автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности функционирования электротехнических устройств с управляемым реактором для мощных асинхронных электроприводов

На правах рукописи

Гумилевский Сергей Владимирович

Повышение эффективности функционирования электротехнических устройств с управляемым реактором для мощных асинхронных электроприводов

Специальность: 05.09.03. — Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з 1 охт гт

005536639

Тула 2013

005536639

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (ТулГУ).

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Степанов Владимир

Михайлович.

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук, профессор Жилин Борис Владимировича

заведующий кафедрой "Электроснабжение" Новомосковского института Российского химико-технологического

университета им. Д.И.Менделеева

кандидат технических наук, Фомин Андрей Васильевич технический руководитель проектов ЗАО «Нидек АСИ ВЭИ»

ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»

Защита диссертации состоится 18 ноября 2013г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.12 при Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» по адресу: 300012, г.Тула, пр. Ленина, 92, ауд.9-101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан «17» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.271.12, д.т.н., профессор

М.Ю. Елагин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение эффективности эксплуатации существующих электроприводов переменного тока экономически выгодно для мощных электроприводов. В основном такой привод оснащается высоковольтным двигателем переменного тока. Критериями такой оценки является количество и суммарно установленная мощность. В большей части привод нерегулируемый. Это обусловлено тем, что применение современной полупроводниковой техники является дорогостоящим решением на данном этапе. С другой стороны тяжелые условия прямого пуска приводят либо к ускоренному износу оборудования, либо к завышению требований к рабочим механизмам, либо оказывает отрицательное влияние на систему электроснабжения и являются основной причиной аварийных остановок, что повышает эксплуатационные затраты до 30%.

В этой связи актуальными продолжают оставаться задачи связанные с разработкой альтернативных способов пуска и управления мощными асинхронными двигателями, внедрение которых не требует значительных экономических ресурсов. При этом значительная роль отводится созданию математических моделей, адаптированных к исследованию электромагнитных и электромеханических процессов в асинхронном приводе, в которых реализуются новые способы пуска.

Системы, построенные на тиристорных регуляторах напряжения (ТРИ), при работе искажают форму питающего напряжения, что негативно влияет на функционирование двигателя и питающей сети. Использование преобразователей частоты с частотным или векторным управлением осложняется из-за повышенных требований к емкости и классу напряжения накопителя энергии в звене постоянного тока. Часто для таких преобразователей требуются специальные многофазные трансформаторы. Применение обычных реакторов для управления высоковольтным асинхронными двигателями тоже имеет ряд недостатков, таких как ступенчатое управление, применение сложных коммутирующих аппаратов.

На сегодняшний день проблемы пуска и регулирования мощных асинхронных двигателей с помощью управляемых реакторов достаточно не рассматривались, так как основным назначением разрабатываемых реакторов является регулирование реактивной энергий в сетях высокого напряжения. В связи с этим комплексный подход к повышению эффективности функционирования электротехнических устройств управления мощным асинхронным электроприводом с управляемым реактором является актуальной научной задачей.

Цель работы - повышение эффективности функционирования электротехнических систем с мощными асинхронными электроприводами

и регулируемыми реакторами путем обоснования их рациональных параметров, закона и структуры управления ими.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи исследования:

1. Анализ конструктивных схем и методов расчета, моделирования и условий эксплуатации мощных асинхронных двигателей и управляемых реакторов.

2. Разработка математической модели системы «асинхронный двигатель - управляемый реактор», учитывающей в комплексе переходные электромагнитные и электромеханические процессы.

3. Исследование математической модели для расчета рациональных параметров системы «асинхронный двигатель - управляемый реактор» и синтеза системы управления.

4. Определение условий реализуемости конструкционной и функциональной надежности электромеханических систем «асинхронный двигатель - управляемый реактор».

5. Разработка методологии определения рациональных параметров электромеханических систем «асинхронный двигатель - управляемый реактор» по критерию надежности, учитывающая ток и момент мощного электродвигателя.

6. Определение структуры и топологии управления электромеханической системой «асинхронный двигатель управляемый реактор».

7. Численные и экспериментальные исследования режимов работы электротехнической системы «асинхронный двигатель - управляемый реактор» при применении разработанных технических решений устройства управления управляемым реактором.

Идея работы заключается в достижении требуемого уровня значений момента на валу и статорного тока двигателя системы «асинхронный двигатель - управляемый реактор» на основе регулирования индуктивности управляемого реактора и обоснования рациональных параметров электромеханической системы по критерию надежности, закона и структуры управления режимами её работы.

Объектом исследования является электротехническая система «асинхронный двигатель - управляемый реактор» с регулированием

индуктивность реактора.

Предметом исследования являются переходные процессы, протекающие в электротехнической системе «асинхронный двигатель -

управляемый реактор».

Методы исследования, используемые в работе, основаны на применении теории электрических цепей, автоматического управления, теории надежности технических систем, вероятностей и математической

статистики, численных методов и экспериментальных исследований с применением ЭВМ.

Автор защищает:

1. Математическую модель электротехнической системы «асинхронный двигатель - управляемый реактор», учитывающей функциональные связи между характеристиками асинхронного двигателя и управляемого реактора в комплексе учитывающие переходные электромагнитные и электромеханические процессы.

2. Закономерности формирования управляющего воздействия для управляемого реактора, комплексно учитывающие характеристики электромагнитных и электромеханических переходных процессов в системе «асинхронный двигатель - управляемый реактор».

3. Зависимости для расчета рациональных параметров электротехнических систем «асинхронный двигатель - управляемый реактор» и технических решений рациональной структуры управления управляемым реактором на основе исследования её математической модели.

Научная новизна заключается в определении рациональных параметров электротехнических систем «асинхронный двигатель — управляемый реактор», закономерностей формирования структуры и топологии управления ее режимами работы для повышения надежности и эффективности её работы.

Она представлена следующими результатами:

- определены зависимости для расчета рациональных параметров электротехнических систем «асинхронный двигатель - управляемый реактор», учитывающие в комплексе характеристики переходных электромагнитных и электромеханических процессов на основе исследования ее математической модели;

- установлены условия формирования рациональных структуры управления электротехническим системами «асинхронный двигатель -управляемый реактор», обеспечивающие повышение надежности и эффективности их функционирования;

- определены условия реализации математической модели электротехнической системы пускового устройство трехфазного высоковольтного асинхронного двигателя, обеспечивающее пуск и управление мощными высоковольтными двигателями.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечены обоснованными допущениями, адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождения между которыми не превышают 13,5%, что допустимо в инженерных расчетах.

Практическое значение. Разработана методика расчета рациональных параметров электромеханических систем «асинхронный двигатель - управляемый реактор».

Реализация результатов работы. Основные научно-практические результаты диссертационной работы переданы для практической реализации на ЗАО "Производственное объединение Тулаэлектропривод", а также используются в учебных курсах "Специальные главы электропривода", "Энергетика электропривода" и "Специальные виды электроприводов" на кафедре "Электроэнергетика" ТулГУ.

Апробация результатов работы.Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных магистерских научно-технических конференциях ТулГУ (г. Тула, 2009 - 2013 гг.), V и VI молодёжной научно-практической конференции ТулГУ МОЛОДЕЖНЬШ ИННОВАЦИИ (г. Тула, 2011 г.), Пятой международной Школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика» (г. Москва, 2010 г.), VI Международной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2010» (г. Тула, 2010 г.), Международной научно-технической конференции «Энергосбережение-2011» (г. Тула, 2011 г.), 7-ой и 8-ой Международной конференции «Силовая электроника и энергетика» (г. Москва, 2010-2011 г.), VII Международной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2012» (г. Иваново, 2012 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 8 статьях, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК, имеется 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников из 81 наименований и включает 121 страниц машинописного текста, содержит 57 рисунков и 10 таблиц. Общий объем - 138 страницы.

Автор выражает благодарность заведующему кафедрой «Электроэнергетика» Тульского государственного университета, доктору технических наук, профессору Степанову Владимиру Михайловичу и доценту кафедры «Электроэнергетика» Тульского государственного университета за научные консультации, поддержку и помощь при работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, отмечаются научная новизна и практическая

значимость работы.

В первой главе проводится обобщение и анализ научно-практической литературы по конструктивным схемам, условиям эксплуатации, методам моделирования переходных процессов, расчета

параметров и надежности мощных асинхронных электроприводов. Управление асинхронными двигателями общепринято разделять по способам: параметрическое (классические системы, системы ТРН -асинхронный двигатель, трансформаторнотиристорного типа, системы с управляемым реактором), частотное, векторное и каскадное. Последний способ реализуем только для машин с фазным ротором и требует установки в роторную цепь выпрямителя или машинного агрегата. Все схемы применяются для мощных асинхронных двигателей. Мощный асинхронный двигатель находит применение в механизмах, не требующих регулирования частоты вращения, например насосы, вентиляторы, дымососы.

Классические системы управления мощным асинхронным двигателем имеют недостаток, заключающийся в том, что они не позволяют в процессе разгона двигателя изменять реактивное сопротивление. Системы с ТРН и частотным управлением требуют применения дорогостоящих высоковольтных силовых ключей. При этом работа ТРН отрицательно сказывается на питающей сети. Системы с векторным управлением так же используют дорогостоящую полупроводниковую высоковольтную технику, которая технически сложна для реализации в мощном электроприводе. Камнем преткновения служат накопители энергии в звене постоянного тока ПЧ. Системы с управляемым реактором являются наиболее перспективным, в случаях, когда устройства с преобразователями частоты нецелесообразно рассматривать по техническим и экономическим причинам.

Система трансформаторно-тиристорного пуска или трансформаторно-тиристорное пусковое устройство (ТТПУ) предназначается для пуска высоковольтных двигателей 6-10кВ и является слабо изученной. В своем составе имеет двухобмоточный трехфазный трансформатор (6-10)/0,4 кВ и тиристорный коммутатор для стороны трансформатора 0,4кВ. По сути при пуске в цепь статора асинхронного двигателя включают дополнительное реактивное сопротивление обычного трансформатора. Особенностью является то, что это сопротивление можно изменять с помощью тиристорного коммутатора и трансформатор находится в режиме короткого замыкания. Ввиду того, что пуск двигателя занимает не продолжительное время, тепло, выделенное в обмотках трансформатора, не приводит к разрушению изоляции. Для рассмотренной схемы устройства к системе управления тиристорами при разных углах зажигания предъявляются жесткие требования. Причина в том, что напряжение на вторичной обмотке не является синусоидальным. Поэтому такие системы полностью открывают или закрывают тиристор.

Важно отметить, что такие устройства имеют кратковременный режим работы и их реализация возможна с применением существующих трансформаторов, и что режим короткого замыкания не является

нормальным режимом работы трансформатора. Данное направление развивается в МГТУ им. Носова (г. Магнитогорск). Отличительной особенностью является то, что напряжение и ток, подаваемые на первичные обмотки трансформатора изменяется в процессе разгона асинхронного двигателя, в то время у управляемых реакторов для электрических сетей напряжение питания остается неизменным и изменяется сетевой ток. В целях изучения подобных систем необходимы математические модели. Рассмотренные математические модели не учитывают в комплексе характеристик электромагнитных и электромеханических процессов, обеспечивающих выбор рациональных параметров системы «электропривод - управляемый реактор». Поэтому необходимо разработать математическую модель системы «асинхронный двигатель - управляемый реактор», учитывающую в комплексе переходные электромагнитные и электромеханические процессы.

Во второй главе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой и исследованием математической модели электротехнической системы «асинхронный двигатель - управляемый реактор». Физические процессы в управляемых реакторах очень сложны по причинам большого разнообразия конструктивных схем и способов управления.

На рис. 1 представлена обобщённая структурная схема системы «электропривод - управляемый реактор», позволяющая анализировать переходные электрические и электромеханические процессы и определять рациональные параметры системы. Дифференциальные уравнения схемы приведены в работе. В виду того, что в рассматриваемой системе присутствует нелинейный объект, то её расчет проведен численными методами.

Применение динамической модели позволяет осуществить переход к преобразованиям Лапласа, частотным характеристикам и вытекающим из них инженерным методикам синтеза. Обратный же переход возможен только для одномерных объектов. Поэтому применяя математический аппарат, базирующийся на описании систем уравнений состояния, матричной алгебры, численных методах и машинно-ориентированных процедурах синтеза, мы вправе применять большее количество методов для анализа и синтеза

Чтобы практически реализовать систему «электропривод -управляемый реактор», динамическая модель выступает как средство для теории автоматического управления, где основной задачей модели является проектирование регулятора, с помощью которого добиваются допустимого качества переходных процессов.

Трудность заключается в том, что необходимо найти математический способ описания системы, который зависит от выбора системы координат. Для удобства вычислений в электротехнике стараются избегать несимметричных трехфазных режимов. На основании

того, что фазы двигателя и трансформатора стремятся выполнить одинаковыми, работу системы «электропривод — управляемый реактор» следует рассматривать в симметричном трехфазном режиме.

0>

V.A

у,h

il

Tins

Уура

Уя-Д

Vw

УР

Vi-,

эп

4

1 mach

1«

СУ

Рис. 1. Обобщённая структурная схема системы

Благодаря выбору системы координат, можно провести линеаризацию с помощью численных методов между входными и выходными переменными. В частности модель может быть использована для составления передаточных функций, для того, чтобы на их основе дать оценку переходным процессам в динамическом режиме работы двигателя и управляемого реактора.

Рассмотрен вопрос, связанный с работой тиристоров в управляемом реакторе рис.2. Фактически в математической модели магнитный поток трансформатора определяется состоянием тиристоров.

|А

ур

$373*

Va ,

V»

а

I«

(2>

Г

I УЬ:

УР

у»и

Vb

le

<D-

А С

УР

С

V«

Рис. 2. Обобщенная схема управляемого реактора Поэтому будет справедливо утверждение, что при закрытых тиристорах магнитный поток трансформатора стремиться к нулю, а при

открытых достигает максимума. Такой подход не учитывает переходный процесс работы ключа, но позволяет сохранить возможность

линеаризации модели.

Используя программный комплекс, разработана имитационная модель системы «электропривод - управляемый реактор». Её достоинства в том, что в ней нет «закрытых блоков», и такая модель относится к классу динамических систем. Такой подход был обусловлен тем, чтобы отказаться от готовых скомпилированных блоков асинхронного двигателя и трансформатора, для которых нет полной документации математического описания. Ввиду того, что в модели имеются замкнутые циклы, это потребовало применения специальных блоков, которые устанавливают начальное значение сигнала на первом шаге моделирования. Математическое описание базируется на теории пространства состояний, которая позволяет работать модели в динамическом режиме.

С помощью модели были проведены расчеты, в которых выяснилось, что основные потери энергии в системе «электропривод -управляемый реактор» приходятся на активное сопротивление обмоток. На практике измерение потерь в короткозамкнутом роторе является неразрешимой задачей. Для количественной оценки потерь энергии используем имитационную модель. Модель вычисляет токи в обмотках статора, ротора и трансформатора, которые при умножении на соответствующие сопротивления в сумме дают потери энергии.

Электромагнитный момент двигателя и ток статора имеют колебательный характер. Уровень колебаний определяет напряжение статора, которое изменяется по гармоническому закону. Другими словами при увеличении напряжения увеличиваются максимальные значения момента и тока. В такой ситуации механическая характеристика механизма определяет переходный процесс в системе и как следствие потери энергии.

Для модели двигателя мощность 640кВт на рис. 3 представлена зависимость отношения потерь энергии при управляемом и прямом пусках. Моделирование проведено без нагрузки. За счет снижения колебаний момента и тока происходит снижение пусковых потерь до 17% при управляемом пуске, но после времени 1,4с потери в рабочем режиме больше. Это происходит за счёт потерь в обмотках трансформатора, которых нет при прямом пуске. Эффект экономии энергии больше для мощных двигателей и достигается в первоначальной стадии разгона, когда момент и ток достигают своих пиковых значений. Систему «электропривод - управляемый реактор» целесообразно применять для вентиляторных нагрузок, потому что момент сопротивления стремится к нулю при низких частотах вращения. Понятно, что снижение пусковых потерь незначительно, но при этом достигается снижение амплитуды

колебаний тока статора. Поэтому такая защита повышает эффективность функционирования электроснабжения.

На основе исследования математической модели были проведены расчеты рациональных режимных параметров системы «электропривод -управляемый реактор» и разработана методика расчета рациональных параметров и режимов работы электротехнической системы «электропривод - управляемый реактор».

! ! /

-............г............ ; 1 ......-.....5..........- ; 5 ~ - : ? У

..............*........... 1 .. . ............|............ /

.............Г' 1

1

••. ...... •••............1............!............ ! .............

Рис. 3. Отношение потерь энергии при управляемом и прямом пусках

В третьей главе дается определение структуры управления, условия реализации математической модели системы «электропривод -управляемый реактор» и разработано техническое решение: «Пусковое устройство трехфазного высоковольтного асинхронного двигателя» (рис. 4). Далее рассмотрим устройство и принцип работы в целом.

После подаче напряжения на батарею конденсаторов 1 и статорные обмотки двигателя 3 электрический токначинает проходить через статорные обмотки 3 и трехфазные обмотки трансформатора 5. Вследствие этого в обмотках 7 и 10 наводится электродвижущая сила, далее управление парой встречно соединенных вентилей 8 тиристорного коммутатора 9 приводит к изменению реактивного сопротивления обмоток 6, что позволяет контролировать ток в статорных обмотках 3. При работе тиристорного коммутатора 9 возникают искажения питающей сети нечетными гармониками. Это устраняют использованием свойства соединения «звезда-треугольник», и фильтрокомпенсирующего устройства 12, которое состоит из отдельных пар ЬС цепочек 11, настроенных на пятую и седьмую гармоники. Трехфазный трехобмоточный трансформатор 5 и асинхронный двигатель 2 с вводным устройством 4 генерируют при работе реактивную мощность, которую компенсируют батареи конденсаторов 1.

асинхронного двигателя

Данное устройство может быть использовано для устройств плавного пуска ("У 1111) и управления высоковольтными асинхронными электродвигателями. Устройство повышает эффективность использования питающей сети благодаря использованию фильтрокомпенсирующих устройств, а также позволяет использовать существующие трехобмоточные трансформаторы для управления асинхронным двигателем.

Результаты исследований показали, что применение трехфазного трансформатора с соединением звезда — треугольник позволяет снизить искажения по большей степени в 3 и 6 гармониках и в меньшей степени по другим. Об этом также можно судить по коэффициенту нелинейных искажений (КНИ). Для снижения уровня искажений по 5 и 7 гармоникам предлагаем установку пассивных фильтров, настроенных на частоты 250Гц и 350Гц. Исследуя конструкции управляемых реакторов, целесообразнее поместить фильтры на отдельную обмотку трансформатора, что повысит надежность устройства. При полном открывании тиристоров КНИ снизился на 9,76%. Недостатком соединения

треугольник является известный факт, что ток возрастает в л/Зраз по отношению к звезде.

Расчеты показали, что управляемый реактор можно описать передаточной функцией апериодического звена, поэтому систему управления устройства плавного регулирования скорости можно рассматривать с традиционных позиций. Это означает применение замкнутой автоматической системы, динамические качества и устойчивость которых могут быть изучены с использованием общих методов теории автоматического регулирования. Такой подход применяется при тиристорном управлении, где двигатель питается несинусоидальным напряжением, что усложняет задачу. Ранее говорилось, что система является нелинейной. Поэтому традиционным является подход, который рассматривает области малых отклонений -линеаризация. Для этих целей общепринята практика использовать упрощенную формулу Клосса.

Таким образом, на основе анализа систем управления, учитывая передаточную функцию асинхронного двигателя и управляемого реактора,

Рис. 5. Структурная схема асинхронного электропривода с управляемым реактором

Регулятор тока (РТ) выполняет защиту от коротких замыканий и перегрузок по току. В современных системах управления для повышения надежности уходят от классических ПИ регуляторов тока. Так как силовая часть системы «электропривод - управляемый реактор» находится под высоким напряжением, то задачу защиты могут выполнить трансформаторы тока и готовые модули коммутации и контроля тока (МККТ). Последние на основе интегральных оценок, выдают сигнал о перегрузках и аварии. Как правило, подобные решения строятся на микроконтроллере, имеющим малое время запаздывания, поэтому время запаздывания при анализе системы управления его не принимают во внимание.

Регулятор скорости (РС) отвечает за угловое ускорение и характеристики разгона. После разгона двигателя выходная величина скорость перестает расти, т.е. находится в зоне насыщения. При этом снижается быстродействие ПИ-регулятора, и следовательно динамика системы. Для борьбы с этим явлением применяют либо два переключающихся ПИ-регулятора, либо один с регулятор с учетом насыщения.

За счет нелинейности асинхронного двигателя механические характеристики будут иметь меньшую жесткость вблизи предельных характеристик. Так как для уменьшения скорости вращения необходимо снизить напряжение на статоре, то это приводит к снижению момента двигателя и меньшему охлаждению. По этой причине допустимый момент на двигатель уменьшается обратно пропорционально. Из этого вытекает, что применение рассмотренной схемы возможно для механизмов, у которых момент нагрузки при снижении скорости пропорционально уменьшается. Как правило, этими механизмами являются насосы и вентиляторы.

В четвертой главе проведено планирование эксперимента, разработана физическая модель системы «асинхронный двигатель -управляемый реактор». Разработанная методика экспериментальных исследований соотношения мощностей электропривода, которая определяет критерии подобия его физической модели реальной установке.

Для работ с напряжением выше 1000В в соответствие с правилами электробезопасности требуется специальный допуск и электротехническое оборудование и приборы. Поэтому высоковольтный асинхронный электропривод и управляемый реактор являются источниками повышенной опасности. Для отработки системы управления и проведения испытаний был разработан стенд, позволяющий проводить анализ режимов работы системы в лабораторных условиях.

Рис. 6. Структурная схема силовой части измерительного стенда

Структурная схема силовой части измерительного стенда представлена на рис. 6. Стенд состоит из следующего силового

оборудования: трехфазного асинхронного двигателя с межфазным напряжением 380В, управляемого реактора, выполненного на базе трехфазного трансформатора 380/12В и нагрузочная машина, выполненная на ДПТ. Для управления тиристорами готовый блок. Параметры машин приведены в таблице.

В качестве измерительных приборов применялись анализатор качества и количества электроэнергии AR5 и АЦП L-CARD. Датчик частоты вращения двигателя на основе диска с прорезями. Прибор AR5 позволяет проводить одновременно измерения по трем каналам напряжения и тока (10-20КГц) и соответствует ГОСТ Р 51317.4.7-2008 (МЭК 61000-4-7:2002) и (МЭК 61400-21). Класс точности по напряжению 0,5, а для тока зависит от типа применяемых клещей. На данный прибор установлена программа «Fast-Check», предназначенная для записи пуска двигателя. Анализатор (AR5-L) позволяет проводить измерения до 63 гармоники и записывать в независимую память 1Мб в файл *.std. После записи измерений этот файл с помощью прикладного программного обеспечения считывается и сохраняется на ПК. Далее данные анализируются с помощью программы «CircutorPowerVision». Применялись также амперметры и вольтметры лабораторные типа Э538, имеющие рабочие частоты 45-100Гц или 100-1500Гц и класс точности 0,5.

Таблица

Параметр

АД

тип

4А80В4УЗ с к.з. ротором

1,5 кВт

380В

6,1/3,6А (треугольник /звезда)

1400 об/мин

0,022 кг*м2

0.05 0.1

од 5 .......0.2 0,25 03 О.35 0.4

Ток

О

Рис.7. Характеристика намагничивания 15

С помощью пакета активных сопротивлений прибора УПРТВ была получена характеристика намагничивания для высокой стороны трансформатора (рис.7). Эта характеристика используется в имитационной модели «электропривод - управляемый реактор.

Результаты исследования разгона двигателя и расчетные характеристики без управляемого реактора и с ним представлены на рис. 8 и рис.9, где слева экспериментальные, справа - расчётные. Расхождение между теоретическими и экспериментальными исследованиями не превышает 15%, что допустимо в инженерных расчетах.

............

Г г

;

...........Т........... !

0.4 0.6 0.8

Рис. 8. Диаграмма разгона без УР

Г

0.6 0.8 1 г, с "8 0.2 0 4

Рис. 9. Диаграмма разгона с УР

0.6 0.8

чЫил,

а ь в ,, .Д....Л.............

Рис. 10. Соединение звезда

НаШ».

в , = ,, =; ... .V -- - - • 'С ^

Рис. 11. Соединение треугольник

Установлено, что наименьшее искажения питающей сети достигается при соединении вторичных обмоток трансформатора в треугольник и включение управляемого реактора после обмоток двигателя. Это подтверждают графики гармонического состава тока и напряжения рис. 10 и рис.11. Разработанное техническое решение позволяет повысить эффективность функционирования устройств электротехнических устройств с управляемым реактором для мощных асинхронных электроприводов на 20%.

Результаты экспериментальных исследований доказали правильность теоретических исследований и разработанных технических решений по повышению эффективности функционирования электротехнических устройств с управляемым реактором для мощных асинхронных электроприводов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой поставлена и решена актуальная задача повышения эффективности функционирования устройств управления мощным (высоковольтным) асинхронным электроприводом с управляемым реактором путем обоснования рациональных параметров системы и параметрического ряда системы «электропривод -управляемый реактор», учитывающее в комплексе характеристики электромагнитных и электромеханических процессов.

Основные научные и практические результаты заключаются в

следующем:

1. В результате анализа конструктивных схем и условий эксплуатации мощных асинхронных электроприводов установлено, что пуск и регулирование высоковольтных асинхронных двигателей с помощью управляемых реакторов должны в комплексе учитывать характеристики электромагнитных и электромеханических процессов в электротехнической системе электропривод - управляемый реактор».

2. Разработана математическая модель динамики электромагнитных и механических процессов в электротехнической системе

«электропривод - управляемый реактор», исследование которой позволило определить исходные данные для обоснования управления и выбора тиристорного коммутатора.

3. Разработано новое техническое решение, которое позволяет осуществлять пуск и регулирование по скорости трехфазным высоковольтным асинхронным двигателем, где управляемый реактором является трехобмоточный трехфазный трансформатор с тиристорным коммутатором, который изменяет напряжение на статорных обмотках двигателя.

4. Разработано техническое решение, - «Пусковое устройство трехфазного высоковольтного асинхронного двигателя», которое обеспечивает высокую надежность, высокие показатели качества электроэнергии, простоту изготовления, низкие затраты на обслуживание, ограничение сетевых токов.

5. Исследования устойчивости работы электротехнической системы «электропривод - управляемый реактор» доказали её работоспособность и правильность расчета рациональных параметров.

6. Установлены условия реализуемости математической модели электротехнической системы «электропривод - управляемый реактор» и определен её параметрический ряд.

7. Разработана физическая модель системы «электропривод -управляемый реактор» для экспериментальных исследований эффективности результатов теоретических исследований и разработанных технических решений по их реализации. Экспериментальными исследованиями установлено, что для достижения требуемой эффективности управления следует применять систему с двумя переключающимися ПИ-регуляторами.

8. На физической модели было доказано, что соединение обмоток треугольником на низкой стороне трансформатора снижает искажения в сети, статические фильтры для 5 и 7 гармоник дополнительно снижают искажения, использование обмоток двигателя в качестве фильтра дополнительно снижает искажения, что приводит к повышению эффективности функционирования электротехнической системы «электропривод — управляемый реактор» на 20-30%, а расхождение между результатами теоретических и экспериментальных исследований не превышает 15%, что допустимо в инженерных расчетах.

Основные результаты диссертации отражены в следующих

работах:

1. Гумилевский C.B., Чернова Т.Ю. Система компенсации реактивной мощности для асинхронных электроприводов //

Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. 4.4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 210-214.

2. Гумилевский C.B., Чернова Т.Ю. Учет явления гистерезиса // Сб.трудов Пятой Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика», 18-22 октября 2010 г. Москва. М.: Издательский Дом МЭИ, 2010. С. 60-61.

3. Гумилевский C.B., Чернова Т.Ю., Фрозинов H.A. Моделирование насыщающегося реактора // Сб.трудов Пятой Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика», 18-22 октября 2010 г. Москва. М.: Издательский Дом МЭИ, 2010. С. 62-65.

4. Гумилевский C.B., Чернова Т.Ю. Дистанционное управление и мониторинг профилей мощности и параметров качества электроэнергии // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. 4.5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010 С. 75-76.

5. Гумилевский C.B. Математическое моделирование переходных процессов в компенсирующих устройствах реактивной мощности на базе управляемого реактора для электроприводов мощностью до 350кВт // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. 4.4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 203-210.

6. Гумилевский C.B., Чернова Т.Ю., Подавление высших гармоник тока в управляемых реакторах // Сб. док. V молодёжной научно-практической конференции ТулГУ «Молодёжные инновации»; под ред. д-ра техн. наук, проф. Е.А. Ядыкина: в 2 ч. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 214.

7. Гумилевский C.B. Проблемы применения современных полупроводниковых приборов в области статических преобразователей // Сб. док. VI молодёжной научно-практической конференции ТулГУ «Молодёжные инновации»; под ред. д-ра техн. наук, проф. Е.А. Ядыкина: в 2 ч. Ч. I. Тула: Изд-во ТулГУ,

2012. С. 79-81.

8. Гумилевский C.B., Степанов В.М., Фрозинова Т.Ю. Соотношение мгновенной мощности в трехфазной и прямоугольной системах координат // Вестник ИГЭУ.Вып. 1.

2013. С. 96-98.

9. Патент 129724 РФ на полезную модель МПК Н02Р1/04.Пусковое устройство трехфазного высоковольтного асинхронного двигателя / В.М. Степанов, C.B. Гумилевский. Опуб. 27.06.2013. Бюл. №1.

Изд. Лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать /¿10.2013. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,1 Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ ОУ<} ФГБОУ ВПО Тульский государственный университет 300600, г. Тула, просп. Ленина, 92 Отпечатано в издательстве ТулГУ. 300600, г. Тула, просп. Ленина, 95



Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образование учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет»

На правах рукописи

04201364856

Гумилевский Сергей Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ С УПРАВЛЯЕМЫМ РЕАКТОРОМ ДЛЯ МОЩНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор

Степанов В.М.

Тула-2013

/

/

ОГЛАВЛЕНИЕ

1 АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ, УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ,

МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ, РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ И НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ С УПРАВЛЯЕМЫМ РЕКТОРОМ ДЛЯ МОЩНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ.........................................................................................10

1.1 Анализ конструктивных схем и условий эксплуатации...........................10

1.2 Моделирование переходных процессов и методы расчета параметров и надежности..........................................................................................................23

1.3 Цель и задачи исследования........................................................................35

1.4 Выводы..........................................................................................................37

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ МОЩНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С УПРАВЛЯЕМЫМ РЕАКТОРОМ.........................................................................................................38

2.1 Разработка математической модели...........................................................38

2.2 Определение параметров системы «электропривод - управляемый реактор»...............................................................................................................57

2.3 Исследование математической модели для определения рациональных параметров и режимов работы электротехнической системы «электропривод - управляемый реактор»........................................................65

2.4 Выводы..........................................................................................................74

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ И УСЛОВИЙ РЕАЛИЗАЦИИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ «ЭЛЕКТРОПРИВОД - УПРАВЛЯЕМЫЙ РЕАКТОР».....................................75

3.1 Определение структуры управления..........................................................75

3.2 Разработка структуры и определение работоспособности системы управления...........................................................................................................85

3.3 Определение условий реализации математической модели электротехнической системы и её параметрического ряда...........................89

3.4 Выводы..........................................................................................................99

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С УПРАВЛЯЕМЫМ РЕАКТОРОМ ДЛЯ МОЩНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

................................................................................................................................100

4.1 Планирование эксперимента.....................................................................100

4.2 Стенд аппаратура и методика исследований...........................................108

4.3 Экспериментальные исследования...........................................................112

4.4 Выводы........................................................................................................119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................120

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................122

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Повышение эффективности эксплуатации существующих электроприводов переменного тока экономически выгодно для мощных электроприводов. В основном такой привод оснащается высоковольтным двигателем переменного тока. Критериями такой оценки является количество и суммарная установленная мощность. В большей части привод нерегулируемый. Это обусловлено тем, что применение современной полупроводниковой техники является дорогостоящим решением на данном этапе. С другой стороны тяжелые условия прямого пуска приводят либо к ускоренному износу оборудования, либо к завышению требований к рабочим механизмам, либо оказывает отрицательное влияние на систему электроснабжения и являются основной причиной аварийных остановок, что повышает эксплуатационные затраты до 30% [1].

В этой связи актуальными продолжают оставаться задачи связанные с разработкой альтернативных способов пуска и управления мощными асинхронными двигателями, внедрение которых не требует значительных экономических ресурсов. При этом значительная роль отводится созданию математических моделей, адаптированных к исследованию электромагнитных и электромеханических процессов в асинхронном приводе, в которых реализуются новые способы пуска.

Системы, построенные на тиристорных регуляторах напряжения (ТРН), при работе искажают форму питающего напряжения, что негативно влияет на функционирование двигателя и питающей сети. Использование преобразователей частоты с частотным или векторным управлением осложняется из-за повышенных требований к емкости и классу напряжения накопителя энергии в звене постоянного тока. Часто для таких преобразователей требуются специальные многофазные трансформаторы. Применение обычных реакторов для управления высоковольтным АД тоже имеет ряд недостатков, таких

как ступенчатое управление, применение сложных коммутирующих аппаратов.

На сегодняшний день проблемы пуска и регулирования мощных асинхронных двигателей с помощью управляемых реакторов достаточно не рассматривались, так как основным назначением разрабатываемых реакторов является регулирование реактивной энергий в сетях высокого напряжения. В связи с этим комплексный подход к повышению эффективности функционирования электротехнических устройств с управляемым реактором для мощных асинхронных электроприводов является актуальной научной задачей.

Цель работы - повышение эффективности функционирования электротехнических систем с мощными асинхронными электроприводами и регулируемыми реакторами путем обоснования их рациональных параметров, закона и структуры управления ими.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи исследования:

1. Анализ конструктивных схем и методов расчета, моделирования и условий эксплуатации мощных АД и управляемых реакторов.

2. Разработка математической модели системы «асинхронный двигатель - управляемый реактор», учитывающей в комплексе переходные электромагнитные и электромеханические процессы.

3. Исследование математической модели для расчета рациональных параметров системы «асинхронный двигатель - управляемый реактор» и синтеза системы управления.

4. Определение условий реализуемости конструкционной и функциональной надежности электротехнических систем «асинхронный двигатель - управляемый реактор».

5. Разработка методологии определения рациональных параметров электротехнических систем «асинхронный двигатель - управляемый реак-

тор» по критерию надежности, учитывающая ток и момент мощного электродвигателя.

6. Определение структуры и топологии управления электротехнической системой «асинхронный двигатель - управляемый реактор».

7. Численные и экспериментальные исследования режимов работы электротехнической системы «асинхронный двигатель - управляемый реактор» при применении разработанных технических решений устройства управления управляемым реактором.

Идея работы заключается в достижении требуемого уровня значений момента на валу и статорного тока двигателя системы «асинхронный двигатель - управляемый реактор» на основе регулирования индуктивности управляемого реактора и обоснования рациональных параметров электротехнической системы по критерию надежности, закона и структуры управления режимам её работы.

Объектом исследования является электротехническая система «асинхронный двигатель - управляемый реактор» с регулированием индуктивности реактора.

Предметом исследования являются переходные процессы, протекающие в электротехнической системе «асинхронный двигатель - управляемый реактор».

Методы исследования, используемые в работе, основаны на применении теории электрических цепей, автоматического управления, теории надежности технических систем, вероятностей и математической статистики, численных методов и экспериментальных исследований с применением ЭВМ.

Автор защищает:

1. Математическую модель электротехнической системы «асинхронный двигатель - управляемый реактор», учитывающей функциональные связи между характеристиками асинхронного двигателя и управляемого реакто-

ра в комплексе учитывающие переходные электромагнитные и электромеханические процессы.

2. Закономерности формирования управляющего воздействия для управляемого реактора, комплексно учитывающие характеристики электромагнитных и электромеханических переходных процессов в системе «асинхронный двигатель - управляемый реактор».

3. Зависимости для расчета рациональных параметров электротехнических систем «асинхронный двигатель - управляемый реактор» и технических решений рациональной структуры управления управляемым реактором на основе исследования её математической модели.

Научная новизна заключается в определении рациональных параметров электротехнических систем «асинхронный двигатель - управляемый реактор», закономерностей формирования структуры и топологии управления её режимами работы для повышения надежности и эффективности её работы.

Она представлена следующими результатами:

- определены зависимости для расчета рациональных параметров электротехнических систем «асинхронный двигатель - управляемый реактор», учитывающие в комплексе характеристики переходных электромагнитных и электромеханических процессов на основе исследования ее математической модели;

- установлены условия формирования рациональных структуры управления электротехническим системами «асинхронный двигатель - управляемый реактор», обеспечивающие повышение надежности и эффективности их функционирования;

- определены условия реализации математической модели электротехнической системы пускового устройство трехфазного высоковольтного асинхронного двигателя, обеспечивающее пуск и управление мощными высоковольтными двигателями.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечена физически обоснованными допущениями,

адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 15%, что допустимо в инженерных расчетах.

Практическое значение. Разработана методика расчета рациональных параметров электротехнических систем «асинхронный двигатель - управляемый реактор».

Реализация результатов работы. Основные научно-практические результаты диссертационной работы переданы для практической реализации на ЗАО "Производственное объединение Тулаэлектропривод", а также используются в учебных курсах "Специальные главы электропривода", "Энергетика электропривода" и "Специальные виды электроприводов" на кафедре "Электроэнергетика" ТулГУ. Документы, подтверждающие внедрение, приведены в Приложении А.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных магистерских научно-технических конференциях ТулГУ (г. Тула, 2009 - 2013 гг.), V и VI молодёжной научно-практической конференции ТулГУ МОЛОДЁЖНЫЕ ИННОВАЦИИ (г. Тула, 2011 г.), Пятой международной Школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика» (г. Москва, 2010 г.), VI Международной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2010» (г. Тула, 2010 г.), Международной научно-технической конференции «Энергосбережение-2011» (г. Тула, 2011 г.), 7-ой и 8-ой Международной конференции «Силовая электроника и энергетика» (г. Москва, 2010-2011 г.), VII Международной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2012» (г. Иваново, 2012 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 8 статьях, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК, получен патент на полезную модель № 129724.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников из 81 наименования и включает 121 страниц машинописного текста, содержит 57

рисунков и 10 таблиц. Общий объем - 138 страницы. Работа оформлена в соответствии с ГОСТ Р 7.0.11-2011 «Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Диссертация и автореферат диссертации. Структура и правила оформления».

Автор выражает благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой «Электроэнергетика» Тульского государственного университета доктору технических наук, профессору Степанову Владимиру Михайловичу за научные консультации, поддержку и помощь при работе над диссертацией.

1 АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ, УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ, МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ, РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ И НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ С УПРАВЛЯЕМЫМ РЕКТОРОМ ДЛЯ МОЩНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

1.1 Анализ конструктивных схем и условий эксплуатации

Управление асинхронными двигателями общепринято разделять по способам: параметрическое (классические системы, системы ТРН - асинхронный двигатель, трансформаторно-тиристорного типа, системы с управляемым реактором), частотное, векторное и каскадное. Последний способ реализуем только для машин с фазным ротором и требует установки в роторную цепь выпрямителя или машинного агрегата. Все рассмотренные схемы систем применяются для мощных асинхронных двигателей. Кроме того, существуют четыре типа (А, В, С и Б) исполнения двигателей, которые благодаря конструктивным приемам имеют различные механические характеристики. Как правило, мощный АД стремятся выполнить по типу Э. Мощный асинхронный двигатель находит применение в механизмах, не требующих регулирования частоты вращения, например насосы, вентиляторы, дымососы. Диапазон мощностей таких устройств составляет от 250кВт до 2000кВт. В Таблице 1 приведены границы основных параметры мощных асинхронных двигателей серии А4, ДА304, ДА30, которые производит ООО «Ленинградский Электромашиностроительный Завод».

Таблица 1 — Параметры мощных асинхронных двигателей

Серия Мощность, кВт Напряжение, кВ Частота вращения КПД,% Коэффициент мощности Максимально допустимый маховый момент, кг-м2

А4 200-1000 6 500-1500 92,095,5 0,8-0,9 580-10000

ДА304 200-800 6 500-1500 91,795,0 0,74-0,88 500-1000

ДА30 315-2000 6 500-1500 - - 1800-30000

Классические системы. К классическим системам относятся системы, которые непосредственно включают АД в сеть. Как правило, используют токоогра-ничивающие резисторы или реакторы, автотрансформаторы и переключатели схем соединения обмоток статора. Без принятия этих мер ток при пуске в 5-7 и более раз превышает номинальный. Диапазон пускового тока определяет конструкция ротора. В специальных конструкциях с эффектом вытеснения тока пусковой ток снижается и увеличивается момент. В общем случае, созданный двигателем пусковой момент негативно влияет на рабочие механизмы. Он имеет колебательный характер и по амплитуде может превышать 10 крат. Ударные нагрузки разрушают как двигатель, так и технологическую цепочку. Для снижения ущерба эти типы систем применяют к приводам мощностью до 100кВт. При большей мощности двигателя количество пусков и остановок стремятся снизить.

По большей части для ограничения токов применяют реакторы или сопротивления, автотрансформаторы очень редко, хотя у него преимущество в пусковом моменте. Реализовать такие устройства можно по схемам, представленным на Рис. 1.

Рис. 1. Электрические схемы классических систем пуска АД

Реакторы и сопротивления могут быть включены как в статорную, так и в роторную цепь. При коммутации схем используют свойства соединений треугольника и звезды. Вначале двигатель пускается с пониженным напряжением питания звезды, а потом с помощью релейно-контакторной схемы переключается на треугольник. При этом напряжение увеличивается в 1,73 раза. Для классических систем расчет добавочных активных и реактивных сопротивлений ведется по следующим формулам [2] :

2г

_ т-2 —

21

к 2

— -"-к

где 2К , гк , хк - полное, активное и реактивное сопротивление короткого замыкания. Полное и реактивное сопротивление (при неподвижном двигателе) при соединении в звезду:

и г » Г^-? (2)

7 — с-н. к с.„:

хк ~ ^

Коэффициент \1 показывает во сколько раз искусственный пусковой ток больше естественного:

м,

м =

м(

(3)

Рассмотренные устройства выпускаются промышленностью. В Таблице.2 приведены характеристики устройств реакторного типа УПР производства ООО «Завод низковольтной аппаратуры». Реактор подобного типа имеет следующие электрические параметры: напряжение, активное и реактивные сопротивления обмоток, время пуска асинхронного двигателя и ток динамической стойкости. Время в большей степени определяется тепловым процессом, при котором выделяемое тепло в обмотках разрушает изоляцию. Ток динамической стойкости это такой ток, при