезов А.Н., Сорокин A.B. Некоторые аспекты применения частотно-регулируемого электропривода на теплоснабжающих предприятиях ЖКХ // Приводная техника, 2007, № 3.

46. Розанов Ю.К. Основные этапы развития и современное состояние силовой электроники // Электричество, 2005, № 7.

47. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк A.A. Силовая электроника М.: Изд. дом МЭИ, 2007.

48. Техническое описание и инструкция по эксплуатации высоковольтных преобразователей частоты серии ВПЧ-А. ООО «Л-Старт», 2004.

49. Трусов Н.П. Преобразователь частоты Perfect Harmony на базе многоуровневого транзисторного инвертора напряжения Труды V Международной конференции по автоматизированному электроприводу - СПб.: 2007.

50. Х. Питер Новый подход к повышению качества энергии для приводов среднего напряжения Корпорация Робикион. Материалы IEEE, NPCTC-95-25.

51. Щрейнер Р.Т. и др. Новое поколение промышленных энергосберегающих регулируемых электроприводов переменного тока Труды V Международной конференции по автоматизированному электроприводу - СПб.: 2007.

52. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике. Под ред. Дьякова А.Ф. -М.: Энергоатомиздат, 2003.

53. Энергетика России. Проблемы и перспективы М.: Наука, 2006.

54. Энергетика XXI века. Условия развития технологии, прогнозы / Беляев Л.С., Лазарев A.B., Посекалин В.В. и др. Новосибирск: Наука, 2004.

55. Энергетика XXI века. Системы энергетики и управление ими / Под-ковальников C.B., Сендеров С.М., Сенников В.А. и др. Новосибиркс: Наука, 2004.

56. Энергетическая стратегия России на период до 2020г. Утверждена Правительством РФ 28 августа 2003г., распоряжение № 1234-р.

57. Яновский А. Доклад директора департамента ТЭК Минэнерго РФ на российско-германском форуме энергоэффективности 13 апреля 2007.

58. ACS 2000 Simple and reliable motor control - ABB brochure.

59. Selecting Variable Speed Drives for Flow Control TMGE Automation System, 2004.

60. Selecting Variable Speed for Flow Control TMGE Automation System, USA, № 9.

61. Simovert Master Drives Vector Control Каталог фирмы Siemens DA65.10.

62. Drive ACS 1000i-ABB 38HT490480 R0022. 2004.

63. Medium Voltage Invertor Hydrive-HC Heavy Industries Co., 2003

64. Medium Voltage Drive Evolution-TM Automation System, 2005.

65. Medium Voltage Motor Drives IMS Research, 2008.

66. Medium Power Filter Capacitors Каталог фирмы AVX.

67. Meltrac-F500HVC Series-Mitsubishi Electric Publucation RN00027-01.

68. M.Veenstra, A.Rufer Control Hybrid Multilevel Invertor for Medium Voltage Industrial Drives. IEEE transaction on industry application Vol 41, N02 March 2005.

69. Perfect Harmony. Der Mittelspannuhlsum richter fur Asynchron und Synchron motoren von 250 kw bis 15000 kw und 2300-7200V-Kurzbeschreidung Empfohen von IB. Oct. 2003.

70. PowerFlex7000. Medium Voltage AC Drive. Technical Data. Rockwell Automation, 2007.