автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Энергосбережение в электроприводе переменного тока с активным выпрямителем для горного оборудования

005010509

На правах рукописи

СВИРИДЕНКО Алексей Олегович

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С АКТИВНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ ДЛЯ ГОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы

и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 ФЕВ гш

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2012

005010509

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Козярук Анатолий Евтихиевич Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Дмитриев Борис Федорович

кандидат технических наук

Скворцов Борис Алексеевич

Ведущее предприятие - Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.

Защита диссертации состоится 27 февраля 2012 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 26 января 2012 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д-р техн. наук, профессор В.В.ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время вопросы эффективного использования энергоресурсов в целом и электрической энергии в частности, а также повышения энергоэффективности электроприводов выходят на первый план в контексте развития современной мировой экономики. Энергосбережение (рационализация производства, распределения и использования энергии) стало в последние годы одним из актуальных направлений технической политики во всех развитых странах мира. В России формируется нормативная база, направленная на эффективное электропотребление и энергосбережение. Основными документами являются:

- Федеральный закон «Об энергосбережении» №28-ФЗ от 03.04.1996;

- Федеральный закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности...» №261 -ФЗ от 23.11.2009;

- Приказ Минэкономразвития России «Об утверждении примерного перечня мероприятий в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности...» №61 от 17.02.2010.

В промышленно развитых странах большая часть производимой электроэнергии (порядка 60%) потребляется электроприводами различного назначения. Совершенствование производственных механизмов и технологических процессов обусловливает развитие автоматизированного электропривода, который должен обеспечивать экономию электроэнергии за счет организации наиболее экономичной работы механизма в установившихся и переходных режимах и уменьшения потерь в самом электроприводе. Именно в области электропривода находятся основные резервы экономии и рационального использования электроэнергии.

Таким образом, задачи разработки, исследования характеристик и режимов работы и внедрения энергосберегающего электропривода для горного оборудования представляются актуальными.

В основу исследований легли работы Абрамовича Б.Н., Браславского И.Я., Вейнгера А.М., Емельянова А.П., Ефимова А.А., Жежеленко И.В., Ильинского Н.Ф., Карасева А.В., Кириллова Р.С., Лазарева Г.Б., Решетника С.Н., Усольцева А.А., Шрейнера Р.Т., Юнькова М.Г. и др.

Цель работы: повышение энергетической эффективности электроприводов промышленных установок горных предприятий путем обоснования применения систем асинхронного и синхронного привода с преобразователями частоты на основе активного выпрямителя и оценка энергоэффективности электропривода на этапе проектирования.

Для достижения обозначенной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи исследования:

1. Разработка структуры электропривода с использованием преобразователя частоты на основе активного выпрямителя для обеспечения компенсации реактивной мощности и уменьшения коэффициента искажения синусоидальности напряжения.

2. Разработка математических моделей, позволяющих рассчитать статические и динамические характеристики электроприводов на основе асинхронных и синхронных двигателей.

3. Экспериментальные исследования электроприводов с асинхронным и синхронным двигателями и преобразователями частоты на основе активного выпрямителя, сравнение результатов эксперимента с результатами математического моделирования.

4. Разработка методики оценки энергетических характеристик электропривода с преобразователем частоты на основе активного выпрямителя на этапе проектирования.

Идея работы. Применение преобразователя частоты с активным выпрямителем в структуре асинхронного и синхронного электропривода горного оборудования обеспечивает энергосбережение за счет плавных пусковых режимов, повышения и контроля коэффициента мощности (для асинхронного электропривода), хорошей электромагнитной совместимости с питающей электросетью (снижение коэффициента искажения синусоидальности напряжения и поддержание его в пределах, заданных ГОСТом) и возможности работы привода в четырех квадрантах механической характеристики (торможение с рекуперацией энергии в питающую сеть).

Методы исследований. Использованы методы теории электрических цепей, теории обобщенной электрической машины, микропроцессорных систем управления, математического моделирова-

ния динамических режимов в электроприводах с полупроводниковыми преобразователями с использованием компьютерного программного обеспечения МАТЬАВ.

Научная новизна работы:

1. Научно обосновано применение активного выпрямителя в качестве энергосберегающего элемента электропривода переменного тока горного оборудования.

2. Разработана методика оценки энергетических характеристик электропривода с преобразователем частоты на основе активного выпрямителя, позволяющая с применением математического моделирования сделать выводы об энергосберегающих качествах электропривода на этапе проектирования.

Защищаемые научные положения:

1. Электропривод переменного тока горных машин с преобразователем частоты на основе активного выпрямителя является индивидуальным комплексным энергосберегающим оборудованием, позволяющим поддерживать коэффициент мощности и коэффициент несинусоидальности напряжения в необходимых пределах и обеспечивать рекуперативное торможение.

2. Математическое моделирование и определение на его основе показателей энергоэффективности регулируемых электроприводов с преобразователями частоты с активным выпрямителем позволяют разработать методику сравнительной оценки вариантов электропривода горного оборудования и параметров системы электроснабжения горного предприятия на этапе проектирования.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основана на удовлетворительной сходимости результатов математического моделирования и экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы:

1. Разработаны новые структуры электропривода горного оборудования, включающие в себя асинхронные или синхронные электродвигатели и преобразователи частоты с активным выпрямителем.

2. Разработана математическая модель электропривода и методика оценки его энергетических характеристик, позволяющая сделать выводы об энергоэффективности электропривода на этапе проектирования.

Реализация результатов работы. Рекомендации по структуре и составу оборудования электропривода мельницы полусамоиз-мельчения (МПСИ) и электропривода системы конвейеров для дробильно-сортировочного тракта, а также методика оценки энергетических характеристик электропривода переданы в ЗАО «ВНИИ Галургии» и СП ЗАО «ИВС», где могут быть использованы при разработке приводов горного оборудования Учалинского ГОК, завода фосфатов в Сирии, Березняковского калийного производственного рудоуправления №4 ОАО «Уралкалий».

Личный вклад автора. Определение и постановка задачи. Исследование структуры электропривода эксплуатирующегося горного оборудования. Теоретическое обоснование энергоэффективности электропривода с преобразователем частоты с активным выпрямителем, разработка структуры электропривода на базе данного электрооборудования. Проведено исследование макетного образца, в составе которого задействован активный выпрямитель.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях: V международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии автоматизации и диспетчеризации промышленных предприятий» (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2010 г.); II международная научно-практическая конференция «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (Пенза, 111 У, 2011 г.); XVIII международная научно-техническая конференция «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика» (Одесса, ОГПУ, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ в научных изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 52 рисунка, 6 таблиц и список литературы из 74 наименований. Общий объем диссертации 168 страниц.

Основное содержание работы:

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 1 приведена характеристика научно-технической задачи энергосбережения средствами электропривода. Рассмотрены проблемы электромагнитной совместимости, качества напряжения, обеспечения требуемого коэффициента мощности. Выполнен анализ существующих технических средств и решений, направленных на повышение качества электроэнергии сетей горнодобывающих предприятий и улучшение электромагнитной совместимости частотнорегулируемых электроприводов с питающей сетью.

В главе 2 предложены способы решения вышеуказанной задачи энергосбережения за счет построения структуры электропривода, включающей в себя преобразователь частоты с активным выпрямителем. Рассмотрены различные варианты указанной структуры, представлены их электрические схемы и характеристики.

В главе 3 приведены результаты математического моделирования частотно-регулируемого электропривода с активным выпрямителем.

В главе 4 приведено описание макета электропривода с активным выпрямителем и результаты экспериментальных исследований. Рассмотрены алгоритмы управления электроприводом с преобразователем частоты с активным выпрямителем. Сделан сравнительный анализ векторной системы управления и системы прямого управления моментом.

В главе 5 составлена методика оценки энергетических характеристик электропривода на этапе проектирования. Предложены варианты реализации электропривода с преобразователем частоты с активным выпрямителем для мельницы полусамоизмельчения и системы конвейеров дробильно-сортировочного тракта.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решаемыми задачами.

1. Электропривод переменного тока горных машин с преобразователем частоты на основе активного выпрямителя является индивидуальным комплексным энергосберегающим оборудованием, позволяющим поддерживать коэффициент мощности и коэффициент несинусоидальности напряжения в необходимых пределах и обеспечивать рекуперативное торможение.

Современный частотно-управляемый электропривод переменного тока постепенно становится стандартом электрического привода для многих горных машин вследствие его простоты и хороших регулировочных характеристик. Однако, в большинстве случаев в электроприводе переменного тока горного оборудования используются двухзвенные полупроводниковые преобразователи частоты (ПЧ), выполненные по схеме: неуправляемый диодный выпрямитель

— автономный инвертор напряжения. Данные электроприводы находят применение прежде всего для таких механизмов, как насосы, вентиляторы, компрессоры, мельницы. Преобразователи такого типа являются нелинейными приемниками электрической энергии, потребляющими в большинстве случаев значительную реактивную мощность. Они также вносят значительные искажения в питающую сеть. Не представляется возможным обеспечить двусторонний обмен энергией между питающей сетью и двигателем, так как при генераторном торможении отдаваемая двигателем энергия не рекуперируется в сеть, а рассеивается в элементах инвертора и тормозном сопротивлении, что ограничивает возможность применения подобных приводов для такого оборудования, как, например, шахтные подъемные машины и конвейеры. Все это существенно снижает энергетическую эффективность таких ПЧ. Требования по уменьшению влияния различных потребителей на питающую сеть постоянно ужесточаются, что исключает использование простых схем выпрямителей на входе ПЧ.

Решением указанной проблемы энергосбережения является использование перспективных схем преобразователей частоты совместно с применением эффективных алгоритмов управления.

Одним из наиболее прогрессивных подходов является применение в структуре преобразователя частоты так называемого «ак-

тивного» выпрямителя (АВ), или выпрямителя с активным передним фронтом (АРЕ по зарубежной терминологии). В силовой схеме такого выпрямителя используются полностью управляемые силовые ключи, управление которыми осуществляется релейными или импульсно-модуляционными методами. Такие ПЧ выполняются на современной элементной базе полупроводниковых устройств (ЮВТ-транзисторах, ЮСТ- тиристорах) и обладают широкими возможностями экономичного преобразования параметров электрической энергии.

Пример функциональной схемы электропривода с преобразователем частоты на основе АВ представлен на рис. 1.

АВ Ф АИН

,--------------------------------------------------, ,--------------------------------------------------------------------------!

Рис. 1. Функциональная схема двухзвенного ПЧ с активным выпрямителем и автономным инвертором напряжения

В силовой цепи преобразователя частоты последовательно включены активный выпрямитель напряжения (АВ), фильтр (Ф) и автономный инвертор напряжения (АЙН). Силовые полупроводниковые переключающие элементы выпрямителя и инвертора обладают полной управляемостью и двусторонней проводимостью тока. АВ, выполненный по трехфазной мостовой схеме, преобразует напряжение питающей сети переменного тока в стабилизированное

напряжение постоянного тока и а на конденсаторе фильтра. Трехфазный мостовой АИН работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и преобразует это постоянное напряжение в переменное напряжение на выходе с требуемыми значениями частоты и амплитуды основной гармоники. Это обеспечивает благоприятную форму тока двигателя (Д) и равномерность его вращения в широком диапазоне скоростей.

Активный выпрямитель выполняется по схеме, полностью идентичной схеме инвертора и по существу представляет собой обращенный АИН, также работающий в режиме ШИМ. Так же, как и автономный инвертор, активный выпрямитель инвертирует постоянное напряжение фильтрового конденсатора иа в импульсное напряжение на своих зажимах переменного тока А, В, С. Эти зажимы связаны с питающей сетью через входные дроссели ДР. В отличие от регулируемой рабочей (полезной) частоты напряжения на зажимах переменного тока АИН (А1, В1, С1) рабочая частота напряжения на зажимах переменного тока АВ постоянна и равна частоте питающей сети. Разность мгновенных значений синусоидального напряжения питающей сети и импульсного напряжения на зажимах переменного тока АВ воспринимается дросселями ДР. Благодаря использованию режима ШИМ импульсное напряжение, формируемое активным выпрямителем на стороне переменного тока, имеет улучшенный гармонический состав. Это создает хорошие условия для фильтрации входными дросселями высших гармоник тока, потребляемого из питающей сети. Таким образом решается задача потребления из сети практически синусоидального тока. Коэффициент несинусоидапьности не превышает 4%.

Фазовый угол потребляемого тока зависит от соотношения амплитуд и фазовых углов напряжений, приложенных к дросселям со стороны сети и со стороны АВ, а также от параметров (индуктивности и активного сопротивления) дросселей. С помощью системы управления АВ можно обеспечить работу преобразователя частоты с заданным значением коэффициента мощности, например, равным единице, либо опережающим или отстающим. Поэтому ПЧ с активным выпрямителем может быть использован в системе электроснабжения либо как нейтральный элемент, либо как источник, либо как потребитель реактивной мощности. В частности, для асинхрон-

%)п %Уп

СИ] I. И 1^я ЯШ НВ 1Л

%7п_1 %Уп _2 %Уп!_3 Н1пИ 1_2 %1п 1_3

VI)Р1:£‘>39114IV) УпР2 6231.119(У) \1?К:8233.081 (У)

И ЬI 0 4ЙЙ (А) 1и г7' » ФИ- (А) И РЗ О.Ф-1 (А)

Рис. 2. Спектры токов и напряжений на вводных зажимах подъемной машины

ного электропривода становится возможным обеспечить входной коэффициент мощности более 0,98.

Как преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока автономный инвертор обладает очень ценным свойством - возможностью двустороннего энергетического обмена между сетями постоянного и переменного тока. Это свойство сохраняется и в инверсной схеме включения автономного инвертора в качестве активного выпрямителя. В итоге двухзвенный ПЧ с активным выпрямителем обеспечивает двусторонний энергетический обмен между питающей сетью и электродвигателем, в том числе режимы рекуперации энергии в питающую сеть.

Аналогичные результаты обеспечивает применение активных выпрямителей в двухзвенных ПЧ с автономными инверторами тока (АИТ).

Вместе с этим необходимо отметить, что основной сложностью на пути реализации электроприводов с ПЧ на основе АВ в промышленных масштабах является проблема управления силовыми ключами системы АВ - АМН (АИТ). Имеется ввиду сложность самих алгоритмов управления; сложность реализации алгоритмов на микропроцессорных средствах; сложность тестирования и отладки микропроцессорных систем. Поэтому необходимы высококачественные системы автоматического регулирования, учитывающие специфику активных выпрямителей как объектов управления.

В целом вышеизложенное свидетельствует о том, что преобразователи частоты с активным выпрямителем обладают комплексом ценных качеств и являются эффективным средством решения актуальных проблем построения индивидуального энергосберегающего регулируемого электропривода горного оборудования с высоким качеством потребления электроэнергии, что снижает ущерб от наличия высших гармонических в питающей сети и повышает эффективность и надежность функционирования электрооборудования.

На рис. 2 по результатам обследования режимов работы горного предприятия приведен гармонический состав кривых тока и напряжения при наличии в составе электротехнического комплекса мощных регулируемых электроприводов (насосы, вентиляторы, подъемные машины и др.). Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения достигает 12,5% при предельно допустимом

значении для напряжения 6,3 кВ 8%, а тока — 27,3% (этот показатель в России не нормируется).

Использование в системе электроприводов с активными выпрямителями позволяет обеспечить коэффициент нелинейных искажений в пределах, установленных ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».

Аналогичные результаты получены при заводских испытаниях комплектного электропривода с общим активным выпрямителем экскаватора ЭКГ-3 2 Р/3 5 К.

2. Математическое моделирование и определение на его основе показателей энергоэффективности регулируемых электроприводов с преобразователями частоты с активным выпрямителем позволяют разработать методику сравнительной оценки вариантов электропривода горного оборудования и параметров системы электроснабжения горного предприятия на этапе проектирования.

Для анализа электромеханических процессов, протекающих в различных режимах работы регулируемого электропривода переменного тока, в том числе для структур с активным выпрямителем, целесообразно использование компьютерных математических моделей, выполненных в пакете прикладных программ МАТЬАВ-7,0. В модель вводятся параметры реальных двигателей и полупроводниковых преобразователей.

Для разных типов двигателей (асинхронный с короткозамкнутым ротором, асинхронный с фазным ротором, синхронный с электромагнитным возбуждением, синхронный с возбуждением от постоянных магнитов), для разных способов определения расчетных параметров (привод с датчиками механических величин или без них), а также при разных системах управления (векторное управление, прямое управление моментом) математические модели будут различаться. Рассмотрим для примера электропривод с синхронным двигателем с электромагнитным возбуждением, с датчиком положения ротора (ДПР), с векторной системой управления.

Схема замещения силовой части АВ представлена на рис. 3.

Л"

Й 05

Гг

Єн

IV-» 14.'- 1\0 Г-*~1

Ф ф *{§•» | V-

Рис. 3. Схема замещения силовой части активного выпрямителя

Математическое описание процессов, протекающих в силовой части АВ, может быть представлено следующими уравнениями:

^5 = У/яип + Я ■ /х + /.

Л

С

л

= $п‘п + $г>‘ь + ~

(1)

Первое уравнение представлено в векторной форме в неподвижной системе координат. Это векторное уравнение может быть записано в виде проекций обобщающих векторов на координатные оси с1-я, вращающиеся со скоростью тпк:

Ж

ї</ (/ тег/

(ІІ

(2)

Привязав оси координат к вектору напряжения и5, при этом пренебрегая величиной Я в силу ее малости, можно проекции вектора напряжения инвертора на оси сі, ч записать в следующем виде:

Для стабилизации токов Isd,Isq на заданном уровне можно ввести пропорциональные регуляторы:

Ud invert. =-К\- (JS(/,-Ixd)/AT + m-L-1щ + Uш; U4,m,en=-K2-(IS42-IS4)/AT-^L-Iwi;

где К1, К2 - коэффициенты регуляторов.

Задания по токам Isdz,Isqx определяются, исходя из следующих соображений. Задание по активному току Isdz определяется требуемым выходным напряжением и зависит от тока нагрузки, поэтому оно должно сниматься непосредственно с регулятора напряжения. Реактивный ток Isqz, при представлении активного выпрямителя чисто активной нагрузкой, должен быть равен нулю.

На рис. 4 представлена модель привода с векторной системой управления с ДПР и АВ. Здесь, в отличие от уравнений (4), использованы пропорционально-интегральные регуляторы.

Активный выпрямитель питается через дроссели от сети 6 кВ (блок “3-Phase Sourse 6kV”). Силовой трансформатор отсутствует. Блоки, относящиеся к активному выпрямителю, помечены серым цветом: дроссели (блок “Drossel”), силовая часть (“Three-Level GTO Inverters 1”), звено постоянного тока (“С Г, “С2”, “Capacit”), система управления АВ (“Vector control A_R”), а также сигналы измерений и заданий. В активном выпрямителе установлены силовые ключи на базе GTO - тиристоров, аналогично инвертору. Автономный инвертор напряжения обозначен в модели блоком “Three-Level GTO Inverters 2”, его система управления - блоком “Vector control”. Синхронный электродвигатель представлен блоком “Synchronous Machine”, блоку “Scope4” соответствует имитационный осциллограф для протоколирования режимов работы.

Номинальные параметры модельного аналога двигателя имели следующие значения:

- тип двигателя: двигатель синхронный ДСЗ-4000-6-40;

- номинальные мощность и напряжение: 4000 кВт, 6 кВ;

- номинальный ток фазы статора: 507 А;

- номинальные напряжение и ток возбуждения: 280 В, 120 А.

Рис. 4. Модель синхронного электропривода с векторной системой управления, с датчиком положения ротора и активным выпрямителем

Рис. 5. Мощность и ток, потребляемые приводом с активным выпрямителем из сети

(А)

1 2 3 4 5 6 7

Рис. 6. Фрагмент графика потребляемого из сети тока приводом с активным выпрямителем (для установившегося номинального режима)

При моделировании рассматривались статические и динамические режимы, протекающие в электроприводе при разгоне, установившемся режиме, торможении и реверсе. В результате моделирования получены графики переходных процессов (временные зависимости тока, мощности, скорости), а также графики потребляемой из сети мощности и тока. Графики потребляемой мощности и тока при разгоне привода до номинальной скорости и торможении до нулевой скорости представлены на рис. 5 и 6.

Как видно из графиков, привод потребляет чисто активную мощность. Потребляемый ток имеет почти синусоидальную форму.

Необходимо упомянуть и некоторые другие варианты возможной реализации электропривода с активным выпрямителем.

Во-первых, для управления синхронными электроприводами обычно используют датчики положения ротора, причем для более надежной работы часто устанавливают два отдельных датчика. Синхронные электроприводы с высокими требованиями по динамике, а также длительно работающие вблизи нулевой скорости в дальнейшем будут оборудованы датчиками положения. Однако даже мощные синхронные электроустановки, где требования к динамике не столь высоки, могут обойтись без ДПР. Установка ДПР, сигналы которого являются опорными для векторной системы управления, существенно уменьшает надежность привода в целом. Поэтому в последнее время стал популярен бездатчиковый метод регулирования, с появлением быстродействующих сигнальных процессоров (DSP) и контроллеров на их основе, позволяющих реализовать системы автоматического управления с расчетом регулируемых координат в реальном масштабе времени. Алгоритм бездатчикового вычисления скорости и углового положения ротора обязательно включает в себя решение дифференциальных уравнений, описывающих динамику синхронной машины.

Во-вторых, альтернативой векторной системе управления является система прямого управления моментом (DTC), основанная на табличном вычислении вектора напряжения. Вектор напряжения перемещается скачками, при этом ключи инвертора переключаются только тогда, когда рассогласования по потокосцеплению или моменту достигли заданного уровня. Такие системы более просты в реализации по сравнению с классической системой векторного

управления, в которой требуется прямое и обратное преобразование координат электропривода и применение регуляторов составляющих тока статора. Для ОТС характерна более быстрая отработка возмущающего воздействия, вследствие чего они больше подходят для работы со случайной резкопеременной нагрузкой. Недостатком являются более заметные, по сравнению с векторным управлением, пульсации момента на низких скоростях вращения вала.

Таким образом, принимая во внимание математическое моделирование, можно составить методику сравнительной оценки вариантов электропривода горного оборудования и параметров системы электроснабжения горного предприятия на этапе проектирования:

- на основании технического задания составляется исходная функциональная схема электропривода;

- разрабатывается компьютерная модель электропривода, в которую вводятся параметры оборудования, предполагаемого проектом;

- производится обработка математической модели: построение графиков переходных процессов в электроприводе при различных режимах работы и графиков потребляемой мощности и тока. В том числе определение коэффициента мощности и коэффициента искажения синусоидальности напряжения;

- выполняется сравнение результатов расчета по математической модели с параметрами, заданными техническим заданием, и значениями, определенными нормативными документами;

- в случае несоответствия параметров принимается решение об изменении состава элементов функциональной схемы привода. Далее математическая модель корректируется, и обработка результатов производится заново.

При этом необходимо отметить, что использование математических моделей обосновано только после проверки адекватности модели методом проведения эксперимента и оценки режимов работы привода на экспериментальном стенде небольшой мощности. Исследования различных режимов работы привода на стенде позволяют оценить общие свойства и характеристики электропривода и выявить соответствие зависимостей, полученных в результате моделирования зависимостям, полученным в результате опыта. В данном случае стендовые испытания были проведены с использованием агрегата, состоящего из двух спаренных двигателей - асинхронного и

синхронного, а также статического преобразователя частоты МОУГОШУЕ МОХ61В ООЗО-5АЗ-4-ОТ. В итоге были сделаны выводы об удовлетворительной сходимости результатов математического моделирования и экспериментальных исследований.

Для иллюстрации энергоэффективности электроприводов горных машин за счет повышения коэффициента мощности (Км=1) при использовании преобразователей частоты с активным выпрямителем для асинхронного электропривода средней и большой мощности на рис. 7 приведены графики относительных потерь электроэнергии в зависимости от коэффициента использования оборудования Ки.

Д%У, отн. ед.

Рис. 7. Относительные потери электроэнергии при работе электропривода без компенсации реактивной мощности и с компенсацией

За единицу потерь приняты потери энергии в номинальном режиме. Рассмотрены: вариант 1 - работа электропривода без компенсации реактивной мощности (КРМ); вариант 2 - с использованием активного выпрямителя в качестве КРМ.

За счет повышения коэффициента мощности потребляемый из сети ток снижается на (20...35)%, а удельный расход электроэнергии -на (8... 16)%.

На основании вышеизложенного, для проектирования электрооборудования на горных предприятиях для проектных организаций (ЗАО «ВНИИ Галургии» и СП ЗАО «ИВС», г. Санкт-Петербург) были предложены к реализации следующие структуры электропривода оборудования.

1. Электропривод мельницы полусамоизмельчения (МПСИ). В настоящее время на Зангезурском медно-молибденовом комбинате (Армения, г. Каджаран) модернизируется технологическая линия измельчения с целью увеличения производительности переработки медно-молибденовых руд. Вводится в строй новый корпус полусамоизмельчения с установкой в нем нового измельчительного оборудования.

Основной единицей оборудования является МПСИ с двухдвигательным синхронным электроприводом 2x4500 кВт и преобразователем частоты на основе 12-пульсного неуправляемого выпрямителя разработки фирмы «АВВ». Однако есть предпосылки к использованию активного выпрямителя в подобных мельницах для других объектов: ГОК «Эрдэнэт» (Монголия) и Учалинский ГОК (Россия). Применение электропривода с активным выпрямителем позволит не только регулировать скорость вращения МПСИ для варьирования интенсивности измельчения (т.е. производительности) и защиты дорогостоящих футеровок в корпусе мельницы от разрушения мелющими шарами, но и обеспечить необходимую электромагнитную совместимость с питающей сетью (снизится коэффициент несинусо-идальности питающего напряжения) и режимы с рекуперацией энергии в сеть при замедлениях и остановах.

2. Электропривод системы конвейеров дробильносортировочного тракта. В качестве примера возможной реализации может послужить завод фосфатов в Сирии. Дробильное отделение территориально расположено на расстоянии 2,5 км от площадки основных сооружений и связано с ней конвейерным трактом, включающим в себя 3 ленточных конвейера:

- №1: длина 1000 м, угол наклона до 25°, два асинхронных электродвигателя мощностью по 250 кВт каждый;

- №2: длина 250 м, угол наклона до 5°, один асинхронный электродвигатель мощностью 250 кВт;

- №3: длина 1250 м, угол наклона до 25°, два асинхронных электродвигателя мощностью по 315 кВт каждый'

В данном случае имеет место транспортировка материала конвейером под уклоном вниз. Поэтому энергия торможения, которая будет неизбежно присутствовать, при исполнении электропривода с

активным выпрямителем может быть регенерирована в электрическую мощность и направлена обратно в питающую сеть, тем самым обусловливая энергосбережение.

Плюс к этому известно, что наиболее дорогим и незащищенным компонентом любого ленточного конвейера является лента. Пуск и останов ленты должны выполняться плавно в управляемом режиме, чтобы не подвергать ленту излишним нагрузкам. А этого можно добиться, применив линейное ускорение или замедление с частотным регулированием, особенно для случая наклонных конвейеров. Повышение коэффициента мощности за счет использования ПЧ с активным выпрямителем приводит к уменьшению потерь электроэнергии и обеспечению энергосбережения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится научно-обоснованное решение актуальной научно-технической задачи повышения энергетической эффективности электроприводов горного оборудования путем создания и применения систем асинхронного и синхронного привода с преобразователями частоты на основе активного выпрямителя.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Использование активного выпрямителя в составе преобразователя частоты обеспечивает коэффициент мощности, близкий к единице, и коэффициент искажения синусоидальности напряжения в пределах, установленных ГОСТ.

2. Разработаны структуры регулируемого электропривода с применением в составе преобразователя частоты активного выпрямителя. Рассмотрены электроприводы на базе асинхронного и синхронного двигателей.

3. Экспериментальные исследования на физической модели, включающей преобразователь частоты с активным выпрямителем и нагрузочное устройство, показали адекватность предложенной математической модели.

4. Разработана методика оценки энергетических характеристик электропривода с преобразователем частоты на основе активного выпрямителя на этапе проектирования.

5. Предложены варианты реализации электропривода с преобразователем частоты с активным выпрямителем для горного оборудования: мельницы полусамоизмельчения и системы конвейеров дробильно-сортировочного тракта.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Свириденко А.О. Структура двухдвигательного синхронного частотно-регулируемого электропривода мельницы полусамоизмельчения // Горное оборудование и электромеханика. М., 2011. №3. С. 32-36.

2. Дробкин Б.З., Емельянов А.П., Козярук А.Е., Свириденко А.О. Высокодинамичные энергоэффективные электроприводы горных машин // Горное оборудование и электромеханика. М., 2011. №4. С. 34-39.

3. Емельянов А.П., Свириденко А.О. Алгоритм управления электроприводом с вентильным двигателем и преобразователем частоты с активным выпрямителем // Записки Горного института. СПб., 2011. Том 189. С. 87-90.

4. Свириденко А.О. Электромеханические процессы в электроприводах горных машин на основе синхронного двигателя // Записки Горного института. СПб., 2011. Том 189. С. 103-106.

5. Козярук А.Е., Кузнецов Н.М., Федоров О.В., Свириденко А.О. Искажение формы питающего напряжения в сетях электроснабжения при наличии полупроводниковых преобразователей // Горное оборудование и электромеханика. М., 2011. №6. С. 30-35.

6. Свириденко А.О. Энергосберегающий электропривод горного оборудования // Материалы II международной научнопрактической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» - Сборник статей ПГУ. Пенза, 2011. С. 36-39.

7. Козярук А.Е., Свириденко А.О. Автоматизированная система управления электроприводом мельниц полусамоизмельчения // Материалы XVIII международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика» - журнал «Электротехнические и компьютерные системы». Одесса, 2011. №3 (79). С. 232-235.

РИЦ СПГГУ. 24.01.2012. 3.40 Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

61 12-5/1683

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный университет»

На правах рукописи

СВИРИДЕНКО АЛЕКСЕЙ ОЛЕГОВИЧ

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С АКТИВНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ ДЛЯ ГОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Козярук А.Е.

Санкт-Петербург 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...........................................................5

Глава 1: Проблемы качества электроэнергии в электрических сетях горных предприятий и анализ существующих технических средств и решений, направленных на повышение качества электроэнергии...........13

1.1 Проблемы качества электроэнергии в электрических сетях

горных предприятий................................................ 13

1.2 Анализ качества электроэнергии в электрической сети с полупроводниковыми преобразователями.............................. 18

1.3 Анализ существующих технических средств и решений,

направленных на повышение качества электроэнергии...................21

Выводы к главе 1...................................................30

Глава 2: Энергосбережение средствами электропривода с

преобразователем частоты на основе активного выпрямителя.............31

2.1 Непосредственные преобразователи частоты........................31

2.2 Двухзвенные преобразователи частоты с промежуточным

звеном переменного тока............................................35

2.3 Двухзвенные преобразователи частоты с промежуточным

звеном постоянного тока............................................37

2.4 Двухзвенные преобразователи частоты с промежуточным

звеном постоянного тока на базе активных выпрямителей................42

2.5 Разработанные структуры преобразователей частоты с

активными выпрямителями..........................................53

Выводы к главе 2...................................................63

Глава 3: Математическое моделирование частотно-регулируемого электропривода с активным выпрямителем.............................65

3.1 Математическое моделирование синхронного электропривода с электромагнитным возбуждением, с датчиком положения ротора

и с векторной системой управления...................................65

3.2 Математическое моделирование синхронного электропривода

с электромагнитным возбуждением, без датчика положения ротора и с векторной системой управления...................................79

3.3 Математическое моделирование синхронного электропривода

с вентильным двигателем, без датчика положения ротора и с прямым

управлением моментом..............................................88

Выводы к главе 3...................................................95

Глава 4: Экспериментальные исследования макета электропривода

с активным выпрямителем. Алгоритмы управления электроприводом......96

4.1 Описание макета электропривода с активным выпрямителем...........96

4.2 Результаты физического моделирования на стенде...................106

4.3 Способы управления регулируемым электроприводом............... 112

4.3.1 Векторное управление......................................... 113

4.3.2 Прямое управление моментом.................................. 114

Выводы к главе 4..................................................126

Глава 5: Методика оценки энергетических характеристик электропривода на этапе проектирования. Варианты промышленной реализации электроприводов с активным выпрямителем.................127

5.1 Методика оценки энергетических характеристик электропривода

на этапе проектирования............................................127

5.2 Эксплуатирующиеся горные машины с электроприводом с

активным выпрямителем на территории России........................ 130

5.3 Вариант промышленной реализации электропривода с активным выпрямителем для мельницы полусамоизмельчения.................... 136

5.4 Вариант промышленной реализации электропривода с активным

выпрямителем для дробильно-сортировочного конвейерного тракта.......145

Выводы к главе 5..................................................153

Заключение.......................................................154

Список использованной литературы..................................156

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время вопросы эффективного использования энергоресурсов в целом и электрической энергии в частности, а также повышения энергоэффективности электроприводов выходят на первый план в контексте развития современной мировой экономики. Энергосбережение (рационализация производства, распределения и использования энергии) стало в последние годы одним из актуальных направлений технической политики во всех развитых странах мира. В России формируется нормативная база, направленная на эффективное электропотребление и энергосбережение. Основными документами являются:

- Федеральный закон «Об энергосбережении» №28-ФЗ от 03.04.1996;

Федеральный закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности...» №261-ФЗ от 23.11.2009;

- Приказ Минэкономразвития России «Об утверждении примерного перечня мероприятий в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности...» №61 от 17,02.2010.

В промышленно развитых странах большая часть производимой электроэнергии (порядка 60%) потребляется электроприводами различного назначения. Совершенствование производственных механизмов и технологических процессов обусловливает развитие автоматизированного электропривода, который должен обеспечивать экономию электроэнергии за

счет организации наиболее экономичной работы механизма в установившихся и переходных режимах и уменьшения потерь в самом электроприводе. Именно в области электропривода находятся основные резервы экономии и рационального использования электроэнергии.

Таким образом, задачи разработки, исследования характеристик и режимов работы и внедрения энергосберегающего электропривода для горного оборудования представляются актуальными.

В основу исследований легли работы Абрамовича Б.Н., Браславского И.Я., Вейнгера A.M., Емельянова А.П., Ефимова A.A., Жежеленко И.В., Ильинского Н.Ф., Карасева A.B., Кириллова P.C., Лазарева Г.Б., Решетняка С.Н., Усольцева A.A., Шрейнера Р.Т., Юнькова М.Г. и др.

Цель работы: повышение энергетической эффективности электроприводов промышленных установок горных предприятий путем обоснования применения систем асинхронного и синхронного привода с преобразователями частоты на основе активного выпрямителя и оценка энергоэффективности электропривода на этапе проектирования.

Для достижения обозначенной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи исследования:

1. Разработка структуры электропривода с использованием преобразователя частоты на основе активного выпрямителя для обеспечения

компенсации реактивной мощности и уменьшения коэффициента искажения синусоидальности напряжения.

2. Разработка математических моделей, позволяющих рассчитать статические и динамические характеристики электроприводов на основе асинхронных и синхронных двигателей.

3. Экспериментальные исследования электроприводов с асинхронным и синхронным двигателями и преобразователями частоты на основе активного выпрямителя, сравнение результатов эксперимента с результатами математического моделирования.

4. Разработка методики оценки энергетических характеристик электропривода с преобразователем частоты на основе активного выпрямителя на этапе проектирования.

Идея работы. Применение преобразователя частоты с активным выпрямителем в структуре асинхронного и синхронного электропривода горного оборудования обеспечивает энергосбережение за счет плавных пусковых режимов, повышения и контроля коэффициента мощности (для асинхронного электропривода), хорошей электромагнитной совместимости с питающей электросетью (снижение коэффициента искажения синусоидальности напряжения и поддержание его в пределах, заданных ГОСТом) и возможности работы привода в четырех квадрантах механической характеристики (торможение с рекуперацией энергии в питающую сеть).

Методы исследований. Использованы методы теории электрических цепей, теории обобщенной электрической машины, микропроцессорных систем управления, математического моделирования динамических режимов в электроприводах с полупроводниковыми преобразователями с использованием компьютерного программного обеспечения МАТЬАВ.

Научная новизна работы:

1. Научно обосновано применение активного выпрямителя в качестве энергосберегающего элемента электропривода переменного тока горного оборудования.

2. Разработана методика оценки энергетических характеристик электропривода с преобразователем частоты на основе активного выпрямителя, позволяющая с применением математического моделирования сделать выводы об энергосберегающих качествах электропривода на этапе проектирования.

Защищаемые научные положения:

1. Электропривод переменного тока горных машин с преобразователем частоты на основе активного выпрямителя является индивидуальным комплексным энергосберегающим оборудованием, позволяющим поддерживать коэффициент мощности и коэффициент несинусоидальности напряжения в необходимых пределах и обеспечивать рекуперативное торможение.

2. Математическое моделирование и определение на его основе показателей энергоэффективности регулируемых электроприводов с преобразователями частоты с активным выпрямителем позволяют разработать методику сравнительной оценки вариантов электропривода горного оборудования и параметров системы электроснабжения горного предприятия на этапе проектирования.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основана на удовлетворительной сходимости результатов математического моделирования и экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы:

1. Разработаны новые структуры электропривода горного оборудования, включающие в себя асинхронные или синхронные электродвигатели и преобразователи частоты с активным выпрямителем.

2. Разработана математическая модель электропривода и методика оценки его энергетических характеристик, позволяющая сделать выводы об энергоэффективности электропривода на этапе проектирования.

Реализация результатов работы. Рекомендации по структуре и составу оборудования электропривода мельницы полусамоизмельчения (МПСИ) и электропривода системы конвейеров для дробильно-сортировочного тракта, а

также методика оценки энергетических характеристик электропривода переданы в ЗАО «ВНИИ Галургии» и СП ЗАО «ИВС», где могут быть использованы при разработке приводов горного оборудования Учалинского ГОК, завода фосфатов в Сирии, Березняковского калийного производственного рудоуправления №4 ОАО «Уралкалий».

Личный вклад автора. Определение и постановка задачи. Исследование структуры электропривода эксплуатирующегося горного оборудования. Теоретическое обоснование энергоэффективности электропривода с преобразователем частоты с активным выпрямителем, разработка структуры электропривода на базе данного электрооборудования. Проведено исследование макетного образца, в составе которого задействован активный выпрямитель.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях: V международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии автоматизации и диспетчеризации промышленных предприятий» (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2010 г.); II международная научно-практическая конференция «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (Пенза, ПТУ, 2011 г.); XVIII международная научно-техническая конференция

«Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика» (Одесса, ОГПУ, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 5 работ в научных изданиях, рекомендованных «Перечнем ВАК...».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 52 рисунка, 6 таблиц и список литературы из 74 наименований. Общий объем диссертации 168 страниц.

Основное содержание работы:

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 1 приведена характеристика научно-технической задачи энергосбережения средствами электропривода. Рассмотрены проблемы электромагнитной совместимости, качества напряжения, обеспечения требуемого коэффициента мощности. Выполнен анализ существующих технических средств и решений, направленных на повышение качества электроэнергии сетей горнодобывающих предприятий и улучшение электромагнитной совместимости частотно-регулируемых электроприводов с питающей сетью.

В главе 2 предложены способы решения вышеуказанной задачи энергосбережения за счет построения структуры электропривода, включающей в себя преобразователь частоты с активным выпрямителем. Рассмотрены различные варианты указанной структуры, представлены их электрические схемы и характеристики.

В главе 3 приведены результаты математического моделирования частотно-регулируемого электропривода с активным выпрямителем.

В главе 4 приведено описание макета электропривода с активным выпрямителем и результаты экспериментальных исследований. Рассмотрены алгоритмы управления электроприводом с преобразователем частоты с активным выпрямителем. Сделан сравнительный анализ векторной системы управления и системы прямого управления моментом.

В главе 5 составлена методика оценки энергетических характеристик электропривода на этапе проектирования. Предложены варианты реализации электропривода с преобразователем частоты с активным выпрямителем для мельницы полусамоизмельчения и системы конвейеров дробильно-сортировочного тракта.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решаемыми задачами.

ГЛАВА 1: ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И РЕШЕНИЙ, НАПРАВЛЕННЫХ НА ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

1.1 Проблемы качества электроэнергии в электрических сетях горных предприятий

Широкое применение полупроводниковых преобразователей обусловлено высокими технико-экономическими показателями и эксплуатационными достоинствами, соответствующими современным требованиям технологических процессов, и поэтому становится главным средством управляемого преобразования электрической энергии в механическую.

Среди неблагоприятных особенностей полупроводниковых преобразователей, применяемых, в частности, в регулируемых электроприводах, ухудшающих их электромагнитную совместимость с примыкающими сетями электроснабжения, наиболее существенными являются потребление реактивной мощности и искажение формы напряжения, обусловленное генерированием в сеть высших гармоник [30].

Высшие гармоники напряжения и тока неблагоприятно влияют на электрооборудование, системы автоматики, релейной защиты, телемеханики и связи: появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях; затрудняется компенсация реактивной мощности с

помощью батарей конденсаторов; сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов; возрастает аварийность в кабельных сетях; ухудшается качество работы, а иногда появляются сбои в работе систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи.

При работе асинхронных двигателей в условиях несинусоидальности напряжения снижается их коэффициент мощности и вращающий момент на валу. Так, если амплитуды 5-й и 7-й гармоник составляют соответственно -20% и 15% амплитуды основной гармоники, то коэффициент мощности двигателя уменьшается в среднем на 2,6% в сравнении с его значением при синусоидальном напряжении. Моменты, развиваемые высшими гармониками, незначительны, однако во избежание недопустимого превышения температуры изоляции асинхронных двигателей при наличии дополнительных потерь от высших гармоник необходимо уменьшать нагрузку на валу.

Добавочные потери мощности, обусловленные высшими гармониками, возникают в обмотках, а также в стали статора и ротора асинхронных двигателей.

В то же время искажения формы напряжения заметно сказываются на возникновении и протекании ионизационных процессов в изоляции электрических машин и трансформаторов. При наличии газовых включений в изоляции возникает ионизация, сущность которой заключается в образовании объемных зарядов и последующей их нейтрализации. Нейтрализация зарядов связана с рассеянием энергии, следствием которого является электрическое,

механическое и химическое воздействие на диэлектрик. В результате в изоляции возникают местные дефекты, что приводит к снижению ее электрической прочности, возрастанию диэл�