автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Моделирование электромеханических переходных процессов в пусковых устройствах приводов переменного тока

На правах рукописи

Лаееби Абду

бар

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ПУСКОВЫХ УСТРОЙСТВКАХ ПРИВОДОВ ПЕРЕМЕНОГО ТОКА

специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы н системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007 год

003069259

Работа выполнена в Российском юсударственном университете нефти и газа им. И.М.Губкина

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ведущая организация: ОАО « Сибур - Холдинг»

Защита состоится «29» мая 2007 г. в 17, часов 00 минут на заседания Диссертационного Совета Д 212.200.14 при Российском государственном университете нефти и газа им. И.М.Губкина по адресу: Ленинский проспект, Д 65, Москва, ГСП-1, 119991, Россия, ауд. 308

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газ и им. И.М.Губкина.

Егоров Андрей Валентинович

Шевырев Юрий Вадимович кандидат технических наук, доцент Пупин Валерий Михайлович

Автореферат разослан

2007 г

И.о. Ученого секретаря диссертационного совета-д.п.н., профессор

Актуальность работы. Ирак является второй в мире страной по запасам нефти К настоящему времени в стране открыто более 100 месторождений нефти и газа с различными запасами В разработке находятся около 20 месторождений с большим числом добывающих скважин. Основным способом разработки наиболее крупных нефтяных месторождений Ирака является заводнение (как естественный водонапорный режим, так и искусственный) с применением вертикальных скважин Месторождения (Киркук, Джамбур, Эль-форат, Эль-нор и др) на севере Ирака характеризуются наличием сложнопостроенными коллекторами, трещиноватостью пород, неоднородностью и анизотропией пласта. В процессе эксплуатации вертикальных скважин происходит образование конуса воды и газа На юге Ирака эксплуатируется много нефтяных и газонефтяных месторождений. Одно из них газонефтяное месторождение «Румэйла», которое открыто в 1953г. До настоящего времени на нем пробурено 663 скважины Предстоит построить еще около 50 скважин Планируется пробурить большое количество скважин, в частности, на месторождениях "Западная Гурна" и "Нахар Умр". На северо-востоке города «Имара» расположены месторождения « Бузурган», «Абу-Гараб» и «Алфка» нефть которого транспортируется в порт «Ал-Басра» и «Ал-Фао» с помощью центробежных насосов Перспективы развития нефтегазовой промышленности Ирака связаны с освоением новых месторождений углеводородного сырья, расположенных в сложных природно-климатических условиях. Это требует создания, новых оптимальных управляемых систем электропривода центробежных насосов В настоящее время все более широкое применение в различных отраслях промышленности находят разнообразные системы пуска двигателей переменного тока Применение подобных устройств позволяет облегчить условия пуска приводов, снизить термические и динамические нагрузки на различные элементы привода

Необходимость изучения, а затем и формирования переходных процессов, определяется тем, что многие электроприводы работают в интенсивных динамических режимах, в которых происходит резкое приложение нафузкн, необходимо быстрое изменение скорости и тд. Для этих машин возникает задача сокращения длительности переходных процессов, т е. повышение быстродействия электропривода Большое значение имеет анализ переходных процессов для следящих электроприводов, которые работают, как правило, в переходных режимах, отрабатывая изменяющееся задание скорости.

В настоящее время известны математические модели приводов постоянного и переменного тока, позволяющие анализировать динамику пуска, гармонический состав токов и напряжений при использовании различных устройств пуска и регулирования угловой скорости Данные модели весьма сложны и требуют большого объема исходной информации для своего применения В то же время, многие задачи могут быть решены без учета высших гармонических составляющих, возникающих при работе подобных устройств, на основе анализа только электромеханической составляющей переходных процессов. Целесообразно для таких расчетов использовать минимально необходимый набор исходных данных, ограниченный данными каталогов и параметрами настройки пусковых устройств Таким образом, задача разработки простых электромеханических моделей систем пуска приводов переменного тока является весьма актуальной для задач проектирования и эксплуатации электротехнических систем объектов нефтяной и газовой промышленности

В работе выполнено исследование конструктивных особенностей типовых пусковых устройств, таких как устройства прямого пуска, устройства мягкого пуска, устройства частотного пуска и разработка на этой основе математических моделей названных устройств и программных модулей, ориентированных на их использование в специализированных программных продуктах Выполнены

использование в специализированных программных продуктах. Выполнены экспериментальные исследование процессов пуска асинхронных электроприводов с целью подтверждения адекватности предложенных моделей, исследовано влияние пусковых устройств на показатели качества пуска асинхронных электроприводов

Целью_диссертационной работы является разработка

электромеханических моделей устройств пуска приводов переменного тока, анализ энергетических показателей пуска асинхронных электроприводов.

Основные задачи исследования

1 Анализ принципа работы и конструктивных особенностей систем плавного и частотного пуска приводов переменного тока.

2 Построение математических моделей пусковых устройств, разработка алгоритмов расчета электромеханических переходных процессов в электроприводах, оснащенных пусковыми устройствами.

3 Проведение натурных экспериментов, подтверждающих адекватность разработанных моделей

4 Численное моделирование электромеханических переходных процессов с целью анализа энергетических показателей различных способов пуска асинхронных электроприводов

Объекты исследования. Объектами исследования являются устройства плавного и частотного пуска электроприводов переменного тока

Методы исследовании. В качестве методов исследования использованы положения теории электрических цепей, теории электрических машин, теории электропривода, численные методы решения систем дифференциальных уравнений, методы программирования

Научная новизна полученных результатов. В работе полученные следующие результаты, обладающие научной новизной

1. Разработаны математические модели, позволяющие рассчитывать и анализировать электромеханические переходные процессы, возникающие при пуске электроприводов переменного тока при использовании устройств плавного и частотного пуска

2. Получен ряд зависимостей, характеризующих затраты энергии на пуск асинхронных электроприводов при применении различных способов пуска.

3. Показана применимость выводов теории электропривода, касающихся энергетики пуска асинхронных электроприводов при пониженном напряжении, к задачам пуска таких приводов с использованием современных пусковых устройств.

Практическая значимость полученных результатов.

1 Разработанные модели реализованы в виде модулей программного комплекса, предназначенного для расчета режимов работы и электромеханических переходных процессов в системах промышленного электроснабжения

2 Показано повышение расхода электрической энергии на пуск асинхронных электроприводов при использовании существующих устройств пуска

Положения, выносимые на защиту 1. Математические модели для систем плавного пуска электроприводов переменного тока и систем автоматического переключения статорных обмоток «звезда - треугольник»

2 Математические модели для систем частотного пуска электроприводов переменного тока при различных законах совместного регулирования частоты и амплитуды выходного напряжения, траекториях пуска

3. Результаты вычислительных экспериментов по оценке энергетических показателей пуска асинхронных электроприводов с помощью различных пусковых устройств.

Публикации по диссертационной работе

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в одной статье (журнал «Промышленная энергетика»), в сборниках тезисов и материалов двух научно-технических конференций

Апробация результатов исследований

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах.

Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электроэнергетике нефтяной и газовой промышленности» -Москва, 2004 год,

- Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» - Москва, 2005 год;

- Научных семинарах кафедры Теоретической электротехники и

электрификации нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа им И М Губкина - Москва, 2003 - 2005 годы

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемой литературы Основное содержание диссертационной работы изложено на (101) страницах машинописного текста, рисунками на (31) страницах Список использованных источников содержит (78) наименований на (6 )страницах

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и задачи исследования, отражена научная новизна и практическая значимость полученных результатов

В первой главе представлен анализ существующих устройств плавного и частотного пуска электроприводов переменного тока В качестве пусковых устройств в настоящее время широко применяются устройства автоматического переключения статорных обмоток «звезда-треугольник», устройства плавного пуска (зойз1аПег), системы частотного пуска. Развитие средств расчета режимов и процессов электротехнических систем промышленных предприятий требует включения подобных устройств в существующие и создаваемые программные комплексы. В свою очередь, эта задача требует создания математических моделей пусковых устройств, пригодных для решения задач того или иного класса, и их объединения с математическими моделями собственно электрических приводов

Системы пуска приводов путем автоматического переключения статорных обмоток «звезда - треугольник» (У/Д) в настоящее время достаточно широко используются в электротехнических системах ограниченной мощности, например в системах автономного электроснабжения морских стационарных платформ. Основными преимуществами таких систем являются их простота, малая стоимость и высокая надежность в эксплуатации, отсутствие несинусоидальных искажений кривых тока и напряжения на входе и выходе устройства Основными недостатками систем пуска переключением обмоток (У/Д) следует считать ограниченные возможности снижения пусковых токов (в ^3 раз от нормального значения), существенное (в 3 раза) снижение пускового момента, невозможность управления разгоном привода и адаптации параметров и времени пуска к требованиям рабочего механизма

Устройства плавного пуска также широко применяются в электротехнических системах ограниченной мощности и в тех случаях, когда необходимо снизить величину пускового тока или угловое ускорение в процессе разгона привода. Основными достоинствами таких систем являются относительно невысокая стоимость, возможность адаптации кривой разгона к требованиям технологического процесса, возможность, при наличии в контуре управления обратной связи по угловой скорости, «подхвата» привода при его выбеге в случае глубокого и длительного провала напряжения В качестве недостатков устройств плавного пуска следует отметить: наличие больших несинусоидальных искажений кривой напряжения на выходе устройства, что влечет за собой проблему электромагнитной совместимости таких устройств, существенное снижение пускового момента двигателя.

Устройства частотного пуска являются наиболее совершенными системами плавного пуска приводов переменного тока В качестве их основных недостатком можно назвать высокую стоимость, наличие высших гармонических составляющих в кривой напряжения на выходе устройства и в кривой тока на его входе, проблемы электромагнитной совместимости

В целом анализ схем устройств плавного и частотного пуска приводов переменного тока показал следующие схемные и конструктивные особенности, важные для моделирования таких устройств:

1. КПД подобных устройств весьма высок и обычно превышает 99 %. Данный факт дает возможность не учитывать потери энергии при моделировании и считать КПД равным единице 2 В рассматриваемых устройствах существует непосредственная гальваническая связь по всей цепи от питающей сети до входа электродвигателя Данный факт позволяет полагать непрерывность тока по

указанной цепи и, с учетом сказанного выше, считать коэффициент передачи по току также равным единице.

3 Роль устройств плавного и частотного пуска сводится только к изменению параметров напряжения на выходе устройства. Для устройств плавного пуска изменяется только амплитуда напряжения; для устройств частотного пуска изменяется амплитуда и частота напряжения

Во второй главе представлены результаты моделирования пусковых устройств электроприводов переменного тока

В рамках диссертационной работы используется электромеханическая модель асинхронного двигателя. Таким образом, переходный процесс описывается одним дифференциальным уравнением - уравнением движения электропривода

J = М д (а ) - М с (а ) .

Механическая характеристика рабочего механизма - зависимость Mc(to) описывается полиномом целой степени

( У

Мс(ш) = Мй-(Мном-Ми) "

{(оа)

Для систем частотного пуска предусматривается возможность изменения частоты по законам

U и

J = const или j-г = comt.

В качестве модели асинхронного двигателя принята Т-образная схема

замещения, дополненная ветвью учета магнитных потерь в роторе Данная

модель предложена и разработана кт н А А Трифоновым (РГУ нефти и газа

им И М. Губкина) Используемая схема замещения асинхронного двигателя

представлена на рис 1 В схедое замещения учитывается изменение параметров

10

роторной цепи, обусловленное явлением вытеснения тока в стержнях роторной обмотки. Уравнение движения решается численно модифицированным методом Эйлера

Единственными переменными параметрами, определяющим кажущееся сопротивление 2а асинхронного двигателя является скольжение £ и, в случае частотного пуска, частота, напряжения на статоре двигателя. При расчетах параметров схемы замещения для случая частотного пуска учитывается приведение скольжения к номинальному значению частоты питающей сети

Ч

О—

ц

—^тт

-ГГГУХ.

к

/

г,

1

/

Рис 1. Т- образная схема замещения асинхронного двигателя с учетом магнитных потерь в роторе

Анализ названных особенностей позволяет построить математическую модель пусковых устройств, пригодную для расчета электромеханических переходных процессов. При этом учитывается только основная гармоника выходного напряжения Рассмотрим построение модели на примере устройства плавного пуска Пусть на выходе устройства в текущий момент времени существует напряжение I/? . На вход устройства приложено номинальное

напряжение питающей сети II\ Асинхронный двигатель при текущем значении скольжения з обладает кажущимся эквивалентным сопротивлением 2(ь) Ток статора двигателя определится выражением I/ = II/Ць) Такой же ток будет существовать на входе пускового устройства Тогда для питающей сети эквивалентное сопротивление асинхронного двигателя на основной гармонике будет определять выражением 2экв(!>) = 2(э) *ки, где ки - отношение входного и выходного напряжений устройства плавного пуска

Аналогичные соотношения получены и для систем частотного пуска, однако, в этом случае необходим также учет изменения эквивалентного сопротивления асинхронного двигателя при изменении частоты выходного напряжения Для полноты описания в рассматриваемые модели включено устройство пуска путем автоматического переключения статорных обмоток асинхронного двигателя звезда/треугольник Для данного случая используется известное из теории электрических цепей соотношение эквивалентных сопротивлений при их различном включении В целом для расчета тока статора используется приведенное значение кажущегося сопротивления 2щ асинхронного двигателя Данная величина определяется следующим образом

- для прямого пуска 2АД =

- для пуска переключением звезда-треугольник = '¿0(ь) >4,

- для плавного и частотного пуска 2Лц = ки,

где ки определяется отношением напряжений на входе и выходе системы плавного или частотного пуска (ки = и^/иеых) Ток статора определяется как

Л- £

2 +7

Выходными параметрами моделей являются значения тока статора, напряжения на статоре, скольжения асинхронного двигателя, мощностей, потребляемых из сети (активной и реактивной) и механической, потерь

мощности. Дополнительно рассчитываются затраты энергии на пуск, выработанная при пуске механическая энергия, суммарный накопленный тепловой импульс, тепловой импульс, накопленный за время превышения током статора своего номинального значения, потребление реактивной энергии на основной гармонике

Данные модели реализованы в одном из модулей программного комплекса SAD.

Пример расчета динамики пуска при использовании различных пусковых устройств для привода с асинхронным двигателем 4А355М4 при вентиляторном характере нагрузки приведен на рис 2 (электромеханическая постоянная времени привода составляет 0,94 с). Для проведения вычислительного эксперимента принимались следующие условия.

- полная загрузка двигателя составляет 75 % номинальной, момент сопротивления носит вентиляторный характер,

- момент трогания задавался равным 12 % номинального момента,

- пуск осуществляется при разгруженном рабочем механизме,

- коэффициент загрузки для пускового режима составляет 0,25 номинального;

- система плавного пуска работает с пусковым импульсом напряжения, равным по амплитуде 50 % номинального значения и имеющим длительность 0,2 с,

начальные значения напряжения задавались равными 30 % номинального значения для системы плавного пуска и 10% номинальною значения для систем частотного пуска Расчеты прямого пуска и пуска с автоматическим переключением статорных обмоток дали следующие значения времени разгона привода 1,12 с и 3,54 с соответственно В любом случае за время окончания разгона принимался момент затухания переходного процесса после приема приводом полной нагрузки

I, А а)

1с

Рис 6. Кривые разгона асинхронного электропривода для различных способов пуска . а) ток статора, А , б )угловая скорость, отн ед

1- пуск с устройством плавного пуска,

2- разгон привода с устройством частотного пуска при законе регулирования ^ = сит, ,

3- разгон привода с устройством частотного пуска при законе регулирования^ =Сопи.,

4- прямой пуск,

5- пуск с устройством автоматического переключения обмотки

С целью проверки адекватности полученных моделей были выполнены эксперименты по осциллографированию переходных процессов, возникающих при пуске асинхронного привода Для осциллографирования использовался компьютерный осциллограф, и было разработано и собрано устройство согласования осциллографа и привода Схема данного устройства приведена на рис 3, примеры полученных осциллограмм - на рис 4 и 5.

Рис 3. Принципиальная схема согласования а) по напряжению б) по юку в) по скорости

Рис 5 Пусковой ток и напряжение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при плавном пуске

Результаты экспериментов показали достаточно высокую степень соответствия расчетных и экспериментальных данных

16

В третьей главе излагаются результаты вычислительных экспериментов, проведенных с целью изучения влияния пусковых устройств на энергетические и ряд других показатели пуска привода переменного тока. Все исследования выполнялись для приведенного выше примера асинхронного привода Примеры полученных зависимостей приведены на рис. 6-8.

Анализ представленных и аналогичных зависимостей позволяет сделать некоторые выводы. В качестве параметров, определяющих качество пускового режима, были приняты следующие:

- затраты активной и реактивной энергии на процесс пуска,

- суммарное значение теплового импульса, накопленного электродвигателем в процессе пуске,

- значение теплового импульса, накопленного двигателем за то время, когда ток статора превышает в процессе пуска свое номинальное значение;

- максимальное действующее значение тока статора двигателя

- максимальное значение углового ускорения привода в процессе пуска.

Анализ результатов вычислительного эксперимента показывает, что способа пуска, имеющего наилучшие показатели по всем перечисленным параметрам, не существует

Так затраты активной мощности на пуск привода минимальны для прямого пуска и монотонно увеличиваются для применения любых пусковых устройств с ростом длительности пуска Такая закономерность известна достаточно давно, однако требовала подтверждения для случая использования современных пусковых устройств В целом, наибольшие затраты активной энергии на пуск электропривода характерны для систем с устройствами плавного пуска Следует учитывать, что в данном случае рассматривался не нагруженный пуск привода Для случая пуска полностью загруженного привода это различие станет еще более существенным Расход реактивной энергии по сравнению со случаем прямого пуска может заметно снижаться в приводах с системами частотного

пуска Однако, необходимо учитывать, что в диссертации анализируются только затраты реактивной энергии на основной гармонике. Учет мощности искажений, неизбежной при использовании любых полупроводниковых пусковых устройств, может существенно изменить этот вывод. Для систем плавного пуска расход реактивной энергии существенно возрастает. Учет мощности искажений сделает данное отличие еще более заметным.

Существенными факторами, влияющими на моторесурс электродвигателя и, следовательно, на его срок службы, являются величины теплового импульса, получаемого машиной при пуске, и величина пускового тока Тепловой импульс предлагается рассматривать в двух его составляющих, суммарный тепловой импульс, накапливаемый двигателем в процессе пуска, и тепловой импульс, накапливаемый двигателем за тот отрезок времени при пуске, пока величина тока статора превышает свое номинальное значение Анализ результатов вычислительных экспериментов показывает, что для приводов с системами плавного пуска обе эти величины всегда больше номинального значения за которое принимается тепловой импульс, накапливаемый двигателем при прямом пуске При этом величины теплового импульса меньше, чем при пуске с применением устройств автоматического переключения статорных обмоток «звезда-треугольник», только при временах разгона незначительно превышающих постоянную времени привода При использовании систем частотного пуска тепловой импульс существенно снижается, независимо от закона регулирования частоты. Некоторую корректировку этих результатов может дать учет дополнительных потерь, вызываемых несинусоидальностью напряжения на выходе полупроводниковых пусковых устройств

Снижение пусковых токов достигается при использовании любых пусковых устройств Особенно существенно снижение пусковых токов при использовании систем частотного пуска, управляемых по закону и=Сот1

Следует отметить, что для систем плавного пуска при значительных временах

разгона величина максимального тока определяется только амплитудой пускового импульса напряжения. При малых значениях времени разгона максимальные значения тока статора снижаются в меньшей степени.

Ряд приводов требует ограничения максимальных значений угловых ускорений в процессе их разгона Данная задача также может решаться с помощью применения различных пусковых устройств Результаты выполненных исследований показывают, что существенного снижения этого параметра можно добиться только при достаточно больших временах разгона. Лучшими показателями в этом отношении обладают системы частотного пуска Однако, следует отметить, что применение устройств автоматического переключения статорных обмоток «звезда-треугольник» в некоторых случаях может давать даже лучший результат, особенно при относительно малых временах разгона

Щ. а)

И/я, б)

Квар.час

1 -------- -

2 5 3 — ч------ 4

О I 10 )> 30 м 1 С

Рис. 6. Расход энергии ( кВт час) в зависимости от длительности разгона при различных способов пуска, а) активной, б) реактивной

1- пуск с устройством плавного пуска, 2- разгон привода с устройством частотного пуска при законе регулирования и =Сопи ; 3- разгон привода

с устройством частотного пуска при законе регулирования ^ = сопи ,

4- уровень расхода энергии для прямого пуска, 5- уровень расхода энергии для пуска с устройством автоматического переключения обмотки

КА**2.С б)

Рис. 7 Значения накопленного теплового импульса (А2 с) в зависимости от длительности разгона при различных способов пуска а) суммарный тепловой импульс, б) тепловой импульс, накопленный за то время, когда ток статора превышает в процессе пуска свое номинальное значение.

1- пуск с устройством плавного пуска, 2-разгон привода с устройством частотного пуска при законе регулирования и = const •> 3- разгон привода с

устройством частотного пуска при законе регулирования ^ = const,

4-тепловой импульс при прямом пуске; 5-тепловой импульс при пуске с устройством автоматического переключения обмотк

Imax, a) A

\ J- - - - _ 5

— ... 2

_ — . ---- - - - --

- t, с

Emax, рад/с

6)

v2J

v - 5 -—

3—- 1

' • • » » ^ с

Рис 8 . Максимальные значения параметров в зависимости от длительности разгона при различных способов пуска . а) действующее значение статора (А), б) угловое ускорение (рад/с2)

1- пуск с устройством плавного пуска, 2- разгон привода с устройством частотного пуска при законе регулирования и =сопы . 3- разгон

привода с устройством частотного пуска при законе регулирования ^ = const \ 4- прямой пуск, 5- пуск с устройством

автоматического переключения обмотки

22

В заключении диссертационной работы сформулированы следующие

основные результаты и выводы

1. Построены электромеханические модели для устройств плавного пуска, пуска автоматическим переключением обмоток статора звезда/треугольник, частотного пуска Данные модели позволяют исследовать динамику и энергетические показатели пуска, используя только каталожные данные электродвигателей и приводов и параметры настройки пусковых устройств.

2. Существующие устройства плавного и частотного пуска позволяют решить задачи обеспечения достаточно мягкого пуска, ограничить пусковые токи и температурное воздействие на привод в процессе его разгона Устройства частотного пуска обладают в комплексе наилучшими показателями по большинству критериев Устройства плавного пуска в целом имеют более низкие показатели.

3 Во многих случаях проблемы пуска могут быть решены применением устройств автоматического переключения статорных обмоток «звезда-треугольник», что особенно важно с учетом их значительно меньшей стоимости и высокой надежности

4 Существующие устройства плавного и частотного пуска не позволяют снижать расход электрической энергии на разгон привода и, более того, всегда повышают его Для каждого конкретного случая необходимо производить технико-экономическое обоснование использования устройств плавного и частотного пуска, в особенности для приводов большой мощности

5 Разработанные модели реализованы в виде программных модулей комплекса SAD, предназначенного для расчета режимов и электромеханических переходных процессов в электротехнических системах промышленных предприятий

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях.

1. Лаееби АДж. Модификация программного комплекса расчета электромеханических переходных процессов с учетом устройств мягкого пуска. / Всероссийская научно-техническая конференция «Информационные технологии в электроэнергетике нефтяной и газовой промышленности». Сборник материалов - М , 2004

2. Лаееби АДж Программные модули для расчета электромеханических

переходных процессов в электротехнических системах с устройствами плавного пуска электроприводов 6-я научно-техническая конференция «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» Тезисы докладов - М , 2005

3. Егоров А В , Лаееби АДж. Электромеханические модели устройств пуска асинхронных приводов / Промышленная энергетика, 2006, № 2

Подписано в печать /б", Формат 60x90/16 Объем Тираж 100 _Заказ _

119991, Москва, Ленинский просп ,65 Отдел оперативной полиграфии РГУ нефти и газа им ИМ Губкина

Введение

1. Обзор способов пуска электроприводов переменного тока.

1.1. Назначение устройств плавного пуска и принципиальные схемы решения

1.2. Общие принципы построения современных преобразователей частоты

1.3. Основание технических характеристик устройств плавного пуска - 29 2. Моделирование асинхронных электроприводов с пусковыми устройствами

2.1. Математическая модель асинхронного электродвигателя переменного тока для исследования устройств плавного и частотного пуска.

2. 2. Особенности характеристик асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

2. 3. Моделирование систем частотного пуска

2. 4. Моделирование систем плавного пуска

2. 5. Аналитический метод расчета электромеханических характеристик асинхронных двигателей для различных пусковых

2. 6. Расчёт механических характеристик для частотного пуска асинхронного двигателя

3. Экспериментальные исследования систем плавного и частотного пуска

3. 1. Осциллографирование переходных процессов

A) Разработка схемы для осциллографирования напряжения на статоре.

Б) Разработка схемы для осциллографирования тока статора.

B) Осциллографирования параметров скорости

3. 2. Перечень опытов

1. Прямой пуск

2.Софтстартерный пуск

Выводы

Актуальность работы Ирак является второй в мире страной по запасам нефти. К настоящему времени в стране открыто более 100 месторождений нефти и газа с различными запасами. В разработке находятся около 20 месторождений с большим числом добывающих скважин. Основным способом разработки наиболее крупных нефтяных месторождений Ирака является заводнение (как естественный водонапорный режим, так и искусственный) с применением вертикальных скважин. Месторождения (Киркук, Джамбур, Эль-форат, Эль-нор и др.) на севере Ирака характеризуются наличием сложнопостроенными коллекторами, трещиноватостью пород, неоднородностью и анизотропией пласта. В процессе эксплуатации вертикальных скважин происходит образование конуса воды и газа. На юге Ирака эксплуатируется много нефтяных и газонефтяных месторождений. Одно из них газонефтяное месторождение «Румэйла», которое открыто в 1953г. До настоящего времени на нём пробурено 663 скважины. Предстоит построить еще около 50 скважин. Планируется пробурить большое количество скважин, в частности, на месторождениях "Западная Гурна" и "Нахар Умр". На северо-востоке города «Имара» расположены месторождения « Бузурган», «Абу-Гараб» и «Алфка» нефть которого транспортируется в порт «Ал-Басра» и «Ал-Фао» с помощью центробежных насосов.

Перспективы развития нефтегазовой промышленности Ирака связаны с освоением новых месторождений углеводородного сырья, расположенных в сложных природно-климатических условиях. Это требует создания, новых оптимальных управляемых систем электропривода центробежных насосов.

В настоящее время все более широкое применение в различных отраслях промышленности находят разнообразные системы пуска двигателей переменного тока. Применение подобных устройств позволяет облегчить условия пуска приводов, снизить термические и динамические нагрузки на различные элементы привода. При этом отсутствуют достаточно простые математические модели, позволяющие включить подобные устройства к единую расчетную схему расчета и анализа электромеханических переходных процессов в системах промышленного электроснабжения. В связи с широким развитием специализированных программных продуктов решение данной проблемы весьма актуально.

Электропривод представляет собой сложную динамическую систему, состояние которой в каждый момент времени определяется текущими значениями ее переменных и приложенных к системе внешних воздействий. В разомкнутой электромеханической системе имеются механические переменные (перемещение масс, скорости, ускорения, силы, моменты и т.п.) и электрические переменные (токи обмоток, потокосцепления, их производные и т.п.). Кроме того, в связи с нагревом двигателя к числу переменных состояния следует отнести температуры частей двигателя, их производные. Внешними воздействиями в электромеханической системе являются приложенные к обмоткам напряжения, а также внешние силы и моменты.

В связи с наличием элементов, обладающих механической, электромагнитной и тепловой инерциями, при изменениях внешних воздействий переход системы от одного состояния к другому протекает во времени, и этот процесс называется переходным. В зависимости от вида инерции в системе электропривода имеют место механические, электромагнитные и тепловые переходные процессы.

Переходным процессом электропривода называется протекающий во времени процесс перехода от одного установившегося режима работы (или отключенного состояния) к другому установившемуся состоянию.

Причиной возникновения переходных процессов могут быть:

• управляющие воздействия (включение - отключение электропривода, изменение задания на скорость привода и др.);

• возмущающие воздействия, главным из которых является изменение нагрузки на валу двигателя (изменение Мс).

Необходимость изучения, а затем и формирования переходных процессов, определяется тем, что многие электроприводы работают в интенсивных динамических режимах, в которых происходит резкое приложение нагрузки, необходимо быстрое изменение скорости и т.д. Таковы электроприводы металлорежущих станков, горных экскаваторов, прокатных станов и других машин. Для этих машин возникает задача сокращения длительности переходных процессов, т.е. повышение быстродействия электропривода. Большое значение имеет анализ переходных процессов для следящих электроприводов, которые работают, как правило, в переходных режимах, отрабатывая изменяющееся задание скорости.

Переходные процессы, вызванные изменениями момента двигателя или внешних нагрузок называются механическими переходными процессами.

В электромеханической системе момент двигателя в соответствии с механической характеристикой зависит от механической переменной -скорости двигателя. Электромеханическая связь объединяет механическую и электрическую части электропривода в единую систему, переходные процессы в которой, как следствие, называются электромеханическими переходными процессами.

Изменения внешних воздействий приводят к изменению количества энергии, выделяющейся в двигателе в виде теплоты, и к соответствующим изменениям его температуры. Процессы нагрева и охлаждения двигателя зависят от электрических и электромагнитных нагрузок его элементов. Соответственно такие переходные процессы называются электротепловыми или тепловыми переходными процессами.

Переход от одного состояния системы к другому может совершаться по различным траекториям, отличающимся длительностью перехода, максимальными нагрузками электрической и механической частей системы, потерями энергии, выделяющимися в двигателе за время перехода, потреблением энергии за то же время и другими показателями. Из множества возможных траекторий при управлении электроприводом необходимо стремится выбирать такие, которые обеспечивают максимальное быстродействие, минимум потерь энергии и динамических нагрузок, максимум полезной работы и оптимальные значения других показателей, характеризующих условия протекания процесса.

Характер переходных процессов, соответствующий таким траекториям, является оптимальным в самом общем смысле. Его определение является сложной задачей в связи с многообразием оптимизируемых показателей, их различной практической значимостью и противоречивостью требований к динамическим свойствам электропривода и законам изменения управляющих воздействия.

В работе выполнено исследование конструктивных особенностей типовых пусковых устройств, таких как устройства прямого пуска, устройства мягкого пуска, устройства частотного пуска и разработка на этой основе математических моделей названных устройств и программных модулей, ориентированных на их использование в специализированных программных продуктах. Выполнены экспериментальные исследование процессов пуска асинхронных электроприводов с целью подтверждения адекватности предложенных моделей, иследовано влияние пусковых устройств на показатели качества пуска асинхронных электроприводов.

Целью диссертационной работы Яяляется разработка электромеханических моделей устройств пуска приводов переменного тока, анализ энергетических показателей пуска асинхронных электроприводов. Основные задачи исследования

1. Анализ принципа работы и конструктивных особенностей систем плавного и частотного пуска приводов переменного тока.

2. Построение математических моделей пусковых устройств, разработка алгоритмов расчета электромеханических переходных процессов в электроприводах, оснащенных пусковыми устройствами.

3. Проведение натурных экспериментов, подтверждающих адекватность разработанных моделей.

4. Численное моделирование электромеханических переходных процессов с целью анализа энергетических показателей различных способов пуска асинхронных электроприводов.

Объекты исследования Объектами исследования являются устройства плавного и частотного пуска электроприводов переменного тока. Методы исследования В качестве методов исследования использованы положения теории электрических цепей, теории электрических машин, теории электропривода, численные методы решения систем дифференциальных уравнений, методы программирования.

Научная новизна полученных результатов

В работе полученные следующие результаты, обладающие научной новизной:

1. Разработаны математические модели, позволяющие рассчитывать и анализировать электромеханические переходные процессы, возникающие при пуске электроприводов переменного тока при использовании устройств плавного и частотного пуска.

2. Получен ряд зависимостей, характеризующих затраты энергии на пуск асинхронных электроприводов при применении различных способов пуска.

3. Показана применимость выводов теории электропривода, касающихся энергетики пуска асинхронных электроприводов при пониженном напряжении, к задачам пуска таких приводов с использованием современных пусковых устройств.

Практическая значимость полученных результатов

1. Разработанные модели реализованы в виде модулей программного комплекса, предназначенного для расчета режимов работы и электромеханических переходных процессов в системах промышленного электроснабжения.

2. Показано повышение расхода электрической энергии на пуск асинхронных электроприводов при использовании существующих устройств пуска. Положения,выносимые на защиту

1. Математические модели для систем плавного пуска электроприводов переменного тока и систем автоматического переключения статорных обмоток «звезда - треугольник».

2. Математические модели для систем частотного пуска электроприводов переменного тока при различных законах совместного регулирования частоты и амплитуды выходного напряжения, траекториях пуска.

3. Результаты вычислительных экспериментов по оценке энергетических показателей пуска асинхронных электроприводов с помощью различных пусковых устройств.

Публикации по диссертационной работе

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в одной статье (журнал «Промышленная энергетика»), в сборниках тезисов и материалов двух научно-технических конференций.

Апробация результатов исследований

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электроэнергетике нефтяной и газовой промышленности» -Москва, 2004 год;

- Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» - Москва, 2005 год;

Научных семинарах кафедры Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина - Москва, 2003 - 2005 годы. Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемой литературы.

Выводы

В целом в диссертационной работе получены следующие результаты и выводы

1. Построены электромеханические модели для устройств плавного пуска, пуска автоматическим переключением обмоток статора звезда/треугольник, частотного пуска. Данные модели позволяют исследовать динамику и энергетические показатели пуска, используя только каталожные данные электродвигателей и приводов и параметры настройки пусковых устройств.

2. Существующие устройства плавного и частотного пуска позволяют решить задачи обеспечения достаточно мягкого пуска, ограничить пусковые токи и температурное воздействие на привод в процессе его разгона. Устройства частотного пуска обладают в комплексе наилучшими показателями по большинству критериев. Устройства плавного пуска в целом имеют более низкие показатели.

3. Во многих случаях проблемы пуска могут быть решены применением устройств автоматического переключения статорных обмоток «звезда-треугольник», что особенно важно с учетом их значительно меньшей стоимости и высокой надежности.

4. Существующие устройства плавного и частотного пуска не позволяют снижать расход электрической энергии на разгон привода и, более того, всегда повышают его. Для каждого конкретного случая необходимо производить технико-экономическое обоснование использования устройств плавного и частотного пуска, в особенности для приводов большой мощности.

5. Разработанные модели реализованы в виде программных модулей комплекса SAD, предназначенного для расчета режимов и электромеханических переходных процессов в электротехнических системах промышленных предприятий.

1. Абрамов Б.И., Дрожжин А.С., Дронов А.С. и др. Частотно-управляемые электроприводы на базе высоковольтных преобразователей // Электротехника. 2001. - № 1.

2. Алексеев А.Е. Конструкция электрических машин. Госэнергоиздат 1964г

3. Аникеев Г.И. Нестационарные почти периодические колебания роторов. -М.: Наука,-1979. 136с.

4. Башарин А.В., Голубев Ф.Н., Кепперман В.Г. Примеры расчета автоматизированного электропривода. Л.: Энергия, 1972.440 с.

5. Белоусенко И. В. Шварц Г. Р. Великий С. Н. Ершов М. С. Яризов А. Д. Новые технологии и современное оборудование в электроэнергетике газовой промышленности

6. Бендат Дж, Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа. М.: Мир, 1983. 312с.

7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972.450 с.

8. Боголюбов Н.Н., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. М.: Наука, 1974. - 504 с.

9. Брускин Д. Э., Зорохович А. Е., Хвостов В. С. Электрические машины. М., 1979. Ч. I.—282 с. Ч. II.—303 с.

10. Болъшман Я. М. Справочник по проектированию электропривода и силовых осветительных установок. — М.: Энергия, 1974.

11. Важнов А.И. Электрические машины. Издательство «ЭНЕРГИЯ», 1966г

12. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. М.-Л.: Энергия, 1977. 432 с.

13. Вибрации в технике. Справочник. Т.2./ Под редакцией И.И. Блехмана. -М.:Машиностроение, -1979. 352 с.

14. М.Вольдек А.И. Электрические машины. Издательство «ЭНЕРГИЯ», 1974г.840 с

15. Гейлер Л.Б. Основы электропривода.- Мн.: Вышэйшая школа, 1972.

16. Герасимов В.Г. Электротехника и электроника: книгаЗ Электрические измерения и основы электроники. М.: Энергоатомиздат, 1998г.

17. Голован А.Т. Основы электропривода. M.-JL: Госэнергоиздат, 1959. 344 с.

18. Данилевич Я. Б., Домбровский В. В., Казовский Е. Я. Параметры электрических машин переменного тока. Д.: Наука. 1965. - 340 с.

19. Дацковский А.Х., Кузнецов И.С., Роговой В.И. и др. К вопросу применения быстроходных частотно-регулируемых электроприводов магистральных газопроводов//Электротехника. — 2001. — № 1.

20. Дерцакян А. К. Перспективы развития и размещения газовой промышленности // Обзор.информ. Сер. Важнейшие научно-технические проблемы газовой промышленности. 1985. Вып.6. 72 с.21 .Дзюбин И. И. Тиристоры в электрических схемах. — М.: Энергия, 1972.

21. Жежеленко И. В. Показатели качества электроэнергии на промышленных предприятиях. М.: Энергия, 1977. 127 с.

22. Жежеленко И. В., Рабинович М. JL, Божко В. М. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях. Киев.: Техника, 1981, 160 с.

23. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. JL: Энергоатомиздат, 1987. - 324 с.

24. Зарицкий С. П. Диагностика газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. М.: Недра, 1987. - 175 с.

25. Зимин Е. Н., Чувашов И. И. Электрооборудование промышленных предприятий. Ч. 1. — М.: Стройиздат, 1977.

26. Зимин В. И,. Кап-лан М. Я, Палей А. М. и др. Обмотки электрических машин. М., 1975—288 с.

27. Иванов—Смоленский А. В. Электрические машины. М., 1980.--928 с.

28. Ильинский Н.Ф. Электроприводы постоянного тока с управляемым моментом. М.: Энергоиздат, 1981. 144 с.

29. Ильинский Н.Ф. Рожанковский Ю.В., Горнов А.О. Энергосбережение в электроприводе. М.: Высшая школа, 1989. 127 с.

30. Кацман М.М. Электрические машины. — М.: Издательский центр «Академия», 2003.

31. Келим Ю. М. Типовые элементы систем автоматического управления. — М.: «Форум», 2002.

32. Ключев. В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1985. 560 с.

33. Клюев В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. М.:1. Энергия, 1972. -320с.

34. Ковчин С. А., Сабинин Ю. А. Основы электропривода. С.-П.: Энергоатомиздат, 1994. 496 с.

35. Кононенко Е.В., Сипайлов Г. А., Хорьков К.А. Электрические машины. М.: Высшая школа, 1987. - 279с.

36. Кравчик А.Э. и др. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1982. 504 с.

37. Копылов И. П. Электрические машины. М., 1986.—360 с.

38. Костенко Г. Н., Пиотровский Jl. М. Электрические машины. JL, 1972. Ч. 1.—544 е.; 1973. Ч. И.—648 с.

39. Ла-Салль Ж., Левшиц С. Исследование устойчивости прямым методом Ляпунова. М.: Мир, 1964. - 168 с.

40. Левщик-Гарик М. Обмотки машин переменного тока. Госэнергоиздат 1964г.

41. Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Яризов А.Д. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности: Учеб. для вузов. — М.: Недра, 2000.

42. Меньшов Б. Г., Доброжанов В. И., Ершов М. С. Теоретические основы управления электропотреблением промышленных предприятий. Издательство «Нефть и Газ », М.: 1995

43. Меньшов Б. Г. Ершов М. С. надежность электроснабжения газотурбинных компрессорных станций. М.: «НЕДРА » 1995

44. Меньшов Б.Г. Ершов М. С. Вопросы управления электротехническами системями нефтегазовых комплексов в аварийных режемах // Промышленния энергетика, 1995 № 9.

45. Михайлов В. В., Жуков Ю. С., Суд И. И. Энергетика нефтяной и газовой промышленности. М.: Недра, 1982. 350 с.

46. Онищенко Г. Б. Электрический привод. Учебник для вузов М. : РАСХН. 2003 - 320.: ил.

47. Основы автоматизированного электропривода/М. Г. Чиликин, М- М. Соколов, В. М. Терехов, А. В. Шинянский. М.: Энергия, 1974. 567 с.

48. Петров Г. Н. Электрические машины. Ч. II. Асинхронные и синхронные машины. 1963.—416 с.

49. Пиотровский JI. М., Васютинский С. Б„ Несговорова Е. Д. Испытание электрических машин. Ч. 2. М., 1960. — 290 с.

50. Повышение качества электрической энергии в промышленных электрических сетях // Материалы конференции. М.: МДНТП, 1982. 176 с.

51. Потапов В. Д., Яризов А. Д. Имитационное моделирование производственных процессов в горной промышленности. М.: Высшая школа, 1981.-191 с.

52. Попов В.И. Ахонов Т. А. Макаров Jl. Н. современные асинхронные электрические машины: новая российская серия РА 1999

53. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей Правилатехники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей. М.: Энергоатомиздат, 1986г

54. Проектирование электрических машин./Под ред. И. П. Копылова. М., 1980.—495 с.

55. Справочник по автоматизированному электроприводу/Под ред. В. А Елисеева и А. В. Шинянского. М.: Энергоатомиздат, 1983. 616 с.

56. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных электродвигателей. Госэнергоиздат, 1963г.

57. Трифоном А. А. Электромеханическая модеь асинхронного двигателя с учетом магнитных потерь в роторе. // Международная конференция: «новые в идеи в науках о Земле». Материялы докладов. Т.З. -М.: КДУ, 2005.

58. Технический уровень основного оборудования и требования по его совершенствованию. 2-е изд., откорректированное по состоянию на ноябрь 1985 г. Мингазпром, Техническое управление. М., 1985. 275 с.

59. Уайт Д., Вудсон Г. Электромеханическое преобразование энергии. M.-JL: Энергия, 1964. 527 с.

60. Хайлов Н.Н. Исследование механических переходных процессов электропривода. Государственная Академия нефти и газа имени И.М. Губкина. Москва-1993 г.62 . Хализев Г. П. Электрический привод. — М.: Высшая школа, 1977.

61. Цейтлин JI. С. Электропривод, электрооборудование и основы управления. М.: «высшая школа », 1985

62. Чабан В.И. Основы теории переходных процессов электромашинных систем.

63. Львов: Высшая школа, 1980. 200 с.

64. Чиликин М. Г., Соколов М. М., Терехов В. М., Шинянский Л. В. Основы автоматизированного электропривода. — М.: Энергия, 1974.

65. Чиликин М. Г., Ключев В. И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1979. 616с.

66. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. М.: Энергоиздат, 1981.567с.

67. Шёнфелъд Р., Хабигер Э. Автоматизированные электроприводы: Пер. с нем. / Под ред. Ю.А. Бордова. Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 464 с.

68. Электромагнитные переходные процессы в асинхронном электроприводе / М. М. Соколов, J1. П. Петров, JT. Б. Масандилов, В. А.Ладензон. -М.: Энергия, 1971.-624 с.

69. Электроприводы постоянного и переменного тока с улучшенными динамическими и энергетическими показателями. -Тр. Моск. энерг. ин-та, 1982. -Вый. 570.- 108 с.

70. Энергосберегающие технические решения в электроприводе / Под ред. А. О. Горнова. М.: Изд-во МЭИ, 1991. - 56 с.

71. Cyril W. Lander, Power Electronics, Second Edition,London, 1987.

72. Fitzgerald, A. E., Electrical Machinery, McGraw-Hill, New York, 1971.

73. Ghandhi, S. K., Semiconductor Power Devices, Wiley, New York, 1977.

74. Morton, A. H., Advanced Electrical Engineering, Pitman, London, 1966, p. 221

75. Mullard Technical Handbook, Semiconductor Devices, Mullard Ltd., London

76. Pelly, B. R., Thyristor Phase-Controlled Converters and Cycloconverters, Wiley,1. New York 1971.

77. Silicon Controlled Rectifier Manual, General Electric Company, New York.