автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Обеспечение энергосбережения в синхронном электроприводе группы компрессорных установок с системой частотного регулирования угловой скорости

На правах рукописи

ТУРКИН Максим Александрович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В СИНХРОННОМ

/

ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ГРУППЫ КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК С СИСТЕМОЙ ЧАСТОТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

Специальность 05 09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003070126

Воронеж - 2007

003070126

Работа выполнена в Липецком государственном техническом университете

Научный руководитель- доктор технических наук, профессор

Мещеряков Виктор Николаевич

Официальные оппоненты. доктор технических наук, профессор

Зайцев Александр Иванович

кандидат технических наук, Пашков Владимир Николаевич

Ведущая организация Тамбовский государственный технический

Защита диссертации состоится «30» мая 2007 г в 10 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д212 037 09 Воронежского государственного технического университета по адресу 394026, г Воронеж, Московский просп, 14

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета

Автореферат разослан « » апрель 2007 г Ученый секретарь

университет

диссертационного совета

Кононенко К Е

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования Синхронные двигатели (СД) получили широкое распространение в промышленности благодаря таким качествам как дешевизна, регулируемый соБф, высокий КПД, приемлемые массогабаритные показатели В настоящее время ими оснащены практически все высокомощные неуправляемые механизмы, например, вентиляторы, насосы В связи с увеличивающимися технологическими и экономическими требованиями все большая часть данного вида приводов переводится в разряд регулируемых Внедрение частотного преобразователя позволяет повысить экономичность установленного СД, а также повышает срок службы механической составляющей привода, благодаря плавности операций пуска-торможения Развитие промышленной электроники позволило создать системы электропривода (ЭП) на базе СД, которые по своим характеристикам не уступают системам с двигателями постоянного тока (ДПТ) Тем не менее, структуры систем управления синхронного ЭП, сложившиеся в настоящее время, требуют дальнейшего совершенствования

Системы частотного синхронного ЭП находят все большее применение на мощных производственных механизмах, например, прокатных станах В этом случае к ЭП предъявляются высокие требования в отношении динамических и экономических свойств В ЭП турбомеханизмов, напротив, требования к динамике и глубине регулирования частоты вращения не столь критичны, поэтому здесь наилучшим решением является применение системы управления, обеспечивающей регулирование расхода и давления воздуха при помощи регулирования скорости вращения ротора СД с использованием системы без датчика скорости Таким образом, разработка экономичных систем векторного управления синхронного ЭП с использованием современного математического аппарата является актуальной и своевременной

Выше изложенное позволяет сделать вывод об актуальности разработки новых систем автоматизированных электроприводов на основе синхронного двигателя

Работа написана в рамках научного направления кафедры электропривода ЛГТУ «Разработка и исследование систем электропривода переменного тока», а также при поддержке гранта РФФИ 07-08-96431 «Анализ и синтез систем

управления динамическими процессами в нелинейных электромеханических системах»

Целью работы является исследование систем частотного электропривода и их совершенствование путем внедрения новых алгоритмов управления, разработанных на основе модифицированной математической модели СД, обеспечивающих энергосбережение в статических и динамических режимах

Задачи работы

- разработка принципов построения многодвигательного энергосберегающего синхронного ЭП компрессорной станции при режиме работы нескольких (от 1 до 3) компрессоров с постоянной производительностью и одного частотно регулируемого электропривода,

- разработка структуры системы рационального частотного управления синхронным ЭП на основе математической модели, позволяющей учитывать насыщение СД по двум координатам,

- разработка математической модели синхронного ЭП, наиболее полно учитывающей физику работы силовой части преобразователя частоты (ПЧ), инвертора тока (ИТ) с релейным регулятором, позволяющей исследовать свойства СД при питании от несинусоидального источника тока, построенного на базе регулируемых выпрямителя и инвертора,

- разработка методики расчета энергетических характеристик разработанной системы частотного ЭП компрессорной станции

Методы исследования В работе использованы методы классической теории автоматического управления, математического моделирования на базе современных вычислительных и программных средств, экспериментального подтверждения

Научная новизна

- предложена новая система управления преобразователя частоты (ПЧ) с инвертором тока и с релейным регулятором, отличающаяся от известных возможностью работы с минимальной частотой коммутации ключей инвертора, обеспечивая тем самым снижение потерь в ПЧ,

- предложен принцип построения системы векторного управления с датчиком скорости, отличающийся от известных возможностью задания модулей вектора тока статора и вектора основного потока и угла между ними, с обеспечением любых режимов работы от высокодинамичных до статических с улучшенными энергетическими характеристиками,

- предложена новая система экономичного управления без датчика угла положения ротора, отличающаяся от известных наличием наблюдателя угла положения ротора и скорости, обеспечивающая повышение энергетических показателей такого привода за счет поддержания минимального тока статора

Практическая значимость

- разработанный ЭП позволит сократить потребление активной мощности из сети на 20-25%, что улучшит энергоснабжение кислородной станции №2 ОАО НЛМК,

- равномерно перераспределены тепловые потери между трехфазной обмоткой статора и обмоткой ротора,

- разработанная программа «Наблюдатель» позволяет определить качество и количество потребляемой электроэнергии, а также вести архив, необходимый для учета временных изменений расхода электроэнергии и событий связанных с этим

Апробация работы Основные положения диссертационой работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции "50-и летие образования Липецкой области" г Липецк, 2003 г, на научно-технической конференции "Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве" г Воронеж, 2003 г, на IV Международной научно-практической конференции "Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий" г Москва, 2003 г, на V Всероссийской научно-практической конференции "Ресурсосбережение и экологическая безопасность" г.Смоленск, 2006г, конференции молодых ученых, посвященной 50-летию ЛГТУ "Технические науки - региону" г Липецк, 2007 г, на ежегодных научных конференциях и семинарах ЛГТУ

Публикации По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе одна работа опубликована в издании, рекомендованном ВАК РФ

В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит в [1] рассчитан угол между током статора и потокосцеплением ротора для улучшения энергетических показателей, в [7] разработаны функциональная и принципиальная схемы преобразователя частоты для механизмов общепромышленного назначения, в [8] предложен метод улучшения энергетических показателей за счет поддержания постоянного угла управления между током статора и потокосцеплением ротора

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений Общий объем диссертации 175 с, в том числе 96 с основного текста, 80 рисунков, список литературы из 115 наименований, 3 приложения

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены решаемые в диссертации научно-технические проблемы и задачи, обоснована актуальность, показаны новизна и практическая ценность работы, выделены основные защищаемые положения

Первая глава посвящена анализу основных направлений разработки и оптимизации частотно-регулируемых синхронных электроприводов турбомеханизмов Построены характеристики турбомеханизма и сети, представлен их анализ Рассмотрены методы управления производительностью при помощи установки дросселирования, регулирование скорости ротора компрессора Проведенный анализ по потреблению электрической энергии позволил выбрать в качестве основной - структуру турбомеханизма с синхронным приводом с обеспечением возможности плавного регулирования скорости

Рассмотрена система управления группой ЭП компрессора, в которой для обеспечения энергосбережения используется отключение или подключение компрессоров и изменение частоты вращения ротора одного компрессора

Рассмотрены преимущества СД для привода высокомощных компрессорных установок по сравнению с АД - более высокие энер1 етические показатели (КПД, соБф)

Проведен анализ разновидностей преобразователей частоты, выявлены их преимущества и недостатки В ПЧ, работающем по принципу ИН с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), линейные напряжения статора содержат пульсации, которые оказывают негативное влияние на изоляцию обмоток статора Поэтому в высоковольтных электроприводах средней и большой мощности схема ИН с ШИМ неприменима

Рассмотрена общая функциональная схема регулируемого электропривода с СД, а также схема, которая используется для пуска

компрессора кислородной станции мощностью 20 МВт В результате были выявлены следующие недостатки морально устаревшая силовая часть, в которой инвертор построен на незапираемых тиристорах, т е ивертор ведется ЭДС СД В результате СД оказывается перевозбужденным, что приводит к потерям за счет реактивного тока

Этих недостатков лишены ПЧ, работающие по принципу ИТ с релейным регулятором тока, в которых используются полностью управляемые тиристоры Системы синхронного электропривода имеют улучшенные энергетические показатели при векторном управлении Нахождение алгоритмов, позволяющих рационально использовать системы ПЧ-СД, являются актуальной задачей

Во второй главе выполнено математическое моделирование СД Была выбрана ортогональная система координат (с1, я), вращающихся с синхронной скоростью поля двигателя со)л Сигнал, принимаемый в качестве управляющего воздействия, подается скачком, а протекающие в двигателе процессы рассматриваются как реакция системы на данный скачок Обмотка возбуждения размещена на оси с! ротора и подключена к источнику постоянного напряжения ив Уравнения электромеханической характеристики, записанные для реальных переменных в осях ё и я, имеют вид

(1)

п ,<^4

0 = 1эс1гэс1+-^Г->

^эд 0 Ьс1гэц+ ^ »

М^Ц-ЧУс!

Также при моделировании был произведен учет насыщения СД как по оси ё, так и по оси я Это необходимо, так как СД неявнополюсный и высокоскоростной (п= 3000 об/мин) и у него колено кривой намагничивания находится при значениях тока возбуждения 1в = 1в „ом / 2

Произведено математическое моделирование ПЧ, работающих по принципу ИТ с релейным регулятором тока Силовая часть системы состоит из регулируемого выпрямителя, инвертора и реактора Инвертор состоит из шести

полностью управляемых ключей (запираемые тиристоры), работающих по принципу сравнения заданного и текущего токов (гистерезису) В результате открывается верхний или нижний ключ Контур регулирования тока СД представлен на рис 1 Векторная диаграмма показана на рис 2 Положение окончания вектора тока находится в пределах окружности с радиусом А

Рис 1 Контур регулирования тока СД Рис 2 Векторная диаграмма тока

статора СД

Напряжение, подводимое к инвертору, рассчитывается по формуле и и = и^ -(Ь^р +рЬр) 1(1, (2)

где Яр, Ьр - активное сопротивление и индуктивность сглаживающего реактора

Значение тока в выпрямленной цепи равно модулю максимального мгновенного тока одной из трех фаз СД Выпрямитель представляет собой классический реверсивный тиристорный выпрямитель Угол управления выпрямителем а изменяется в диапазоне от 0 до тс, при этом отсчет угла ведется от точки естественной коммутации Математическая модель ПЧ со звеном постоянного тока, работающего по принципу ИТ, представлена на рис 3

-► иа

Ш

ис

ив

Выпрямитель

иа

И

асов Яр + рЦ,

Т1

Т2 ■

Цв

ТЗ -

ис

Рис 3 Математическая модель ПЧ

На основе стандартной функциональной схемы ПЧ-СД разработаны оптимальные законы управления системы «выпрямитель-инвертор» На выходе инвертора необходимо иметь трехфазный синусоидальный ток Практически реализовать это сложно, так как тиристоры имеют конечную частоту коммутации (300 — 400 Гц) Для реализации этого условия необходимо дополнительно управлять выпрямителем (выпрямленным током) Выпрямленный ток равен модулю фазного тока, наибольшего из трех фаз Регулируя выпрямленный ток, можем непосредственно управлять фазным током двигателя, не переключая ключи инвертора

Когда ток имеет максимальное значение, переключения ключей инвертора нет Тем самым облегчается коммутация тиристора при токе,

73

большем чем 1тж В остальное время (2л / 3 + п я) фазным током управляет

инвертор с минимальным количеством коммутаций Графики фазных напряжений и токов представлены на рис 4 В результате получен режим работы инвертора с минимальным количеством коммутации, а, следовательно, минимальными потерями при коммутации тока

и и I А

- - N -

1

„ • \ У' \ V;

Рис 4 Ток и напряжение фазы СД В третьей главе предложены две системы, осуществляющих 1) режим работы СД с неизменным основным потокосцеплением при ортогональности векторов тока и основного потокосцепления, при этом система работает без потребления реактивной энергии, 2) режим работы СД с минимизацией потерь энергии

Рассмотрено векторное управление по основному потокосцеплению якоря, математический аппарат и структура управления В ходе синтеза

системы управления необходимо произвести расчет задания токов 1<ь 1С, и 1г Для этого введем дополнительную ортогональную систему координат (р, т), центр которой совпадает с центром системы координат (с!, q)

В математической модели первой системы рассмотрен вариант, когда вектор основного потокосцепления направлен по оси р, а вектор тока по оси т, и он пропорционален электромагнитному моменту Векторная диаграмма представлена на рис 5 Уравнение электромагнитного момента имеет вид

М=¥61Я (3)

Получаем соотношения для заданий токов и потоков в осях (р, т)

(4)

= 0, V

Проекции векторов (1'8, 15 на оси <1, q (см рис 6) вычисляются через проекции на оси р, т с помощью преобразователя поворота

Ъ

Г

Уф

Рис 5 Векторная диаграмма СД Рис 6 Развернутая схема формирователя

задания

Для расчета угла поворота (а) с учетом насыщения необходимо выполнить следующие действия Задать начальный угол поворота (а = 0), затем повернуть заданные вектора переменных потока и тока на начальный угол После поворота получили переменные в координатах (с1, я) Далее составляющие потока Ч',^, Ч'Й11„ поступают на вход функционального преобразователя, описывающего кривую намагничивания На выходе звена получаем суммарные токи обмоток якоря и возбуждения г«,^, 1„ч„

Угол поворота а оси р относительно оси d должен быть сформирован таким образом, чтобы выполнилось условие

'sqg^wqg (5)

Формирование угла поворота а осуществляется локальной быстродействующей следящей системой В ней используется интегратор с постоянной времени То, выбранной таким образом, чтобы время переходного процесса в локальной следящей системе было значительно меньше, чем постоянная времени Т системы регулирования На входе интегратора сравниваются сигналы isqg и iwqg Выходной сигнал интегратора здесь представлен как tga Из этого сигнала вычисляются сигналы cosa и sina Далее рассчитываются по вышеуказанным соотношениям токи (Id и Iq) и потокосцепления

Ток возбуждения формируется по соотношению

!fg = Iwdg " Isdg (6)

В результате получили значения токов статора (isdg, isqg) и тока ротора ifg, удовлетворяющие заданным условиям (5)

Для реализации второй системы необходимо изменить сигналы задания Следует задавать положительную составляющую тока по оси р, который рассчитывается исходя из условия

8

— АР, да

♦ =0 (7)

M=const '

"Р = СОП51

Появление тока 15р приводит к увеличению угла ср (отставанию тока от напряжения СД) и к некоторому ухудшению использования ПЧ, по сравнению с режимом совф = 1 Ток возбуждения в режимах с минимизацией потерь существенно уменьшен, а ток якоря незначительно увеличен Еще более важно перераспределение потерь, а именно, резкое уменьшение потерь в обмотке возбуждения, наиболее напряженной по нагреву части СД

Для обеспечения требуемых динамических и энергетических режимов работы СД разработана функциональная схема электропривода, представленная на рис 7 В системе образованы два замкнутых контура регулирования внутренний многомерный контур регулирования токов и внешний одномерный контур регулирования скорости Сигнал задания вектора токов 1 формируется нелинейным формирователем заданий «Б» На вход формирователя

воздействует вектор, состоящий из двух компонент Первой компонентой является сигнал задания момента М§ Второй - задание основного потокосцепления В процессе синтеза САУ были рассчитаны параметры всех регуляторов

РТВ Выпр«м

Рис 7 Функциональная схема электропривода Произведен расчет косвенной оценки угловой скорости и угла положения ротора Входными данными для расчета служат фазные токи СД и ток ротора Далее осуществляем переход к токам И, ^ и рассчитываем потоки по следующим уравнениям

=1(1Ьс +0(1 +Ч +1эс0^а<1 = «(^а -НыЬасЬ

~ •пЬгг +

qlJo +Iэq)Laq 1qLст+1£qLaq

Далее по формуле (1) рассчитываются момент и скорость СД Угол положения ротора СД рассчитывается по формуле-

Рэл =Р0 эл-0>

(8)

(9)

и

где 9 - угол между осью «q» и вектором напряжения статора Us, а также между осью «d» и вектором потока *PS, а р0 -)Л - угол положения поля статора СД Для вычисления угла положения ротора СД используем следующие формулы

« Ug ^q UP UaSyU^d

COS p ^д i i ~ i • i- i — ,

JUa + UpV^d^q V(U« + UP ^d + ТЧ } (10)

Ua ¥d Up 4-q UaVd-UpVq

Stn Рзл= I-, a —+ -j-. 4 -= . H

В четвертой главе рассмотрены проблемы синтеза регуляторов скорости методами настройки на симметричный и технический оптимумы Предложен аппарат нечеткой логики, позволяющий разработать регулятор скорости, сочетающий в себе преимущества стандартных регуляторов, но не требующий точных знаний параметров механической системы для его настройки Все это позволит сократить потребление электроэнергии

Рассмотрен унифицированный контроллер TMS320LF2812 Этот 32-разрядный процессор предназначен для построения систем управления электроприводами, он позволяет реализовывать практически любой из известных алгоритмов управления двигателем переменного или постоянного тока Кроме того, структура процессора ориентирована на управление как инвертором, так и управляемым выпрямителем, что позволяет создавать на его основе энергетически эффективные системы электроприводов с рекуперацией электроэнергии

Произведенный сравнительный анализ показал, что применение предлагаемой системы управления синхронным двигателем, оптимизированного по минимуму потерь, позволяет улучшить энергетические показатели на 1% Замена системы дросселирования при регулировании производительности компрессора с СД на систему частотного регулирования скорости дает экономию 23,5%

Разработана программа для дистанционного, непрерывного учета электроэнергии, позволяющая рассчитать удельный расход электроэнергии, том числе нашла применение на насосной станции ЛГТУ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных теоретических и экспериментальных

исследований в области автоматизированного электропривода с синхронным

двигателем можно сделать следующие выводы

1 Анализ основных направлений разработки и оптимизации синхронных электроприводов турбомеханизмов позволил выявить недостатки классического управления с поддержанием только соэср (или тока ротора) и выделить в качестве наиболее перспективного направления работы построение частотно-регулируемой системы, что обеспечивает улучшение энергетических показателей компрессорной станции

2 Произведено математическое моделирование системы ПЧ-СД, позволяющее исследовать совместную работу выпрямителя и инвертора и произвести синтез системы управления, обеспечивающей минимизацию частоты переключения ключей инвертора и снижение уровня высших гармоник тока, что приводит к увеличению КПД преобразователя

3 Проведенные исследования особенностей режима пуска синхронного двигателя позволили сделать вывод о том, что переходные процессы по своим свойствам близки к динамике процессов электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения

4 Определены законы векторного управления, при которых достигаются условия минимума электрических потерь

5 С помощью математических моделей синхронного двигателя в координатных осях {с1,ц} были исследованы особенности динамических режимов работы электропривода с синхронным двигателем

6 Разработан алгоритм управления синхронным двигателем на основе косвенной оценки угловой скорости и угла положения ротора, что позволит обойтись без прямого измерения скорости

7 Предложена методика синтеза нечеткого регулятора скорости, обеспечивающего лучшие динамические показатели по сравнению с традиционной системой подчиненного управления

8 Предложена система управления компрессором с синхронным электроприводом кислородной станции, позволяющая значительно повысить КПД при регулировании частоты вращения в широком диапазоне

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

Публикации в изданиях, рекомендованных в ВАК РФ

1. Мещеряков В Н Энергосбережение при рациональном режиме работы синхронного двигателя при частотном регулировании / Мещеряков В Н, Туркин М А // Системы управления и информационные технологии, 2007, N1 1(27) - С 180-183

Статьи и материалы конференций

2 Туркин М А. Исследование динамических свойств ЭМС с синхронным электроприводом Сборник материалов ежегодной научно-технической конференции студентов и аспирантов факультета автоматизации и информатики ЛГТУ //Липецк ЛГТУ, 2002 - с 46-48

3. Туркин МА Проектирование частотного преобразователя с использованием микроконтроллера Р1С16Р877 Сборник трудов молодых ученных, посвященный 30-летию научно исследовательского сектора Липецкого государственного технического университета // Липецк ЛГТУ, 2003 -с 75-77

4 Туркин МА Сигнальный процессор ТМ8320ЬР2407 для систем управления электроприводом Сборник материалов ежегодной научно-технической конференции сгудентов и аспирантов факультета автоматизации и информатики ЛГТУ//Липецк ЛГТУ, 2003 - с 56-58

5 Туркин МА Снижение динамических нагрузок ЭМС с синхронным электроприводом Труды региональной научно-технической конференции "Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве" // Воронеж ВГТУ, 2003 -с

6 Туркин М А Исследование систем электропривода переменного тока с частотным регулированием Сборник научных докладов международной конференции "Участие молодых ученных, инженеров и педагогов в разработке инновационных технологий" // М МГИУ, 2003. -76-78с

7. Мещеряков В Н Разработка энергосберегающих систем электропривода переменного тока для механизмов общепромышленного назначения Сборник тезисов и докладов межрегиональной научно-практической конференции «Липецкой области 50 лет» " / В Н Мещеряков, П Н Левин, Д И Шишлин, С Н Шаров, М Н Туркин // Липецк 2003, с 142-143

8 Мещеряков В Н Выбор режимов работы синхронного двигателя при частотном регулировании Наука и технологии в промышленности / В Н Мещеряков, М А Туркин IIМ ООО «Русинтер», №2/2006, с 93-94

9 Туркин М А Энергосберегающий синхронный электропривод при вентиляторной нагрузки. Материалы докладов V Всеросийской научно-практической конференции "Ресурсосбережение и экологическая безопасность" // Смоленск, 2006г , с 31-34

10 Туркин МА Энергосбережение в компрессорных установках при регулировании частоты вращения Сборник научных трудов молодых ученых Посвященный 50-летию ЛГТУ "Технические науки - региону" // Липецк, 2007г, с 78-79

Подписано в печать 26 04 2001 Формат 60X84/16 Бумага для множительных аппаратов Уел печ л 1,0. Тираж 100 экз Заказ № 39

Липецкий государственный технический университет Типография ЛГТУ 398600, Липецк, ул Московская, 30