автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электроприводы тягодутьевых механизмов с повышенной устойчивостью к нарушениям электроснабжения

- - -На правах рукописи

ГУБАЙДУЛЛИН АНДРЕЙ РИФОВИЧ

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ТЯГОДУТЬЕВЫХ МЕХАНИЗМОВ С ПОВЫШЕННОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ К НАРУШЕНИЯМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2014

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

{

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

КАРАНДАЕВ Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: ОСИПОВ Олег Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва, профессор кафедры автоматизированного электропривода

И111МАТОВ Закир Шарифович, кандидат технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург, доцент кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Липецкий

государственный технический университет», г. Липецк

Защита состоится «20» марта 2015 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 на базе ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им.Г.И. Носова» и на сайте http://www.magtu.ru.

Автореферат разослан о/ 20г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К.Э. Одинцов

РОССИИ Г. К. Ml госУЛЛ1'(:пи пиля

г.иыиюп кл _

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Существующая статистика работы районных тепловых станций (котельных) показывает увеличение числа аварийных отключений оборудования, технологические механизмы которого оснащены частотно-регулируемыми электроприводами (ЧРП) переменного тока. Причиной этого является увеличение длительности перерывов в работе электродвигателей, питаемых от преобразователей частоты (ПЧ), при нарушениях электроснабжения: провалах либо кратковременных (1-3 с) отключениях напряжения. Особые проблемы возникают при нарушениях электроснабжения ответственных механизмов, отключение которых приводит к аварийным остановам котлов. К ним относятся сетевые насосы и тягодутьевые механизмы (ТГДМ): дутьевые вентиляторы (ДВ) и дымососы (ДС).

Обязательной функцией для ЧРП ответственных механизмов является восстановление технологического режима за несколько секунд при восстановлении электропитания. Программное обеспечение большинства современных ПЧ предусматривает эту функцию, известную под названиями "пуск в лет", "Flying start", "самозапуск", "пуск на вращающийся двигатель" и др. Однако реализация этой функции при наладке конкретного электропривода достаточно сложна. К тому же опыт ее использования ограничен, поскольку перезапуск через останов удовлетворяет большинству технологий. Это диктует необходимость разработки ЧРП, обладающих повышенной устойчивостью к нарушениям электроснабжения.

В научных трудах Ю.А. Крылова, В.Ф. Козаченко, Д.В. Тарасова, О.И. Ка-рандаевой обоснован принцип электропитания ЧРП от двух независимых вводов. Выполнены разработки, для ЧРП с вентильно-индукторным двигателем. Однако они не могут получить широкого распространения в связи с единичным изготовлением электродвигателей данного класса.

При внедрении ПЧ в электроприводах районных тепловых станций (котельных), как правило, не производится замена установленных асинхронных двигателей (в том числе двухскоростных), не выработавших свой ресурс. Подобная ситуация возникла на Пиковой котельной г. Магнитогорска при переводе электроприводов ДВ и ДС водогрейных котлов КВГМ-100 на частотное регулирование скорости (производительности). При этом двухскоростные асинхронные двигатели (АД) дутьевых вентиляторов типа ДАЗО 12-55-6/8 и ДАЗО 12-42- 6/8 остались в работе.

Следует отметить, что вопросы частотного регулирования производительности механизмов с двухскоростными АД в настоящее время изучены недостаточно. В большинстве практических случаев осуществляется регулирование во всем диапазоне при работе АД только на обмотке высокой скорости (ВС). Вместе с тем, как показали исследования, переключение ПЧ на обмотку низкой скорости (НС) позволяет получить дополнительный эффект как с точки зрения энергосбережения, так и с позиций повышения устойчивости ЧПР к нарушениям электроснабжения.

Целью диссертационной работы является разработка комплекса научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих энергосбережение и повышение устойчивости частотно-регулируемых электроприводов тягодутье-вых механизмов тепловой станции при нарушениях электроснабжения.

Для достижения цели поставлены следующие основные задачи:

1. Анализ причин снижения надежности ЧРП. Условия восстановления технологического процесса котельных агрегатов при кратковременных нарушениях электроснабжения. Анализ способов повышения устойчивости ЧРП.

2. Обоснование и разработка ЧРП с электропитанием от двух независимых вводов:

- разработка электропривода с одновременным электропитанием от двух независимых вводов;

- разработка электропривода с переключением на резервный ввод при нарушениях электроснабжения по основному вводу.

3. Совершенствование ЧРП тягодутьевых механизмов с двухскоростным электродвигателем, обеспечивающих энергосбережение и повышение устойчивости к нарушениям электроснабжения.

4. Разработка экспериментальной лабораторной установки. Исследования в лабораторных условиях. Опытно-промышленные испытания ЧРП дутьевого вентилятора с электропитанием от двух независимых вводов в условиях Пиковой котельной.

5. Совершенствование методики расчета технико-экономической эффективности внедрения частотного регулирования производительности турбоме-ханизмов с двухскоростными АД. Оценка эффективности внедрения разработанных технических решений на тягодутьевых механизмах котла КВГМ-100.

Методика проведения исследований. Теоретические исследования основывались на положениях теории электропривода, теории надежности, статистических методах обработки информации. При разработке программы расчета интенсивности отказов использовался язык программирования Turbo Pascal 7.0. Экспериментальные исследования проводились на созданной лабораторной установке путем прямого осциллографирования координат с последующей обработкой результатов. Экспериментальные исследования в условиях производства проводились на действующих электроприводах дутьевых вентиляторов и дымососов котлов КВГМ-100 Пиковой котельной г. Магнитогорска.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтвердившие целесообразность электропитания ЧРП ответственных механизмов от двух независимых вводов, одновременные нарушения электроснабжения на которых маловероятны.

2. Частотно-регулируемый электропривод, выполненный на основе двух идентичных ПЧ, объединенных на стороне постоянного тока, обеспечивающих непрерывность работы за счет автоматического переключения на резервный ввод при исчезновении питающего напряжения на основном вводе.

3. Частотно-регулируемый электропривод с одновременным электропитанием от двух вводов, оснащенный быстродействующим регулятором сетевого напряжения, выполненным на базе преобразователя напряжения (мощности) типаСТАТКОМ.

4. Научно-обоснованные технические решения, обеспечивающие энергосбережение и повышение надежности ЧРП тягодутьевых механизмов с двух-скоростными АД:

- электропривод с переключением преобразователя частоты на обмотку высокой (низкой) скорости в зимний (летний) периоды и дроссельным регулированием в диапазонах скоростей, близких к номинальным значениям;

- электропривод с двумя преобразователями частоты с подключением обмоток к независимым вводам;

- электропривод с преобразователем частоты с двумя выпрямителями с электропитанием обмоток от одного либо двух независимых вводов.

5. Результаты экспериментальных исследований в лабораторных условиях, подтвердившие принципиальную возможность переключения вводов ЧРП без нарушения скоростного режима АД. Результаты исследований в производственных условиях, подтвердившие техническую реализуемость принципа одновременного электропитания ЧРП от двух независимых вводов.

7. Результаты оценки технико-экономической эффективности, подтвердившие увеличение эквивалентного КПД вентиляторной установки с двухско-ростным АД и повышение надежности тягодутьевых механизмов.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением математического аппарата и методов программирования, использованием реальных технических характеристик оборудования, результатами экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях, повторяемостью результатов экспериментов и их соответствием результатам, опубликованным в научной литературе, опытом эксплуатации частотно-регулируемых электроприводов на тепловых предприятиях.

Научная новизна.

В работе получены следующие новые научные результаты:

1. Подтверждены повышение длительности переходных процессов самозапуска ЧРП тягодутьевых механизмов в 1,5-2 раза по сравнению с нерегулируемыми электроприводами и увеличение в 2-4 раза вероятности аварийных остановов котлов, вызванных нарушениями электроснабжения ответственного оборудования.

2. Обоснован и технически реализован принцип одновременного электропитания частотно-регулируемых электроприводов от двух независимых вводов, совпадение нарушений электроснабжения по которым маловероятно.

3. Предложен принцип совместного использования кинетической энергии дымососа и дутьевого вентилятора, обеспечивающий повышение устойчивости ЧРП при нарушениях электроснабжения.

4. Разработаны научно-обоснованные технические решения, обеспечивающие повышение устойчивости и энергосбережение в электроприводах по системе «ПЧ - двухскоростной АД» за счет электропитания обмоток ВС либо НС от независимых вводов, а также переключения выхода ПЧ на эти обмотки в зависимости от производительности агрегата.

5. Подтверждено сохранение устойчивой работы ЧРП с электропитанием от двух независимых вводов при нарушениях электроснабжения по одному из вводов. Теоретически и экспериментально доказано, что автоматическое переключение ПЧ на резервный ввод не оказывает влияния на работу электропривода и не приводит к нарушению технологического режима механизма.

6. Методика оценки технико-экономической эффективности внедрения частотно-регулируемых электроприводов, основанная на расчете эквивалентного КПД, получила развитие в направлении ее применения для турбомеханизмов с двухскоростными асинхронными двигателями.

7. Доказано, что переключение обмоток двухскоростного АД при питании от преобразователя частоты обеспечивает технико-экономический эффект за счет энерго- ресурсосбережения и повышения надежности тягодутьевых механизмов.

Практическая ценность и реализация работы.

1. Разработана и изготовлена действующая физическая модель ЧРП с электропитанием от двух вводов. Установка выполнена на базе ПЧ фирмы Siemens и преобразователя СТАТКОМ, выполняющего функции регулятора подводимого напряжения. В результате экспериментальных исследований подтверждена техническая возможность одновременного электропитания ЧРП от двух независимых вводов с перераспределением нагрузки между вводами.

2. ЧРП с электропитанием от двух независимых вводов, выполненный на базе ПЧ типа SB-17 («Сбережок»), прошел промышленные испытания в условиях Пиковой котельной г. Магнитогорска. В результате подтверждена практическая возможность перевода электропитания между вводами без нарушения технологического процесса механизма.

3. Предложенная методика оценки технико-экономической эффективности ЧРП с двухскоростным АД применена для анализа эффективности сезонного переключения ПЧ с обмотки высокой скорости на обмотку низкой скорости, а также для расчета эффективности внедрения разработанных ЧРП на тягодутьевых механизмах Пиковой котельной.

4. Результаты диссертационной работы переданы в электрослужбу треста «Теплофикация» г. Магнитогорска, где использованы при разработке «Программы внедрения энергосберегающих мероприятий на 2015 г.». Ожидаемый экономический эффект от внедрения энергосберегающих мероприятий в условиях Пиковой котельной составляет 2,1 млн. руб./год. Социальный эффект заключается в повышении надежности тепло- водоснабжения населения.

5. Полученные результаты рекомендуются для использования при внедрении ЧРП на тепловых станциях, ТЭЦ и промышленных предприятиях, а также

в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 10 международных конференциях, в том числе: VII Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012 (Иваново, 2012 г.); пятнадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» (Екатеринбург, УрФУ, 2012 г.); VII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2012 г.); I Международной (IV Всероссийской) научно-технической конференции «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий» (Уфа, УГНТУ, 2013 г.); VIII Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования» (Москва, МЭИ, 2013 г.), а также на расширенном заседании кафедры электротехники и электротехнических систем ФГБОУ ВПО «МГТУ» (ноябрь 2014 г.).

В 2012-2013 гг. работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлению «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления электрической энергии».

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 18 печатных трудах, в том числе 5 в рецензируемых изданиях. Получено 4 патента РФ на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 158 наименований. Работа изложена на 182 страницах основного текста, содержит 68 рисунков, 22 таблиц и приложение объемом 17 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, рассмотрено состояние проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, кратко изложено содержание диссертационной работы.

В первой главе дана характеристика технологического оборудования и электроприводов тягодутьевых механизмов котлов КВГМ-100 Пиковой котельной г. Магнитогорска. Выполнен анализ влияния частоты и длительности провалов напряжения на устойчивость технологического процесса и количество остановов теплостанций. Рассмотрены известные способы повышения устойчивости ЧРП к нарушениям электроснабжения.

Пиковая котельная оснащена четырьмя водогрейными котлами: ПТВМ-120 - 2 ед. и КВГМ-100-150 (КВГМ-116,3-150) - 2 ед. Водогрейные котлы КВГМ-100 теплопроизводительностью 116,3 МВт (100,0 Гкап/ч) предназначены для получения горячей воды с номинальной температурой 150°С, используемой в основном в системах отопления и горячего водоснабжения.

Тягодутьевые механизмы водогрейных котлов потребляют до 60% элек-

троэнергии, расходуемой на собственные нужды тепловых станций. Они являются наиболее ответственными механизмами, к электроприводам которых предъявляются жесткие требования с точки зрения обеспечения заданного соотношения "топливо-воздух" и заданного разряжения в топке независимо от производительности котла. Так как нагрузка котлов может изменяться в пределах от 30 до 100%, производительности дымососа и дутьевого вентилятора должны регулироваться. Технические характеристики ДВ и ДС котлов №3 и №4 Пиковой котельной представлены в табл. 1.

Таблица 1

Технические параметры ДВ и ДС Пиковой котельной

№> Наименование Кол- Механизм Электродвигатель

п/п оборудования во Тип <3, м3/ч п, об/мин Тип Р, кВт а об/мин и, В

1 Вентилятор КЗ 1 ВДН 18 НУ 152000 1000 ДА 30 1255- 6/8 250/105 1000/750 380

2 Вентилятор К4 1 ВДН 18 НУ 130000 1000 ДАЗО 1242- 6/8 200/85 1000/750 380

3 Дымосос КЗ 1 Д22х2-0.62 136000 750 АДЧР-250-038-10У1 250 600 380

4 Дымосос К4 1 Д22х2-0.62 136000 750 ДАЗО 4-450Х-10У1 250 600 6000

5 Частотный преобразователь 4 ШУВ-2500-2:1Н„Х=630А; и„ =380В; 1КВЫХ=479А; ивых=380В. «Сбережок» ЧРЭ 8В17 С3300У: Р„=300/330кВт; 1ВЫ%=428/479А; Р™ „р^ ^ = 200/250кВт.

Анализ литературных источников показал, что оснащение ТГДМ тепловой станции электроприводами с регулируемой частотой вращения обеспечивает:

- экономию до 70% электроэнергии, идущей на приведение в действие этих механизмов;

- повышение ресурса оборудования за счет улучшения условий пуска и уменьшения износа оборудования;

- повышение коэффициента мощности электропривода;

- повышение уровня автоматизации и возможность совершенствования АСУ ТП станции.

Однако частотно-регулируемый электропривод усугубляет проблему остановки котлов при кратковременных нарушениях электропитания. Анализ результатов исследований, опубликованных независимыми авторами, показал, что более 90% нарушений качества электроэнергии составляют провалы напряжения с падением амплитуды до 50%, длительностью до 0,5 с. Число провалов длительностью свыше 1,5 с составляет 36% от их общего числа.

В настоящее время в котельной смонтированы 4 преобразователя частоты 5В-17 С3300У («Сбережок»), выпускаемых НПО «Уралэлектра» (г. Екатерин-

бург) по лицензии фирмы МейкпзЬа (Япония). С помощью трех ПЧ осуществляется питание двигателей дутьевых вентиляторов котлов №3 и №4, а также дымососа котла №3 (номинальное напряжение 380 В). Четвертый ПЧ является резервным, т.к. на дымососе котла №4 в настоящее время находится в работе высоковольтный двигатель ДАЗО 4-450Х-10У1 на напряжение 6 кВ, хотя имеются условия для его замены с переводом на частотное регулирование.

В ПЧ «Сбережок» предусмотрена защита от пониженного напряжения, которая вступает в действие, если напряжение постоянного тока становится ниже 65% номинального. При её срабатывании предусмотрен режим автоматического повторного запуска (перезапуск через останов). Режим "пуск на вращающийся двигатель" не предусмотрен.

Показано, что количество отключений ответственного оборудования тепловых предприятий, оснащенного ЧРП, напрямую зависит от интенсивности нарушений электроснабжения и составляет, в среднем, от 3 до 8 случаев в год. При этом нарушения, возникающие на различных секциях шин одного уровня напряжения, как правило, не совпадают по времени. Данный вывод подтверждает актуальность разработки ЧРП с электропитанием от двух независимых вводов, одновременное нарушение электропитания по которым маловероятно.

Недостатком известных ЧРП с электропитанием от двух вводов является отсутствие приоритетности определенного ввода, что вызывает бесконтрольное переключение ПЧ с одного ввода на другой при колебаниях напряжения либо при динамическом изменении потребляемого тока.

Для электроприводов ДВ котлов №3 и №4, выполненных по системе «ПЧ - двухскоростной АД», обосновано питание обмоток ВС и НС от двух независимых вводов. Сделано предположение, что переключение обмоток в сочетании с частотным регулированием скорости обеспечит повышение устойчивости к нарушениям электроснабжения и дополнительный ресурс энергосбережения.

Во второй главе представлены результаты сравнительного анализа индивидуального самозапуска АД при питании от сети и самозапуска АД при питании от преобразователя частоты. Выполнены исследования частоты и длительности провалов напряжения в системе электроснабжения Пиковой котельной. Дано обоснование целесообразности разработки ЧРП тягодутьевых механизмов с электропитанием от двух секций шин.

Выполнен теоретический анализ самозапуска ЧРП при кратковременном нарушении электропитания. Представлены временные диаграммы, характеризующие особенности данного переходного процесса. Приведены зависимости для оценки времени восстановления скорости вращения двигателя. Обозначено условие безостановочной работы котлов: время восстановления технологического режима должно быть меньше времени срабатывания защит по давлению дутьевого воздуха и разрежению в топке котла, составляющего 3-5 с.

Основными отличиями индивидуального самозапуска ЧРП от аналогичного процесса в нерегулируемом электроприводе являются:

- при длительности паузы более 30 мс и отсутствии функции "пуск в лёт"

ПЧ отключается от сети. Поэтому в 90% случаев нужно сравнивать самозапуск нерегулируемого АД с учетом времени выбега и остаточного напряжения сети и выбег до нулевой скорости с последующим частотным пуском АД после восстановления напряжения;

— если функция "пуск в лёт" обеспечивается, следует учитывать дополнительную паузу, необходимую на самотестирование и синхронизацию частоты ПЧ с частотой статора двигателя. Продолжительность паузы зависит от настройки алгоритмов преобразователя частоты, версии программного обеспечения, поэтому не может быть определена аналитически.

Непосредственно время разгона электродвигателя также увеличивается в связи с ограничением пускового тока ЧРП на уровне 1,1-1,5 номинального, в то время как допустимый пусковой ток нерегулируемого АД может достигать пятикратных значений.

С целью сопоставления количества отказов регулируемых и нерегулируемых электроприводов разработан алгоритм расчета интенсивности отказов электрооборудования. В отличие от общепринятого значения, в данном случае термин "отказ" понимается как отключение, вызванное нарушением электроснабжения, время возникновения которого является случайной величиной. С использованием языка программирования Turbo Pascal 7.0 разработана компьютерная программа, в которой наряду с интенсивностью отказов рассчитываются показатели надежности: среднее число отказов, вероятность безотказной работы и др.

На рис. 1 приведены графики изменения интенсивностей отказов (отключений) дымососов котлов №3 и №4, построенные по расчетным данным (кривые 1, 2) и в виде логарифмических зависимостей (кривые 3, 4) в функции продолжительности эксплуатации.

Расчет средней интенсивности отказов показал, что для ЧРП дымососа Д-3 она равна Дср д.3=9,64 10 что в 2,8 раза выше, чем для нерегулируемого электропривода дымососа Д-4 (Лф д-4=3,4 10 "*). Среднее количество отключений в год составляет 8 и 3 случая, соответственно.

Отсутствие в базовом программном обеспечении преобразователя «Сбере-жок» функции "пуск на вращающийся двигатель" предопределило необходимость разработки альтернативного ПЧ для особо ответственных механизмов. Схема электроснабжения

Рис. 1. Изменения интенсивности отказов регулируемого и нерегулируемого электроприводов дымососов котлов КВГМ -100

Пиковой котельной обеспечивает возможность электропитания ЧРП дутьевых вентиляторов ДВ-3 и ДВ-4 от двух секций шин 0,4 кВ, подключенных к отдельным вводным трансформаторам.

Третья глава посвящена разработке энергосберегающих ЧРП с повышенной устойчивостью к нарушениям электроснабжения за счет технической реализации электропитания от двух независимых вводов.

Поскольку главной проблемой является исключение бесконтрольного переключения ПЧ с одного ввода на другой, разработки проводятся в двух направлениях:

- обеспечение приоритетности одного из вводов за счет повышения напряжения в звене постоянного тока;

- одновременное электропитание двигателя от двух независимых вводов.

Предложена схема на основе двух комплектов идентичных ПЧ, соединенных параллельно на стороне постоянного тока (рис. 2,а). Для исключения переключений между вводами напряжение по основному вводу устанавливается на 5-7% выше, чем на резервном вводе. Схема содержит регулятор напряжения (ALM), который обеспечивает устойчивую работу электропривода при питании от основного ввода. Разработан вариант с упрощенной силовой схемой (рис. 2,6), с диодным выпрямителем и комплектом активного сетевого модуля на базе преобразователя напряжения типа СТАТКОМ, который выполняет функции ALM.

nfn

Рогуштца

•ь ,т Др --ГУ У\ _ ш _L Т

npuftpHrtXTf» '«Ж ТОЩ тдагччтш мамам тстомиого та»а В, элт, и,

1

Рис. 2. Функциональнее схемы ПЧ со сдвоенным звеном постоянного тока-я и регулированием выпрямленного напряжения-б

Для повышения устойчивости электроприводов ТГДМ при нарушениях электроснабжения разработана схема питания ЧРП, реализующая принцип "самопитания" с использованием энергии маховых масс одного из электроприводов (как правило, большей мощности) для поддержания в работоспособном состоянии другого электропривода (меньшей мощности).

Разработан энергосберегающий электропривод по системе "преобразователь частоты - двухскоростной АД" с переключением выхода ПЧ на обмотку высокой либо низкой скорости в зависимости от производительности агрегата (рис. 3). На первом этапе рекомендовано осуществлять "сезонное" переключение обмоток вручную после остановки двигателя. Это связано со сложностью синхронизации поля статора и частоты вращения ротора при кратковременной потере питания, связанной с переключением коммутационных аппаратов (данный вопрос требует дополнительных самостоятельных исследований).

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям разработанных технических решений в лабораторных и производственных условиях.

Разработана лабораторная экспериментальная установка (рис. 4), предназначенная для исследования режима питания ЧРП от двух вводов. Применен ПЧ типа SINAMICS G120 фирмы Siemens. Регулирование напряжения осуществляется с помощью преобразователя СТАТКОМ типа SINAMICS S120, выполненного на IGBT транзисторах. Этот преобразователь через реактор подключается к одному из вводов и, благодаря системе автоматического регулирования, непрерывно поддерживает заданную разность напряжений между вводами, что обеспечивает приоритетность одного из вводов.

В лабораторной установке применен модуль ALM мощностью 16 кВА, на напряжение 400 В. Выпрямленное напряжение его блока DC - 600 В; частота модуляции 8 кГц; UK реактора на входе - 8%. Установлен АД мощностью 2,2 кВт, 1000 об/мин, с номинальным током 7,2 А, на напряжение 380 В.

В ходе экспериментов анализировались изменения напряжений и токов в следующих режимах:

Рис. 3. Электропривод по системе «ПЧ -двухскоростной АД с переключением обмоток»

— аварийные отключения напряжений на вводах №1 и №2 (переключение электропитания с одного ввода на другой);

— изменения напряжения на вводе №2 при одновременном электропитании от двух вводов (перераспределение

нагрузки по вводам);

— линейные изменения тока преобразователя СТАТКОМ при снижении тока ввода № 2 до нуля;

— изменения

напряжения сети при различном характере нагрузки (индуктивная, емкостная, активно-индуктивная).

На рис. 5, а показаны осциллограммы режима, согласно которому в момент времени /=0,125 с происходит отключение ввода №1. В результате происходит автоматическое переключение ПЧ на ввод №2, ток первого ввода снижается до нуля. Процесс переключения длится менее полпериода питающего напряжения и происходит без бросков тока. Выпрямленное напряжение изменяется от 538 В до 487 В по закону близкому к экспоненциальному.

На рис. 5, б представлены осциллограммы напряжений и токов для режима, в котором с помощью компенсатора СТАТКОМ производится перераспределение энергии между вводами. В исходном режиме напряжение на вводах практически одинаковы: 411 В - на первом вводе и 414 В - на втором. В результате ПЧ потребляет активную энергию от.каждого из них. С целью перевода ПЧ на питание только от первого ввода увеличивается задание на реактивный ток компенсатора. При протекании реактивного тока через реактор (сетевой дроссель на рис. 3,6), установленный на вводе №1, создается дополнительное падание напряжения, в результате чего общее напряжение на этом вводе увеличивается с 411 В до 455 В. Ток, потребляемый по второму вводу, снижается до нуля, активная энергия потребляется только по первому вводу.

Анализ представленных и других аналогичных осциллограмм позволил сделать вывод, что переключение электропитания не оказывает отрицательного влияния на работу ПЧ и двигателя.

В результате экспериментальных исследований сделаны выводы, что разработанные технические решения обеспечивают:

Рис. 4. Экспериментальная установка

- бесперебойную работу ЧРП при колебаниях напряжения на вводах в пределах ±10% без повышения напряжения на входе основного выпрямителя;

- электропитание инвертора напряжения от основного и резервного вводов одновременно с перераспределением нагрузки по вводам при изменениях подводимых напряжений;

- автоматическое переключение на резервный ввод в случае нарушения электроснабжения по основному вводу.

о их 1Л 3.75 I УЯ в.П Ю

б

Рис. 5. Осциллограммы напряжений и токов при аварийном отключении ввода №1 - а и при линейном изменении тока ввода №2 до нуля с помощью преобразователя СТАТКОМ - б

Разработанный принцип электропитания электропривода от двух вводов прошел опытно-промышленные испытания на дутьевом вентиляторе котла №4 Пиковой котельной. Преобразователь частоты со сдвоенным звеном постоянного тока выполнен на базе двух ПЧ типа 8В-17, объединенных по цепи постоянного тока. Питание осуществлялось от шин 0,4 кВ, подключенных к независимым секциям 6 кВ. В результате экспериментально подтверждено, что при исчезновении питающего напряжения по одному из вводов сохраняется непрерывность работы механизма. В целом, экспериментальные исследования подтвердили сохранение устойчивой работы ЧРП при изменениях напряжения либо отключении одного из вводов.

Пятая глава посвящена развитию и практическому применению методики анализа технико-экономической эффективности внедрения частотного регулирования производительности турбомеханизмов с двухскоростными АД.

Рассмотрена известная методика расчета энергетической эффективности турбомеханизмов, основанная на определении средних КПД комплекса «элек-тропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль». Дана оценка снижения потребления мощности при переходе от дроссельного к частотному регулированию. Показано, что средняя относительная мощность при равномерной нагрузке в течение года снижается на 46%.

Известная методика получила развитие в направлении применения для анализа эффективности частотного регулирования скорости электропривода по системе «ПЧ - двухскоростной АД» с переключением обмоток высокой и низкой скоростей. Принципиальным отличием усовершенствованной методики является учет ступенчатых изменений КПД АД и ПЧ при переходе с обмотки высокой на обмотку низкой скорости. При этом расчет усредненных показателей энергопотребления и коэффициента энергетической эффективности должен выполняться для каждого диапазона регулирования производительности турбомеханизма в отдельности.

Основные этапы предложенной методики:

1. Определяют изменения КПД АД, КПД ПЧ и средние энергетические потери при условии равновероятной по времени работы АД на обмотке ВС во всем диапазоне регулирования производительности.

2. Определяют изменения КПД АД, ПЧ и энергетические потери с учетом их ступенчатого изменения при переключении обмоток ВС и НС. КПД турбомеханизма принимают постоянным, равным его значению при полностью открытой задвижке.

3. Определяют средние энергетические потери при условии равновероятной по времени работы в каждом из диапазонов регулирования с учетом продолжительности работы на обмотках ВС и НС в течение года.

4. Определяют коэффициенты энер.гоэффективности, соотношение потерь и экономическую эффективность двух сравниваемых способов.

Дана оценка энергетической эффективности предложенного ЧРП. Для этого сравниваются два способа подключения двухскоростного АД при частотном регулировании:

1. Во всем диапазоне регулирования производительности 0,3 < £)' < 1,0 двигатель работает на обмотке ВС и получает питание от преобразователя частоты (известный способ без переключения обмоток).

2. При производительности 0,75 < < 1,0 двигатель получает питание от ПЧ, работая на обмотке ВС, а в диапазоне 0,3 <Q* < 0,75 ПЧ переключается

на обмотку НС (предложенный способ частотного регулирования с переключением обмоток).

Энергосберегающее управление в рабочем диапазоне достигается при обеспечении максимального КПД установки:

*7экв = т1тм ' Лад ' Лпч > где: 7]ш , Т]АД, Т]пч - КПД турбомеханизма, АД и ПЧ, соответственно.

КПД турбомеханизма (вентилятора и магистрали) во всем диапазоне принимается равным номинальному значению т/ш„ОМ=0,82, т.к. трубопроводная арматура полностью открыта. КПД двухскоростного АД г]^ на обмотке ВС в диапазоне регулировании скорости от а>„ до 0,3со„ (вниз) изменяется от номинального значения Чад(вс)Ип„=®$\ до т}лдн.(вс) =0.73 т.е. примерно на 20%. Аналогично т\пч изменяется от 0,94 до 0,86 (на 9%).

На рис. 6, а и б показаны графики КПД для анализируемых способов электропитания двухскоростного АД. Графики на рис. 6, б построены по данным табл. 2. Среднее значение эквивалентного КПД в диапазоне 0,3 <0* <0,75 за счет переключения ПЧ на обмотку НС повышается на 13,5%. Среднее значение относительной потребляемой мощности электродвигателя для указанного диапазона снижается на 11,3%. Для всего диапазона регулирования производительности 0,3 <()' <1 эквивалентный КПД повышается на 6,7%, средняя потребляемая мощность /"V снижается на 5,8%.

Таблица 2

Изменения КПД звеньев ДВ при регулировании производительности при работе с переключением обмоток

Параметр Относительная величина Средняя величина

е* 0,3 0,5 0,6 0,7 0,75 0,8 0,9 1,0 0,69

Р*ЧР 0,07 0,13 0,22 0,34 0,42 0,51 0,73 1,0 0,415

Чш 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82

1лд(нс) 0,88 0,885 0,89 0,9 - - - - 0,892

1лД(ВС) - - - - 0,88 0,892 0,9 0,91

Чпч 0,93 0,934 0,941 0,947 0,932 0,934 0,939 0,943 0,937

Чэкв 0,672 0,678 0,687 0,699 0,672 0,682 0,692 0,704 0,686

Р*ЧР2 0,104 0,192 0,32 0,486 0,625 0,748 1,055 1,42 0,605

Чпч ;

1лд ' ^

7,

У

с?*

0.5 0.6 0.7 0.а 0.9

Чпч

1.4М 1 <

1

"Пти 1

1экн

1

0-

0.3 0.4 0.5 0.6

а б

Рис. 6. Зависимости КПД от производительности при работе АД на обмотке ВС -а и при переключении обмоток ВС и НС - б

С применением предложенной методики выполнена оценка энергетической эффективности предложенного способа частотного регулирования двух-скоростных АД дутьевых вентиляторов котлов КВГМ-100 Пиковой котельной. Расчетная годовая экономия электроэнергии на вентиляторах ДВ-3 и ДВ-4 составляет 248,5 тыс. кВт-час, что в денежном выражении соответствует 713 тыс. руб. /год.

Результаты диссертационной работы в виде «Технического задания на разработку системы управления частотно-регулируемыми электроприводами тягодутьевых механизмов водогрейного котла» переданы МП трест «Теплофикация», где используются при разработке «Программы реконструкции Пиковой котельной г. Магнитогорска до 2015 г.». Ожидаемый экономический эффект составляет 2,1 млн. руб./год.

Полученные результаты рекомендуются для использования при внедрении ЧРП на тепловых станциях, ТЭЦ и промышленных предприятиях, а также в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. В результате исследований показано, что при внедрении ЧРП увеличивается количество аварийных остановок котлов при провалах либо кратковременных (1-3 с) отключениях, составляющих более 90% нарушений качества электроэнергии. Интенсивность аварийных отключений, вызванных нарушениями электроснабжения Пиковой котельной г. Магнитогорска, при внедрении ЧРП практически в 3 раза выше, чем для нерегулируемого электропривода.

2. Разработан ЧРП на основе двух комплектов идентичных преобразователей частоты, соединенных параллельно на стороне постоянного тока, содержащий регулятор напряжения на основе активного сетевого модуля, выполненного на базе быстродействующего преобразователя напряжения (мощности) типа СТАТКОМ.

3. Разработана схема "самопитания" ЧРП тягодутьевых механизмов при нарушениях электроснабжения, с использованием кинетической энергии электропривода дымососа (большей мощности) для поддержания в работоспособном состоянии электропривода дутьевого вентилятора (меньшей мощности).

4. Разработаны функциональная схема и алгоритм управления двухско-ростным электродвигателем, обеспечивающие автоматическое переключение обмоток при потере напряжения на основном либо резервном вводах. Предложен ЧРП с одновременным питанием обмотки высокой либо низкой скорости двухскоростного АД от двух вводов.

5. Разработан энергосберегающий электропривод по системе «преобразователь частоты - двухскоростной АД» с переключением выхода ПЧ на обмотку высокой либо низкой скорости в зависимости от производительности агрегата. Доказано, что такое переключение обеспечивает повышение КПД электродвигателя и преобразователя частоты.

6. Для исследования режима электропитания ЧРП от двух вводов разработана и изготовлена лабораторная экспериментальная установка. Приоритетность одного из вводов обеспечивается с помощью быстродействующего преобразователя напряжения SINAMICS S120 фирмы Siemens.

7. В ходе экспериментальных исследований подтверждены устойчивая работа ЧРП при колебаниях напряжения на вводах в пределах ±10%, возможность одновременного электропитания от двух вводов, автоматическое переключение на резервный ввод в случае нарушения электроснабжения по основному вводу.

8. Частотно-регулируемый электропривод с электропитанием от двух вводов, выполненный на базе ПЧ типа SB-17 («Сбережок»), прошел опытно-промышленные испытания на дутьевом вентиляторе котла № 4 Пиковой котельной. Экспериментальные исследования подтвердили сохранение устойчивой работы механизма при изменениях напряжения либо отключении одного из вводов.

9. Методика расчета энергетической эффективности, основанная на определении средних значений КПД комплекса «электропривод-турбомеханизм-трубопроводная магистраль» применена для анализа эффективности электропривода по системе «преобразователь частоты - двухскоростной АД» с переключением обмоток. Принципиальным отличием является учет ступенчатых изменений КПД АД и ПЧ при переходе с обмотки высокой на обмотку низкой скорости.

10. Дана оценка энергетической эффективности ЧРП с переключением обмоток двухскоростного АД дутьевых вентиляторов ДВ-3 и ДВ-4 котлов КВГМ-100 Пиковой котельной. Расчетная годовая экономия электроэнергии составляет 248,5 тыс. кВт час, что соответствует 713 тыс. руб. /год.

11. Результаты диссертационной работы в виде «Технического задания на разработку системы управления частотно-регулируемыми электроприводами тягодутьевых механизмов водогрейного котла» переданы МП трест «Тепло-

фикация», где используются при разработке «Программы реконструкции Пиковой котельной г. Магнитогорска до 2015 г.». Ожидаемый экономический эффект превышает 2,1 млн. руб./год. Социальный эффект заключается в повышении надежности тепло- водоснабжения населения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Губайдуллин, А.Р. Проблемы внедрения частотно-регулируемых электроприводов на ответственных механизмах тепловой электростанции / Ю.А. Крылов, И.А. Селиванов, A.C. Карандаев, А.Р. Губайдуллин, В.В. Ровнейко, P.P. Галлямов // Известия вузов. Электромеханика. 2011. № 4. - С. 19-25.

2. Губайдуллин, А.Р. Технические требования к электроприводам вспомогательных механизмов тепловой электростанции при внедрении преобразователей частоты /Ю.А. Крылов, И.А. Селиванов, В.В. Ровнейко, P.P. Галлямов, А.Р. Губайдуллин // Вестник Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. -2011.№3.-С. 15-19.

3. Губайдуллин, А.Р. Способы повышения устойчивости частотно-регулируемых электроприводов при нарушениях электроснабжения /Т.П. Корнилов, Т.Р. Храмшин, О.И. Карандаева, А.Р. Губайдуллин, P.P. Галлямов // Вестник Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. - 2011. № 4. - С. 7984.

4. Губайдуллин, А.Р. Анализ интенсивности отказов частотно-регулируемых электроприводов районных тепловых станций при нарушениях электроснабжения /В.Р. Храмшин, К.Э. Одинцов, А.Р. Губайдуллин, О.И. Карандаева, Ю.Н. Кондрашова //Вестник Южно-Уральского гос. ун-та. Серия: Энергетика. - 2014. Т. 14. № 2. - С. 68-79.

5. Губайдуллин, А.Р. Оценка ресурса энергосбережения в электроприводе дутьевого вентилятора с двухскоростным асинхронным электродвигателем / A.A. Радионов, A.C. Карандаев, P.P. Храмшин, А.Р. Губайдуллин, О.И. Карандаева, Е.А. Храмшина // Вестник Южно-Уральского гос. ун-та. Серия: Энергетика. 2014. Т. 14. № 3. - С. 61-70.

Патенты

6. Патент РФ на полезную модель 131255, МПК7 Н02Р25/02. Устройство управления двухскоростным электродвигателем дутьевого вентилятора котельного агрегата / Т.Р. Храмшин, А.Р. Губайдуллин, A.C. Карандаев, P.P. Храмшин, В.Р. Храмшин, Г.П. Корнилов // БИМП 2013. №22.

7. Патент РФ на полезную модель №132279, МПК7 Н02Р27/00. Устройство управления двигателями переменного тока / Т.Р. Храмшин, A.C. Карандаев, P.P. Храмшин, В.Р. Храмшин, А.Р. Губайдуллин, Г.П. Корнилов // БИМП 2013. №25.

8. Патент РФ на полезную модель №137437, МПК7 Н02Р25/18.

Устройство управления двухскоростным электродвигателем дутьевого венти-

15— 16Z2

лятора котельного агрегата / Т.Р. Храмшин, A.C. Карандаев, P.P. Храмшин, А.Р. Губайдуллин, В.Р. Храмшин, Г.П. Корнилов //БИМП 2014. №4.

9. Патент РФ на полезную модель №137645, МПК Н02Р25/18. Устройство управления двухскоростным электродвигателем дутьевого вентилятора котельного агрегата / Т.Р. Храмшин, A.C. Карандаев, P.P. Храмшин, А А Губайдуллин, Г.П. Корнилов, Е.А. Храмшина //БИМП 2014. №5.

Публикации в материалах международных конференций:

10. Губайдуллин, А.Р. Математическая модель асинхронного частотно-регулируемого электропривода с дополнительным звеном постоянного тока / Т.Р. Храмшин, Г.П. Корнилов, A.A. Мурзиков, P.P. Галлямов, А.Р. Губайдуллин // Труды VII Междунар. (XVIII Всерос.) науч.-техн. конф. по автоматизированному электроприводу. - Иваново: ИГЭУ, 2012. - С. 175-178.

11. Губайдуллин, А.Р. Экспериментальные исследования регулируемого электропривода на основе преобразователя частоты с электропитанием от двух независимых вводов /Т.Р. Храмшин, A.A. Мурзиков, P.P. Галлямов, А.Р. Губайдуллин // Повышение эффективности энергетического оборудования: Материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф. - М.: МЭИ, 2013.-С. 319-332.

12. Губайдуллин, А.Р. Автоматизированная система контроля водогрейного котла / P.P. Храмшин, А.Р. Губайдуллин // Сборник докладов V междунар. науч.-практ. конф. «Энергетика и энергоэффективные технологии». -Липецк: ЛГТУ, 2012.-С. 144- 145.

13. Губайдуллин, А.Р. Автоматизированная система управления водогрейным котлом КВГМ-100 / А.Р. Губайдуллин // Материалы докладов VII Междунар. молодежной науч. конф. «Тинчуринские чтения». В 4 т.; Т. 2. -Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2012. - С. 21-22.

14. Губайдуллин, А.Р. Повышение устойчивости двухскоростного частотно-регулируемого электропривода при нарушениях электроснабжения / P.P. Храмшин, Т.Р. Храмшин, А.Р Губайдуллин.// Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: сборник науч. трудов I Междунар. (IV Всерос.) науч-техн. конф. - Уфа: УГНТУ, 2013. - С. 27-30.

Подписано в печать 04.12.2014. Формат 60x84/16. Бумага тип. №1. Плоская печать. Усл. печ. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 864.

455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

2010016227

2010016227