автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение энергетических показателей промышленных приемников электроэнергии и систем электроснабжения промпредприятий регулированием напряжения на основе схемных переключений

ЮСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

БУРУНИН ОЛЕГ АЛЕКСЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОМЫШЕНШХ ПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМПРЕДПРИЯТИЙ РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ СХЕМНЫХ ПЕРЕКЛЮЧЕНИИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических яаук

О' ' ''

Москва - 1993

Вт;? л

Работа выполнена на кафедре Электроснабжения промышленных предприятий Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор ШЕВЧЕНКО.Е Е

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор КЛОЧЕВ Е И.; доктор технических наук, профессор КАРАСЕВ Л Д.; доктор технических наук, профессор РЕКУС Г. Г.

Ведущее предприятие:

Защита состоится М-214 в ^ час. &0

• »

ПО "Москвич", г. Москва. <РЗ

1993 г. в аудитории мин на заседании специализированного Совета Д 053.16.04 при Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетическом институте.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105835, Москва, ГСП, Е-250, Красноказарменная ул., д. 14; Ученый Совет МЭИ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан

„гг.

1993 Г.

с

Ученый секретарь специализированного Совета Д 053.16.04

к. т. н., доцент Э. А. КИРЕЕВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Промышленные предприятия являются одним из основных потребителей электрической энергии. На их долю приходится около ТО X всей производимой в нашей стране электроэнергии. Контрольные замеры в электрических сетях ряда предприятий и последующие расчеты .показали, что только потери в элементах цеховых сетей и электродвигателях достигают 15 - 25 X от потребляемой мощности. В связи с этим проблема экономии электрической энергии! повышения эффективности ее использования, снижение потерь электроэнергии в системах промышленного электроснабжения и электрооборудовании при сохранении качества электроэнергии является важнейшей задачей.

Узловым моментом проблемы экономии электрической энергии, снижения потерь электроэнергии в системах промышленного электроснабжения и электрооборудовании являются вопросы, связанные с регулированием напряжения в сети и на зажимах промышленных приемников электроэнергии.

Лля решения задачи экономии электроэнергии в массовых асинхронных электроприводах и сети наибольшее распространение наши тиристорные регуляторы напряжения (ТРН) с фазо-импульсным (ФИ) управлением. При массовом использовании тагах регуляторов возникает проблема электромагнитной совместимости сети и потребителей электроэнергии, включающая в себя целый комплекс задач.

Одним из способов регулирования электропотребления АД без искажения формы кривых напряжения и тока является дискретное регулирование напряжения путем переключения обмотки АД со схемы треугольник на схему звезда и обратно. Такое регулирование известно достаточно давно и широко применялось в основном для обеспечения пусковых режимов АД в системах электроснабжения ограниченной мощности. Позже переключения звезда - треугольник стали использоваться и для повышения энергетических показателей недогруженных АД. Однако регуляторы звезда - треугольник реализовнвались на базе контактных коммутационных аппаратов, что приводило к потере возбуждения и несинхронному включению электрической машины, следствием чего являлись значительные по

величине броски тока и электромагнитного момента. В результате, несмотря на энергетическую эффективность, отсутствие искаженш кривых тока и напряжения, указанный способ регулирована электропотребления АД широкого распространения не нашел.

Развитие бесконтактных коммутационных устройств на основе силовых полупроводниковых приборов, разработка алгоритмов, позволяющих минимизировать переходные процессы при переключения) с одной схемы на другую, рост стоимости электроэнергии, недостаточно высокая энергетическая эффективность и электромагнитная совместимость тиристорных устройств с фазо-импульсньа способом регулирования напряжения, выпуск электротехническо* промышленностью единых серий асинхронных двигателей общего назначения, начиная с серии 4А (4АМ), затем АИ, в которых напряжение 660 В является одним из основных, обусловили новый интерес > использованию дискретных регуляторов электропотребления на основе схемных переключений.

Не меньшие возможности имеются и для повышенш энергетических показателей таких распространенных промышленные приемников электроэнергии, как резистивные, индукционно-резистивные и индукционные печи. Здесь переход на дискретные регуляторы на основе внутрисхемных переключений нагревателе); позволяет добиться снижения потерь электроэнергии в сети пр> обеспечении достаточно высокого качества регулирована контролируемого параметра (активной мощности, температуры в зоне нагрева, ...).

Дискретные регуляторы, основанные на схемных переключения звезда - треугольник, могут быть использованы не только качестве местных, но и в качестве групповых средст регулирования. Так, регулирование электропотребления узл промышленной нагрузки может быть достигнуто дискретны регулированием напряжения на конденсаторах шунтово-конденсаторной установки (КУ) путем изменения схем подключени конденсаторов КУ к питающей сети. Использование схемны переключений конденсаторов позволяет значительно увеличить числ ступеней регулирования КУ, в результате во столько же ра повышается плавность регулирования реактивной мощности, точност поддержания заданного уровня напряжения в узле промышленно сети, а значит, упрощается решение задачи оптимально

компенсации реактивной мощности, снижения потерь электрической энергии.

Таким образом, в электрических сетях промышленных предприятий имеется большая группа потребителей, которая не требует обязательного плавного регулирования напряжения на своих зажимах для повышения энергетических характеристик. Для таких потребителей целесообразно осуществлять дискретное регулирование напряжения с определенным шагом квантования. Учитывая, что подавляющее число промышленных приемников электроэнергии получают питание от системы трехфазного тока, представляется наиболее целесообразным разрабатывать способы и средства дискретного регулирования переменного напряжения, использующие специфические свойства трехфазной сети, одним из которых 'является свойство дуальности: трехфазная система одновременно может быть охарактеризована трехфазными системами фазных и линейных напряжений, неразрывно связанных между собой и отличающихся друг от друга сдвигом фаз и амплитудными значениями напряжения. Это свойство трехфазной системы принято в качестве исходной предпосылки для разрабатывания дискретных способов регулирования напряжения промышленных приемников электроэнергии, позволяющих минимизировать потери в электрооборудовании и сети при сохранении качества электроэнергии.

На основании вышеизложенного, научно-техническая проблема, обобщению и решению которой посвящена диссертационная работа, состоит в разработке и исследовании способов, и устройств дискретного регулирования напряжения на основе схемных переключений, обеспечивающих снижение потерь электрической энергии в промышленных приемниках и системе промышленного электроснабжения, имеющей важное народнохозяйственное значение.

• Диссертационная работа входила в общий комплекс научно-исследовательских работы, связанных с экономией электрической энергии, возглавляемых МЭИ в соответствии с координационным планом работ по решению научно-технических проблем 0.01.11.03, выполняемой по постановлениям ГК СМ СССР по науке и технике.

Целью работы является построение теории релейного и релей-■ но-импульсного регулирования переменного напряжения и опр^/~лле-ние рациональных областей применения дискретных способов на основе, позволяющих повысить энергетическую эффективность работы

массовых промышленных приемников и промэлектросеги при сохранении качества электроэнергии.

Для достижения указанной цели в данной работе поставлены и решены следую:эде задачи:

- разработка теории релейного и релейно-импульсного регулирования напряжения на основе схемных переключений;

- разработка обобщенной математической модели системы "ре-лейно-импульсный регулятор - нагрузка";

- разработка способов квазинепрерывного релейно-импульсного регулирования переменного напряжения;

- разработка статической и динамической моделей системы "промышленная электросеть - релейный регулятор - асинхронный электродвигатель";

- разработка методики расчета нелинейных параметров асинхронных короткозамкнутых двигателей общепромышленных механизмов на основе сжатой каталожной информации;

- исследование и выбор рациональных параметров управления дискретными энергосберегающими регуляторами с учетом параметров промышленной СЭС;

- разработка алгоритмов управления, обеспечивающих ограничение воздействий переходных процессов на систему электроснабжения и электроприемники при схемных переключениях;

- разработка экономически выгодных устройств адаптации к условию изменяющегося режима работы для массовых приемников электроэнергии на базе простых релейно-импульсных схем преимущественно с тиристорными коммутационными элементами.

Методика проведения исследований. При выполнении работы применен комплекс методов, включающих:

- методы теории электрических цепей, вентильных преобразователей, электропривода, теории электромагнитных переходных' процессов, математической теории преобразования уравнений асинхронной машины;

- методы аппроксимации функций, прямого преобразования Фурье, операционного метода дифференциальных Тейлоровских преобразований , математического моделирования на ЭВМ;

- экспериментальные исследования в лабораторных условиях, а также на действующих промышленных установках.

На защиту выносятся:

- теория бестрансфсрматорного квазинепрерывного редейно-импульсного регулирования переменного напряжения на основе свойств трехфазной системы питающих напряжений;

- принципы формирования и решения уравнений состояния системы "промышленная электросеть - релейно-импульсный регулятор_ -нагрузка";

- методы расчета энергетических показателей релейно-импульсных преоорэдогат'^рй, использующих в качестве уровней квантования амплитуды Фазных, линейных, половины линейных напряжений питающей сети;

- принципы формирования, решения уравнений состояния системы "промышленная электросеть - релейный регулятор - АД" и методы расчета нелинейных параметров асинхронных короткозамкнутых электродвигателей общепромышленных механизмов-с учетом качества напряжения в промышленной сети;

- теория и методы расчета квазистатических характеристик массового асинхронного электропривода при варируемых синусоидальном и кусочнссинусоидальном питающих напряжениях;

- основы теории переходных процессов в асинхронных электроприводах при схемных переключениях обмоток электродвигателя с учетом параметров систем промышленного электроснабжения;

- принципы выбора и методики расчета рациональных параметров управления дискретно регулируемыми асинхронными электродвигателями общепромышленных механизмов с учетом активных потерь в промышленной СЭС от токовой нагрузки оптимизируемых АД;

- принципы и алгоритмы регулирования злектропотребления асинхронного электропривода сочетанием дискретного управления на основе схемных переключений с фазо-импульсным управлением;

- комплекс разработанных устройств дискретного регулирования напряжения схемными переключениями, обеспечивающих повышение энергетических показателей злектроприекников, снижение активных потерь в промышленной СЭС.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, физического и математического моделирования;

- работоспособностью и эффективностью устройств дискретного регулирования электропотребления, созданных на базе разработан-

- в -

ных научных положений, выводов и рекомендаций;

- внедрением основных рекомендаций и выводов.в виде разработанных методик и устройств в ряде организаций и промышленных предприятий.

■Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны и исследованы способы квазинепрерывного ре-лейно-импульсного регулирования переменного напряжения формированием кривой напряжения на нагрузке из синусоидальных напряжений с базовыми амплитудами, задаваемых трехфазной питающей сетью;

- разработаны и исследованы способы пофазного релейно-импульсного управления тиристорными регуляторами мощности, улучшающие энергетические показатели резистивных и индукштонно-резис-тивных ЭТУ;

- разработаны и исследованы способы релейного регулирования мощности конденсаторных установок, обеспечивающие минимальные броски тока и высокое быстродействие при переключении конденсаторов с одной схемы соединения на другую;

- разработаны и исследованы способы переключения обмоток асинхронных двигателей пофазной коммутацией элекродвигателя при синхронизации ЭДС фазной обмотки с напряжением питающей промышленной электросети; разработанные способы позволяют минимизировать электромагнитные и электромеханические переходные процессы при дискретном регулировании режимами электропотребления АД;

- определены рациональные параметры управления дискретными регуляторами электропотребления на основе схемных переключений;

- исследованы статические и динамические характеристики массовых асинхронных электроприводов с учетом промышленной электрической сети;

- определены квазистатические характеристики системы "сеть - регулятор - АД" при релейном и фазо-импульсном способами управления; выявлены области рационального сочетания релейного и фазо-импульсного регулирования.

Разработанные способы регулирования напряжения и управления дискретными регуляторами электропотребления характеризуются оригинальностью, новизной и защищены авторскими свидетельствами на изобретение, решениями о выдаче патента.

Практическая ценность работы состоит в ее направленности на

■повышение энергетической эффективности работы системы электроснабжения промпредприятий и массовых промышленных электроприемников, в разработке:

- математических моделей, удобных для исследования и алгоритмизации расчетов статических и динамических режимов работы потребителей с дискретными регуляторами напряжения на основе внутрисхемных переключений;

- методики расчета энергетических показателей релейно-импульсных преобразователей, использующих в качестве базовых уровней квантования Разные и линейные напряжения питающей сети;

- методики расчета нелинейных параметров АД с КЗР;

- уточненной методики расчета квазистатических режимов системы фазо-импульсный ТРН - АЛ;

- методики расчета статических характеристик и переходных процессов асинхронных электроприводов с дискретными регуляторами на основе схемных переключений;

- методик расчета и выбора параметров управления дискретными регуляторами электропотребления асинхронных электроприводов

' общепромышленных механизмов;

- рациональных схем управления системами релейно-импульсный ТРН - ЭТУ, релейный ТРН - КБ, релейный ТРН - АД;

- новых устройств энергосбережения на основе схемных переключений.

Реализация результатов работы.

Важной областью практического использования# полученных в работе результатов по исследованию и разработке дискретных регуляторов напряжения на основе схемных переключений являются асинхронные электропривода общепромышленных механизмов. На основе системы ТГН - АД с дискретным управлением переключением звезда -треугольник осуществлены разработки электроприводов для маховиковых прессов и вентиляторных установок (КАПО, АЗЛК). Выполнены разработки релейно-импульсных регуляторов мощности для активных нагревательных установок, таких как многозонные печи сопротивления закалки, обжига и старения, кубы дисцилляции жирных кислот (КАПО, КХК, ВГЗШС).

Разработаны и внедрены методики и устройства дискретного регулирования реактивной мощностью конденсаторных установок в промсетях 0,4 кВ на основе внутрисхемных переключений (КАПО, Но-

вомосковский ТЗ).

Результаты исследований используются в научном (Технический университет Ильменау, ФРГ) и учебном процессах Московского энергетического института и его Казанском филиале (в учебно-исследовательской работе студентов, при курсовом и дипломном проектировании, в курсах основы электроснабжения, основы преобразовательной техники).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах: Всесоюзной научной конференции "Пути экономии и повышения эффективности использования электроэнергии в системах электроснабжения промышленности и транспорта" (г. Казань, 1984 г.), республиканском научно-техническом семинаре "Опыт работы предприятий и объединений по экономии электрической и тепловой энергии" (г. Казань, 1984г.), VI Московской городской конференции молодых ученых и специалистов по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического, электроэнергетического, электротехнологического и радиоэлектронного оборудования (г. Москва, 1985 г.), VIII, X и XII сессиях Всесоюзного семинара АН СССР "Кибернетика электрических систем" по тематике "Электроснабжение промышленных предприятий" (г. Новочеркасск, 1986, 1988 гг., г. Гомель, 1991 г.), Всесоюзной научно-технической конференции с участием специалистов стран -участниц Интерэлектро "Конденсаторы и конденсаторные установки для повышения коэффициента мощности и напряжения" (г. Серпухов, 1986 г.), III Всесоюзной научно-технической конференции (г.Иваново, 1987 г.), Всесоюзной научно-технической конференции с международным участием "Современные проблемы электромеханики (К 100-летию изобретения трехфазного асинхронного двигателя)" (г. Москва, 1989 г.), республиканской научной конференции "Методы и средства управления электропотреблением" (г. Киев, 1990 г.), научно-технической конференции "Повышение эффективности электроснабжения на промышленных предприятиях" (г. Челябинск. 1990г.), республиканской научно-технической конференции "Повышение эффективности электроснабжения промышленных предприятий" (г. Казань. 1990 г.). Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение эффективности и качества электроснабжения" (г.- Мариуполь ,1990 г.). Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка методов и средств экономии элекроэнергии в электрических системах и

•системах электроснабжения промышленности и транспорта" (г. Днепропетровск, 1990г.), научно-практической конференции "Региональные проблемы повышения качества и экономии электроэнергии" (г. Астрахань, 1991 г.), VI научно-технической конференции "Технико-экономические проблемы оптимизации режимов электропотребления промышленных предприятий" (.г. Челябинск, 1991 г.), X научной конференции "Моделирование электроэнергетических систем" (г. Каунас, 1991 г.), 37 Международном научном коллоквиуме (37th International Scientific Colloquium of Technische Hochschule Ilmenau) ВТШ Ильменау (Германия, 1992); научных семинарах кафедр ЭПП и АЭП МЭИ (1986 -.1992 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 40 статей и докладов, получено 51 авторских свидетельств и 23 решения о выдаче авторских свидетельств и патентов по заявкам на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит иа введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации 430 страниц, в том числе 101 рисунок, 10 таблиц, список литературы из 191 наименований и приложения на 14 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит общую характеристику работы, постановку цели исследований, формулировку выносимых на защиту научных положений. Обоснованы и сформулированы задачи исследований.

В первой главе проведен анализ методов регулирования напряжения промышленных приемников электроэнергии. Подробно рассмотрены существующие способы и устройства дискретного регулирования напряжения иа основе схемных переключений треугольник - звезда. Подчеркнуто, что регулирование напряжения переключением потребителя с системы линейных на систему фазных питающих напряжений и обратно позволяет улучшить характеристики (энергетические, регулировочные, ...) целого ряда промышленных приемников электроэнергии и электрооборудования при сохранении качества электроэнергии в питающей сети.

Выделены самые массовые электроприемники - АД общепромышленных механизмов. Показано, что дискретное регулирование напряжения на зажимах АД переключениями треугольник - авеада

статорной обмотки тождественно по регулирующему воздействию отклонению питающего напряжения в месте подключения электродвигателя на -42 X. С учетом допустимых ГОСТом отклонений л и.- -10 X, напряжение на фазах соединенных звездой статорной обмотки двигателя может понижаться до 52 %. При таких отклонениях напряжения на фазных зажимах АД необходим учет нелинейности электромагнитных характеристик двигателя и, прежде всего, характеристик намагничивания.

Подчеркнуто, что энергетическая эффективность от внедрения мероприятий, связанных с регулированием напряжения на зажимах того или иного приемника электрической энергии, должна определяться как величиной снижения потерь в электроприемнике, так и величиной снижения активных потерь в промышленной СЭС. Рассмотрены методики определения активных потерь в СЭС промышленных предприятий. Показано, что для рассматриваемого класса задач наиболее удобно воспользоваться методикой эквивалентирования (по потерям) реактивной мощности.

Вторая глава посвящена теории квазинепрерывного релейно-импульсного регулирования напряжения приемников электроэнергии на основе схемных переключений.

При релейно-импульсном способе управления тиристорным коммутатором (ТК) и квантовании коэффициента передачи в пределах, превышающих полупериод питающего напряжения, кривая напряжения на нагрузке будет состоять из отрезков синусоидальных функций с различными амплитудами. Изменяя на периоде повторяемости (регулирования) Тп соотношение между длительностями подключения ^ напряжений с амплитудами 1Ц , J - ¿7т, можно _ регулировать эквивалентное (действующее или среднее) значение выходного напряжения с низкой дискретностью

(1)

где Г; - коэффициент передачи регулятора по действующему значению напряжения на 1-й ступени квантования;

Г / ¿+! 2

7 < г*-у у'

где Мт - амплитудное значение базового напряжения источника питания; ^ - текущее значение электрического угла; - круго-

•Бая частота питающего напряжения; гу - углы переключений вентилей регулятора; - двухсторонний функциональный прерыватель;^ -коэффициент Амплитуды ,)-го напряжения; % - фазовый угол ;)-й воздействующей функции на р-й фазе нагрузки.

В том случае, когда число фаз нагрузки не превышает число фаз питающей сети, релейно-импульсное регулирование может Сыть реализовано по бестрансформаторной схеме (рис. 1), что значительно улучшает массогабаритные и стоимостные показатели регулирующих устройств. Так, при трехфазной питающей гсети, автором работы предлагается формировать кривую напряжения на нагрузке из отрезков синусоидальных напряжений с амплитудами, равными 1, 1/2, УЗ/З от амплитудного значения линейного напряжения питающей сети.

Анализ электромагнитных процессов в системе "электросеть -релейно-импульсный ТРПН - нагрузка" (СЭС - РИ ТРПН - нагрузка) удобно исследовать на эквивалентной схеме с переменной структурой.

На каждом ;)-м интервале постоянства структуры исследуемой цепи электромагнитные процессы могут оыть описаны системой интегро-дифференциальных уравнений с нелинейными коэффициентами

ввда , ¿Ы*) г

уф-^Г */^¿^/¿^ -<^р)

(3)

при начальных условиях

х^х^ру); ¿у,-#

где п-мерный вектор искомых неизвестных функций; У/^ -

п-мерный вектор воздействую®« функций; матрицы

коэффициентов размерности пхп; J - 1,т - число интервалов постоянства структуры.

Показано, что применение операционного метода дифференциальных Тейлоровских преобразований (ДТ-преобразосаний) упрощает исследование схем релейно-импульсного преобразования энергии, описываемых системой уравнений вида (3).

При анализе установившихся режимов работы РИ регуляторов, когда вектор воздействующей функции - периодический, переменные коэффициенты, правые части и сами искомые функции предитивимы достаточно хорошо сходящимися рядами Тейлора на целом отрегко интегрирования, удобно исполь?орять глобальные ДТ-уравнения.

'А -

При анализе динамических режимов работы системы "СЭС - РИ ТРПН - нагрузка", когда интересующее нас решение может находиться за пределами радиуса сходимости степенного ряда , в этом случае следует переходить от системы глобальных к системе локальных ЛТ-уравнений.

В общем виде рассмотрен наиболее характерный для анализа релейно-импульсных регуляторов случай, когда РИ ТРПН с естественной коммутацией подключен к симметричному трехфазному источнику бесконечной мощности, работает на активно-индуктивную нагрузку и кривая напряжения на р-й фазе нагрузки на периоде регулирования состоит из отрезков синусоидальных напряжений с амплитудами, равными 1, 1/2, -/з/з от амплитудного значения линейного напряжения питающей сети и„

= ггт 2:%)> '4)

/»■-(V У/

где - коэффициент амплитуды напряжений, принимающий значения 1, 1/2,/з/з, 0 в зависимости от промежуточной структуры коммутатора.

Электромагнитные процессы в таких ТРПН часто можно описать дифференциальными уравнениями первого порядка с кусочнонепрерывной воздействующей периодической функцией моделирующей изменение структуры тиристорного коммутатора в моменты переключения р-й фазы нагрузки с одного уровня на другой. Решая полученную систему дифференциальных уравнений методом ДТ-преобразований, получаем выражения искомых токов в фазах нагрузки л .

где 2>/ - полное сопротивление петли источник напряжения - р-я фаза нагрузки на ;)-м интервале постоянства структуры регулятора; - соответствующий фазовый угол.

Показано, что использование метода ДТ-преобразований позволяет достаточно просто решать системы трансцендентных уравнений, описывающих в неявном виде моменты изменения структуры ТРПН путем перехода от трансцендентных к эквивалентным дифференциальным уравнениям.

- 15 - <j>./¡

я sfri rfTí

*» у

ЩК'

VS4 Ц1

км

3S

ко?

<0

ti

at

в4

oí

at et аь о.* es fi ar et et

Рис. 2

A

OS AS 9.T it t.» to

Л»

et

as

M и в

! ! ! Ь

lib-

it OS IT ft 9.9 t* Рис. 4

//г'л

Al

'S

f*

at

£т et tr n e t <*

I. il i i,11

-t>r-0

— tf*.te

V »

Гис. 5

i U Ь . i !i i

— tf¥-a

ъЗедс0 .1.11... i i . i ■ у

S J

В общем виде исследованы характеристики бестрансформаторных РИ регуляторов.

Подчеркнуто, что основная сложность расчета энергетических характеристик преобразователей с циклически изменяющейся структурой связана прежде всего с корректным определением его полной мощности.

Автором работы показано, что независимо от схемы питания электроустановки тп-фазной сетью, полная мощность электроприемника с постоянной или переменной структурой описывается инвариантными выражениями:

- при наличии нулевого провода (или искусственной нулевой точки)

- при отсутствии нулевого провода (или задании системы междуфазных напряжений U

где UfiofC/^p/tjí) и ЦмнеФл/ОЦ*)- действующие значения фазных (линейных) напряжений и их k-х гармоник; Jp и /р* - действующие значения линейных токов и их k-х гармоник.

Выведены выражения для определения составляющих полной мощности РИ преобразователей: активной Р, реактивной Q мощности, мощности искажения Т и несимметрии Н, а также энергетических коэффициентов: коэффициента мощности Км, сдвига Ко, искажения Ки и несимметрии Кн.

Проведен анализ регулировочных характеристик РИ регуляторов, рассмотрен случай, когда в качестве выходного параметра выступает среднее 8а период регулирования Тп значение активной мощности в нагрузке.

Показано, что регулировочная характеристика бестрансформаторного квазинепрерывного релейно-импульсного регулятора на основе внутрисхемных переключений имеет ступенчатый (игольчатый) вид с равномерной дискретизацией внутри отдельного этапа регулирования и, в общем случае, неравномерной дискретизацией по

этапам регулирования (рис. 2).

Третья глава посвящена исследованию релейно-импульсных регуляторов мощности ревистивных и индукционно- р^зистивных электротермических установок.

На основании разработанной в предыдущей главе методике ■анализа электромагнитных процессов в преобразователях с РИ способом управления с использованием аппарата ДТ-преобразований, получены аналитические выражения, описывающие квазиустановившие-ся режимы и характеристики релейно-импульсных условно-однофазных (рис. 3) и трехфазных регуляторов (рис. 1) переменного напряжения, использующих в качестве базовых уровней квантования амплитудные значения фазных и линейных напряжений питающей сети. Проьеден анализ характеристик исследуемых регуляторов.

В качестве примера на рис. 4 представлены зависимости энергетических коэффициентов (коэффициентов мощности Км, сдвига Кс, искажения Ки и несимметрии Кн) трехфазного РИ ТРПН без нулевого вывода от степени регулирования П,- и/От при различных значениях параметра нагрузки Ь^У (для наглядности указанные зависимости представлены в идеализированном виде, когда шаг квантования коэффициента передачи стремится к нулю). Там же-штриховыми линиями показаны зависимости Км - Г(и ) ТРПН с фазо-импульсным управлением.

Установлено, что выходные напряжения и токи трехфазного бестрансформаторного регулятора с релейно-импульсным управлением практически симметричны: коэффициент несимметрии Кн близок к единице (а мощность несимметрии - к нулю). Коэффициент сдвига Кс практически не зависит от уровня выходного напряжения и определяется лишь значением параметра нагрузки . Относительно невысокие значения коэффициента искажения Ки обусловлены в основном субгармоническими составляющими сетевого тока. Коэффициент искажения может быть доведен до единицы, а составляющая полной мощности - мощность искажения сведена к нулю применением параллельно работающих релейно-импульсных регуляторов, у которых субгармонические составляющие сетевых токов сдвинуты друг относительно друга так, что полностью компенсируют друг друга. Несмотря на зто, во всем диапазоне регулирования реэультирующее негативное воздействие одиночного релейно-импульсного регулятора на питающую сеть значительно ниже, чем соответствующего регулятора

о фазо-импульсным управлением (в зависимости от параметра нагрузки среднее значение коэффициента мощности в 1,2 - 1,5 раза выше). Поэтому работа релейно-импульсных регуляторов сопровождается меньшими потерями мощности в электрических сетях и подключенном к ним электрооборудовании.

Выходное напряжение РИ ТРПН не зависит от параметров нагрузки вследствие отсутствия углов задержки на включение вентилей и сохраняет синусоидальную форму во всем диапазоне регулирования /3/3 < и <1.

В спектральном составе преобладают основная гармоника V - 1 и две ближайшие симметрично расположенные относительно нее "боковые" гармоники

<"7*, (7)

причем амплитуда основной гармоники тока 14»-1</1 при релейно-импульсном управлении составляет около 0,3 амплитуды эквивалентного действующего синусоидального тока и практически в полтора ра-8а выше, чем амплитуда основной гармоники при фазо-импульсном управлении. Амплитуды ближайших "боковых" гармоник 1у„ практически в два раза ниже амплитуды минимальной по порядковому номеру высшей гармонической при фазо-импульсном регулировании (рис. 5).

Исследования также показали тождественность характеристик бестрансформаторных РИ ТРПН с фазовым сдвигом линейных напряжений на выходе регулятора относительно фазных б*- +30 эл. град, и б* - -30 эл. Вследствие знакового различия фазовых сдвигов наблюдается лишь незначительное отличие первого и последнего шагов квантования коэффициентов передачи регуляторов во времени.

Исследовано применение РИ ТРПН для регулирования мощности резистивных электротермических установок (РЭТУ). Отмечено, что при симметричном релейно-импульсном управлении тиристорными регуляторами мощности (ТРМ) число уровней квантования коэффициента передачи определяется длительностью периода регулирования и для большинства промышленных резистивных нагревательных установок обеспечивает требуемое качество технологического процесса. В тех случаях, когда указанное квазинепрерывное регулирование модности •не отвечает качеству технологического процесса, следует перейти

к пофазному релейно-импульсному регулированию, обеспечивающему повышение точности поддержания регулируемого параметра за счет разбиения диапазона регулирования на большее число этапов.

При пофазном релейно-импульсном управлении ТРМ РЭТУ регулирование мощности осуществляют поочередным подключением фаз нагрузки к питающей сети, циклически чередуя на каждой фазе нагрузки комбинации из отрезков указанных выше асинфазных напряжений.

Приведены регулировочные и энергетические характеристики пофазно управляемых РИ ТРМ РЭТУ. Показано, что по результирующему воздействию на питающую сеть, характеризуемым. коэффициентом мощности, базовые схемы бестрансформаторных релейно-импульсных ТРМ с симметричным и несимметричным (пофазным) управлением эквивалентны. Они отличаются лишь текущими значениями составляющих полной мощности - мощностями искажения, несимметрии и соответствующих им энергетических коэффициентов, ' число поддиапазонов изменения которых пропорционально числу устойчивых оперативных структур регулятора.

Проведена оценка максимальных колебаний температуры, вызванных дискретным изменением подводимой к печи мощности. Показано, что амплитуда колебаний температуры обратно пропорциональна количеству оперативных структур регулятора.

По сравнению с широтно-импульсным, редейно-импульсное управление ТРМ РЭТУ позволяет в 7 - 10 раз повысить точность поддержания температуры и на 30 - 40 У. - коэффициент мощности.

Рассмотрен вопрос согласованного управления группой РИ ТРМ ЭТУ. Релейно-импульсное управление ТРМ представляет удобную воа-можность организации синхронного управления несколькими одновременно работающими ТРМ, поскольку момент формирования очередного цикла управления вентилями 1-го регулятора легко может быть сдвинут на целое число периодов питающего напряжения. При этом достигается наилучшая взаимная компенсация низкочастотных гармонических составляющих, увеличение результирующих коэффициентов мощности и искажения.

Показано, что результирующий коэффициент мощности группы преобразователей с синхронизированным релейно-импульсным управлением при большом числе агрегатов стремится к коэффициенту

- со -

сдвига одиночного преобразователя, определяемого tg V нагрузки, и будет всегда выше результирующего коэффициента мощности группы преобразователей с фазо-импульсным управлением.

В главе описаны разработанные автором исполнительные органы и системы управления РИ ТРМ РЭТУ.

Приведены конструктивы некоторых из разработанных для промышленного внедрения бестрансформаторных РИ ТРМ.

Описаны результаты внедрения разработанных регуляторов. Так, например, установка релейно-импульсных ТРМ на печи ПЭС-30 позволила снижать экспулуатационные расходы, потери электроэнергии, улучшить качество температурного режима и, соответственно, качество изделия. Экономический эффект то их внедрения составил 34,5 тыс.руб./год (в ценах 1987 - 1989 г.г.).

Четвертая глава посвящена релейному регулированию мощности конденсаторных батарей на основе схемных переключений.

' Показано, что в большинстве случаев, несколько жертвуя качеством регулирования, отдают предпочтение более простым и дешевым устройствам дискретного регулирования реактивной мощности (РМ), осуществляющим регулирование РМ изменением количества подключенных к сети секций КУ. При этом, с целью увеличения степени плавности регулирования дискретных КУ, стараются сделать как можно меньше шаг квантования РМ.

Очевидно, что величина шага квантования определяется значением РМ одиночной конденсаторной батареи и, как правило, соответствует номинальной мощности коммутируемого конденсатора. Возможно достижение еще меньших шагов квантования РМ при использовании одних и тех же батарей конденсаторов путем _ перехода на внутрисхемные переключения конденсаторов КУ. Так, в случае п-секционной КУ (секции разной мощности) только реализация дополнительного переключения конденсаторов со схемы треугольник на схему звезда позволяет в N раз увеличить число ступеней регулирования

N - (Зч- 1)/(2п- 1). (8)

В качестве примера на рис. 6 представлен график регулирования реактивной мощности двухсекционной КУ (п - 2) с соотношением мощностей секций 1:4 при одноступенчатом и двухступенчатом управлении каждой секцией. Из графика видно, что двухступенчатое управление секциями КУ путем переключения

С1 -

конденсаторов звезда - треугольник позволяет значительно повысить плавность регулирования реактивной мощности, - что особенно важно для потребителей, работающих с неравномерными графиками нагрузок.

В главе исследуются электромагнитные процессы при релейном регулировании РМ КБ с полупроводниковыми коммутаторами. Описана методика их расчета на основе ДТ-преобразований, результаты анализа переходных процессов в полупроводниковых (тиристорных) КУ с различным схемотехническим исполнением и определены алгоритмы оптимального переключения, обеспечивающие минимальные броски тока при минимальной длительности перехода с одной схемы на другую.

Описаны разработанные автором исполнительные органы и системы управления КУ с внутрисхемными переключениями конденсаторов, обеспечивающие безударное (по току) многоступенчатое регулирование реактивной мощности в узле промышленной нагрузки.

Проанализирован экономический аспект дискретного регулирования мощности КУ схемным переключением конденсаторов. Установлено, что для большинства графиков потребления реактивной мощности узла промышленной нагрузки такое регулирование экономически оправдано.

Представлен конструктив разработанного для промышленного знедрения дискретного симксторного регулятора мощности КБ переключением звезда - треугольник фазных конденсаторов. Описана его схемотехника.

Приведены результаты внедрения разработанных регуляторов. Так, например, установка в узле питания станков ЧПУ дискретного безударного ТРМ КБ позволила значительно улучшить качество напряжения питания станков, повысить надежность работы оборудования, снизить брак дорогостоящей продукции.

Пятая глава посвящена редейно-импульсному регулированию электропотребления асинхронных электродвигателей на основе схемных переключений.

Для эффективного регулирования электропотребления асинхронного электродвигателя изменением подводимого напряжения необходима корректная информация о его энергетических характеристиках. Расчет энергетических характеристик без учета

нелинейностей параметров и, прежде всего контура намагничивания, приводит к значительным искажениям результатов моделирования неноминальных режимов работы современных короткозамкнутых АЛ.

На основе Т-образной схемы замещения разработана математическая модель АД в установившихся режимах работы, учитывающая нелинейность индуктивных сопротивлений статора и ротора и параметров контура намагничивания, позволяющая корректно решать вопросы минимизации электропотребления АД с учетом потерь мощности в промышленной сети. Предложены методики расчета нелинейных параметров схемы замещения АД на основе сжатой каталожной информации. Показано, что для учета изменяющегося насыщения магнитной цепи, оказывающей наибольшее влияние на точность расчета характеристик АД, суммарное магнитное напряжение (МН) асинхронной машины целесообразно представить в виде магнитного напряжения воздушного зазора и магнитного напряжения эквивалентной зубцовой зоны

Рг - Кг + 2 Г„ . (9)

где магнитное напряжение эквивалентной зубцовой зоны определяется полусуммой МН аубцовых Рг и МН спинок Га статора и ротора:

(Г* + Ъ)/2 - (Р2> + + ?а1 + ?аг )/2. (10)

Приведен алгоритм расчета магнитной 'цепи короткозамкнутых АД общего назначения с помощью эквивалентирования МН.

Представлены результаты моделирования характеристик асинхронных электроприводов при схемных переключениях статорной обмотки АД. Доказано, что дискретное регулирование электропотребления АД схемным переключением звезда - треугольник статорной обмотки позволяет существенно снизить потери электрической энергии как в электродвигателе, так и в питающей сети, при нагрузках, превышающих широкорекомендуемые ((0,3 -0,33) Мном) пороговые значения.

В качестве примера на рис. 7, а-г приведены в относительных единицах (с целью получения более универсальных характеристик, справедливых для целого ряда АД, в работе все результаты расчетов преставлены в относительных единицах, при этом в качестве базовых единиц приняты номинальные данные двигателя) рассчитанные с помощью ЭВМ (сплошные линии) и подтвержденные экспериментально (штриховые линии) зависимости величин

сэкономленных потерь активной мощности в АД соответственно 0,75 кВт (типоразмер 4А71В4УЗ), 1,5 кВт (типоразмер 4А80В4УЗ), 2,2 кВт (типоразмер 4А90иУЗ) и 3,0 кВт (типоразмер 4АЮ034УЗ) л - л Р<£ /?,„ - . АД и сети й Р/, - л Р£ /Руд, - Рг

от момента на валу М, - М/М* при номинальном напряжении и при отклонениях напряжения в питающей сети ¿и. - д^/и* на +10 X. Величина сэкономленных потерь определялась как разность потерь в АД, АД и сети на схемах соединения АД треугольником и звездой:

-л РаУ,; л#р^-^р:;'-*^1), (11)

пГл) п (V)

где ¿¿¿г ¿с* - потери активной мощности в сети эа счет протекания потребляемой АД реактивной мощности на схемах АД треугольник и 8веэда соответственно.

Для оптимального управления режимом электропотребления АД переключением статорной обмотки звезда - треугольник необходимо выявить параметр по которому можно контролировать точку перехода потерь активной мощности л?* из положительной области в отрицательную, то есть точку равенства потерь в АД, АД с сети на схемах АД-звезда и треугольник.

Установлено, что из множества показателей, характеризующих режим работы АД на схемах звезда и треугольник статорной обмотки (полная мощность, активная и реактивная, мощности, ток статора, коэффициент мощности, угол фазового сдвига между напряжением и токов и т.д.) наибольший интерес для разработки адаптивной системы управления представляет величина скольжения ротора.

Показано, что скольжение ротора является наиболее универсальным параметром контроля энергетической эффективности работы АД. В силу своей физической природы скольжение непосредственно отслеживает результат. и-фазного

электромеханического преобразования подводимой к АД электрической энергии, фазную несимметрию, неизбежно возникающую при изготовлении АД. В отличие от иных параметров контроля, основанных на измерении фазных (линейных) токов, напряжений, активной мощности и т.п., и требующих для вычисления управляющего сигнала сложных трехканальных (по числу фаз) вычислительных и нелинейных корректирующих устройств, скольжение ротора требует всего один измерительный канал.

Проведены исследования влияния на величины скольжения ¿иа*^

соответствующие точкам оптимального переключения АЛ звезда -треугольник (¿Р^- О или - 0), отклонения напряжения и частоты в питающей сети, несимметрии и несинусоидальнрсти питающего напряжения, температуры нагрева обмоток АД, отклонений параметров АД от каталожных. Установлено, что величины уставок по скольжению £«мрмалочуЕСТвительны к изменению в пределах ГОСТа показателей качества напряжения в питающрй сети. Наибольшее влияние на величины 5У(г>у^(как и на любые другие параметры контроля) оказывает разброс параметров АД: при отклонении параметров АД в пределах ГОСТа 183-74, отклонения уставок по скольжению $г(аЩг)от соответствующих номинальных (каталожных) данных, .составляет от -7...-9 X до t5...+7 X (рис. 8). При этом необходимо учесть, что технологический разброс, таких показателей АД, как КПД, чаще всего наблюдается в отрицательную сторону, где приращение уставок скольжения по абсолютной величине меньше и ,к тому же, имеет положительный знак, совпадающий со знакомдР3.

Устойчивость величин уставок по скольжению при возмущающих воздействиях в сети ( отклонении напряжения, частоты и т.п.), не превышающих регламентируемых ГОСТом максимальных величин, позволило разработать методику аналитического расчета величин для оптимальной настройки дискретного регулятора электропотребления. Методика построена' на решении двух уравнений: уравнении равенства активных потерь и уравнении равенства момента на валу в точках оптимального переключения АД со звезды на треугольник и обратно.

Проанализирован вопрос устойчивости работы АД при схемных переключениях. Показано, что проверку устойчивости можно провести по величина уставок скольжения ^щ).

Поскольку при решении задачи повышения экономичности массового асинхронного электропривода путем регулирования напряжения в настоящее время наибольшее предпочтение отдается системам тиристорный регулятор напряжения - асинхронный электродвигатель (ТРИ-АД) с фазо-импульсным управлением вентилями, приводящим к несинусоидальному питанию АД, проведено сравнение энергетических показателей асинхронных приводов с фазо-импульсными ТРИ, оптимизирующими ток статора, КПД, соэУ, и релейными ТРИ на основе схемных переключений звезда треугольник, не искажающими кривые тока и напряжения.

Для корректного сопоставления энергетических показателей АД с фазо-импульсным (ФИ) и релейным регулированием, разработана методика расчета квазиустановившихся характеристик системы "электросеть - 1М ТРН - АД", основанная на представлении АД эквивалентной активно-индуктивной нагрузкой с ЭДС вращения (RLE-нагрузкой), с учетом нелинейности параметров схемы замещения (рис. 9). Воздействующая функция Us в эквивалентной RLF.-схеме определялась но трехфазной схеме включения асинхронной машины звездой или треугольником с учетом последовательности работы ключей.

Приводится алгоритм, позволяющий методом последовательных приближений вычислять соответствующие заданному режиму работы АД действующие значения и первые гармонические напряжений и тока, потери мощности.

На рис. 10 представлены рассчитанные для двигателя мощностью 30 кВт (типоразмер 4А225М8УЗ) зависимости действующего значения напряжения нр зажимах АД U#- , потери мощности в

АД ¿Rjy/Р,* , потери мощности в сети^Р,,- ¿Рс /Р1Л, от протекания потребляемой АД реактивной мощности, суммарные потери мощности в АД и сети д Ps,- ¿PE /Р^ в функции момента на валу М,- М /Мд, при фазо-импульсном (штриховые линии) регулировании напряжения и регулируемом по амплитуде синусоидальном питании (например, автотрансформаторном) (штрихпунктирные линии) по критерию максимума KWI АД, дискретном регулировании переключением треугольник-звезда статорной обмотки при номинальном напряжении в питающей сети.

Как фазо-импульсное, так и варируемое по амплитуде синусоидальное регулирование (фиг. 10,а> по критерию р'^лах начинается с нагрузки М » 0,б-М„(точка ul). Это объясняется тем, что при проектировании электрических машин стремятся обеспечить наивысшие энергетические показатели при наиболее вероятной нагрузке машины F^, меньшей номинальной. Поэтому, повышение энергетических показателей АД регулированием напряжения можно осуществить лишь начиная с нагрузки Р2 < Picfi , соответствующей максимальному значению КПД.

. Потери мощности в АД лР0</, (рис. 10,6) при дискретном регулировании напряжения во всем диапазоне изменения нагрузки, ва исключением режима, близкого к XX, т.е. при Ue{Uulменьше

соответствующих потерь при фазо-импульсном регулировании и близки к потерям при варируемом по амплитуде синусоидальном регулировании в области точек и1, и2 пересечения кривых напряжения и,(М) (рис. 12,а).

Потери мощности в сети аРс, ( рис. 10,в) от протекания потребляемой АД реактивной мощности при дискретном регулировании напряжения имеют ступенчатый характер и за исключением небольшой области Ме ГМи<,Ми',1 меньше соответствующих потерь при фазо-импульсном регулировании. В области М<£[М„'„ эти потери также меньше соответствующих потерь при варируемом по амплитуде синусоидальном регулировании. Последнее объясняется законом регулирования - по максимуму КПД электродвигателя.

В результате суммарные потери мощности в АД и сети л Р^, (рис. 10.г) при дискретном регулировании напряжения в диапазоне изменения нагрузки МеСМ^.МиЗ меньше соответствующих потерь при фазо-импульсном регулировании и в значительном диапазоне нагрузки совпадают р потерями при варируемом по амплитуде синусоидальном регулировании.

Необходимо отметить, что за счет протекания высших гармонических потери мощности в сети при фазо-импульсном регулировании напряжения несколько превышают величины ¿Рс. , изображенные на рис. 10,в. Потери в сети от высших гармонических зависят от пути протекания гармоник тока. Для их расчета необходимо знание конкретной схемотехники сети, наличия конденсаторных установок, фильтров или фильтро-компенсирующих устройств. На рис. 12,в точками изображены условные потери от высших гармонических в сети и присоединенном к ней электрооборудовании в предположении, что гармоники тока протекает по сопротивлению в два раза меньшему эквивалентного сопротивления (моделирующего активные потери в сети от протекания 0) для реактивной составляющей тока основной частоты ( 1/2 Е?^).

Более наглядную информацию об энергетической эффективности того или иного способа регулирования даот разностные потери (11).

На рис. 11,а,б,в представлены рассчитанные для того же двигателя величины сэкономленной мощности в АД & Р^,, в АД и СЭС д Р^* при фазо импульсном регулировании напряжения по критериям максимума КПД, минимума тока статора, постоянства коэффициента мощности, и при дискретном регулировании на основе схемных

С9 -

переключений треугольник - звезда при отклонении напряжения в питающей сети ¿U. - 0; + 10 % с учетом потерь мощности в тиристорах (рис. 11,г) от прохождения прямого тока .(при номинальном напряжении в сети).

При нагрузке на валу 0,06 - 0,08 (при напряжении в сети U, - U,„) величины сэкономленной в АД мощности й при дискретном регулировании напряжения превышают аналогичные величины при фазо-импульсном регулировании. В тоже время при нагрузках Мд { 0,09 и экстремальном фазо-импульсном управлении возможны проявления колебательных явлений, нарушение устойчивости системы ТРИ-АД.

Сравнение величины суммарной сэкономленной в АД и сети активной мощности л Р^ при различных способах управления показало, что за исключением режима XX АД и граничащих с ним нагрузочных режимов дискретное регулирование напряжения обеспечивает более высокие энергетические показатели.

Рассмотрен вопрос сочетания дискретного регулирования с фазо-импульсным.

На рис. 12 представлены рассчитанные для того же двигателя величины сэкономленной мощности в АД, АД и сети от момента на валу при дискретном (сплошные линии) и комбинированном регулировании напряжения по критерию максимума КПД (штриховые линии). Точками а,Ь,с отмечено начало работы симметричного регулятора СЗТТ) экстремального фазо-импульсного управления.

Экономия электроэнергии при экстремальном симметричном фазо-импульсном управлении на схеме звезда наблюдается при моменте на валу 0,08 - 0,1, то есть в области, где возможны колебательные явления в замкнутой системе ТРН - АД.

Учитывая, что для АД общепромышленных механизмов работа с нагрузкой М. ^ 0,03...О,04 часто является работой на ненагруженный производственный механизм, то есть холостым ходом электропривода, можно рекомендовать, сочетание дискретного регулирования напряжения треугольник - звезда с фазо-импульсным на звезде. Последнее, с. целью упрощения системы управления, предлагается осуществлять на режиме XX производственного механизма по фиксированному углу управления. Угол управления задается разомкнутой системой фазо-импульсного регулирования исходя из максимальной экономии электроэнергии на XX электропривода при

соблюдении его устойчивости.

Анализируются электромагнитные процессы при схемных переключениях АД.

При дискретном регулировании электропотребления АД переключениями треугольник - звезда статорной обмотки в процессе перехода с одной симметричной схемы соединения на другую возможно использование в качестве промежуточных состояний несимметричных схем соединения статорной обмотки; постоянство симметрии соблюдается только в роторной цепи. В этом случае целесообразен переход от системы дифференциальных уравнений АМ, записанной в реальных фазовых координатах, к системе дифференциальных уравнений, записанной для реальных фазовых величин статора и преобразованных величин ротора - в так называемой трехфазной заторможенной системе координат АВСаЬс.

Разработана математическая модель АД с КЗР в динамических режимах работы, учитывающая нелинейность электромагнитных связей АМ, позволяющая исследовать переходные процессы и их воздействие на систему электроснабжения и электропривод как при симметричных, так и несимметричных коммутациях АД.

Достоинством такой модели является не только рациональность описания динамических режимов работы АМ при несимметричных включениях статорной обмотки, но и наглядность отражения физических процессов, удобство отыскания начальных условий, поскольку в предшествующем переходному установившемся режиме работы модель тождественна известной Т-образной модели асинхронного двигателя.

Разработанная модель АД была использована для исследования переходных процессов в системе "электросеть - коммутатор - АД", схема замещения которой представлена на рис. 13.

На основе анализа физики процесса переключения предложен ряд алгоритмов, направленных на минимизацию бросков тока и колебаний электромагнитного момента при переводе АД с одной схемы соединения на другую. Для каждого алгоритма составлена соответствующая математическая модель, решение которой осуществлялось операционным методом ДТ-преобразований по представленной во второй главе схеме.

Установлено, что для минимизации бросков тока и электромагнитного момента переключения АД со звезды на

треугольник следует осуществлять с системы фазных напряжений на отстающую по фазе систему линейных напряжений поочередным отключением фазных обмоток в моменты перехода тока в них через нуль с последующим поочередным их включением в моменты равенства фазных ЭДС статора и соответствующих линейных напряжений сети, а обратные переключения с треугольника на звезду следует осуществлять поочередным отключением фазных обмоток В моменты перехода тока в них через нуль с последующим одновременным их включением спустя 10 - 12 мс после отключения первой фазной обмотки. Амплитуда максимального броска тока статора при таких переключениях, как правило, не превышает половины пускового, а максимальная амплитуда колебаний электромагнитного момента не превышает величины половины критического при переключении на треугольник и критического статического момента АД при переключении на звезду, при этом длительность электромагнитных переходных процессов не превышает 2-3 периода питающего напряжения.

В качестве примера на рис. 14, 15 представлены в относительных единицах рассчитанные для АД мощностью 30 кВт (типоразмер 4А225М8УЗ) кривые токов в фазных обмотках статора tspr , электромагнитного момента М*„Функции текущего электрического угла ТУ при пофазном переключении статорной обмотки АД со звезды на треугольник (рис. 14) и с треугольника на звезду (рис. 15) с контролем фазных ЭДС АД и напряжений питающей сети при нагрузке, соответствующей точке оптимального переключения (¿Р*-- 0). Там же для интегральней оценки степени увеличения тока по всем трем фазам представлена зависимость модуля обобщенного вектора тока статора mod is от угла^. Двигатель подключен к сети с параметрами ге - 2гг , хс- 2хт Хт - активное и индуктивное

сопротивление трансформатора связи мощностью 1000 кВА) и вращает производственный механизм с приведенным к ротору АД моментом инерции J„- ?Jt ( Jr - 3J<), где J< - момент инерции ротора АД.

Проведенные исследования также показали, что разработанные выше алгоритмы тиристорной пофааной коммутации АД для дискретного регулирования электропотребления обеспечивают устойчивую минимизацию переходных процессов и при отклонении напряжения в сети на t¡0 Z. Изменение питающего напряжения на ±10 X приводит к изменению амплитуд выбросов тока и

SI ' 2i4

электромагнитного момента практически на такую же величину.

Рассмотрен энергетический аспект переключения обмотки АД звезда - треугольник. Показано, что потери электрической энергии, вызванные электромагнитными переходными процессами при пе-решшчениих АД звезда - треугольник, даже при большом числе п коммутаций в час составляют незначительную величину:

А&ъ-лЪп'К* 1.2.10 п/^ , где - - потребляемая электродвигателем электроэнергия

за один час работы в номинальном режиме.

Проведена экспериментальная проверка . большого количества алгоритмов переключения, подтвердившая эффективность для минимизации оросков тока и колебаний электромагнитного момента разработанных пофаоных алгоритмов переключения с синхронизацией по ЭДО.

В качестве примера на рис. 16, 17 представлены типичные осциллограммы токов в Фазных обмотках статора и электромагнитного момента на валу АД 4А10024УЗ при переключении со звезды на треугольник (рис. 16) и с треугольника на звезду (рис. 17),

.Некоторое отличие характера экспериментальных осциллограмм от теоретических связано с регистрацией лишь переходных составляющих момента, имеющих частоты свыше 2 Гц, а также существенным влиянием на результаты упругих механических связей (упругость вала АД, муфты, соединяющей вал АД с нагрузкой, ...). По амплитудам колебаний вращающего момента экспериментальные осциллограммы хорошо согласуются и теоретическими.

В главе описаны разработанные автором исполнительные органы и системы управления регуляторов электропотребления АД На основе схемных переключений.

Пополнительные части регуляторов выполнены по пятиключевой схеме. Параллельно силовым ключам подключены нуль-индикаторы (нуль-органы) напряжения, позволяющих с одной стороны реализовать алгоритм оптимального пофазно- синхронизированного переключения, а с другой стороны обеспечить защиту от ошибочного одновременного включения тиристорных ключей группы треугольник и звезда.

При построении систем управления был использован принцип временной дискретизации, позволяющий компенсировать ошибку

смешения уставок по скольжению при отклонении частоты в сети. Введена температурная коррекция по нагреву обмоток АД.

Приведены конструктивы разработанных для промшлеиного внедрения адаптивных дискретных регуляторов электропотребления АД.

Описаны результаты внедрения разработанных регуляторов. Так, например, установка адаптивного дискретного регулятора электропотребления на основе схемных переключений на маховиковом прессе АРЗ-160 с АД мощностью 15 кВт (типоразмер 7.К160Ь4) позволило уменьшить потребление асинхронным электродвигателем активной мощности ня й - 9 7., а ррактивной - на 45 - 60 X. С учетом снижения потерь мощности в сети ют электродвигателя пресса до шин ГПП) суммарное снижение потребления активной мощности составило 14 - 17 X, а реактивной - 50 - 70 X. Годовой экономический эффект от внедрения на прессе АР5-160 с АД 15 кВт дискретного регулятора составил около 2600 кВт.ч.

В приложении приведены документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана теория бестрансформатор'ного квазинепрерывного релейно-импульсного регулирования напряжения в сетях трехфазного тока.

2. Исследованы способы квазинепрерывного релейно-импулъсно-го регулирования, отличающиеся от известных формированием кривой напряжения на нагрузке из синусоидальных напряжений с базовыми амплитудами, равными амплитудным значениям фазных, половины линейных и линейных напряжений питающей сети.

Проведенные расчеты статических и динамических режимов работы потребителей с дискретными регуляторами напряжения на основе внутрисхемных переключений на созданной математической модели показали, что бестрансформаторные релейно-импульсные регуляторы обладают высокими энергетическими характеристиками при сохранении синусоидальности напряжения во всем диапазоне регулирования .

3. На основе предложенных способов разработаны алгоритмы по-фазного релейно-импульсного управления мощностью электротерми-

- об -

ческих установок, позволяющие расширить диапазон и точность регулирования выбранного параметра контроля работы ЭТУ и улучшить их энергетические показатели.

4. Показано, что переход в конденсаторных установках с традиционных схем на схемы с переключением конденсаторов с треугольника на звезду и производные от них схемы позволяет повысить плавность регулирования реактивной мощности, снизить потери в сети. Разработаны алгоритмы релейного управления КУ, обеспечивающие безударное, быстродействующее регулирование реактивной мощности.

5. Разработаны математические модели системы "промышленная сеть - ТРН - АД" с учетом нелинейности характеристик асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, позволяющие исследовать статические и динамические режимы асинхронных электроприводов общепромышленных механизмов. Разработаны эффективные алгоритмы пофазной коммутации с синхронизацией по ЭДС статорной обмотки АД, позволяющие минимизировать броски тока и колебания электромагнитного момента при схемных переключениях.

6. Установлено, что скольжение ротора является наиболее универсальным параметром контроля энергетической эффективности роботы АД. Уставки по скольжению малочувствительны к отклонениям в пределах ГОСТа параметров качества электроэнергии. Разработана методика аналитического расчета уставок по скольжению.

7. Проведенные теоретически* и экспериментальны" исследования показали, что дискретное регулирование электропотреоления АЛ схемным переключением звезда - треугольник статорной обмотки позволяет существенно снизить потеря мл^ктрической энергии как в электродвигателе, так и в питающей сети, в диапазоне нагрузок, от XX до 0,4 - 0,5 номинальной. Дискретные регуляторы обеспечивают более высокие энергетические показатели, чем фаз о-импульсные ТРИ. за исключением режимов, близких к XX электропривода. При наличии значительных периодов XX целесообразно сочетать дискретное регулирование напряжения переключением треугольник -звезда с фазо импульсным на схеме звезда.

8. Предложен ряд дискретных регуляторов напряжения на основе схемных переключений, созданных на базе серийно выпускаемых электротехнической промышленностью тириеторннх пускателей и регуляторов. Многие технические решения являются оригинальными.

/

защищены авторскими свидетельствами на изобретение, решениями о выдаче патента и технически реализованы.

у. Достоверность полученных теоретических результатов подтверждена экспериментальными исследованиями и опытом эксплуатации дискретных регуляторов на основе схемных переключений.

10. Разработанные на основе проведенных исследований устройства внедрены на ряде установок промышленного назначения: на многозонных печах сопротивления и старения, кубах диссоциляции кислот, маховиковых прессах, вентиляторах, а также в шунтовых .конденсаторных установках промышленных электросетей.

Основное содержание диссертации отражено в следующих опубликованных работах:

1. Бурунин O.A. Энергетические показатели тиристорных регуляторов мощности с пофазным релейно-импульсным управлением//Сб. науч. трудов. No 178. М.: Моск. энерг. ин-т. 1988. С. 69-74.

2. Бурунин O.A. Релейно-импульсные тиристорные регуляторы переменного напряжения//Сб. науч. трудов. No 205. М.: Моск. энерг. ин-т. 1989. С. 38-42.

3. Бурунин O.A. Повышение энергетических показателей асинхронных электроприводов общепромышленных механизмов//Сб. науч. трудов. No 213. М.: Моск. энерг. ин-т. 1989. С. 148-154.

4. Бурунин O.A. Алгоритмы управления полупроводниковыми конденсаторными установками//Тр. Моск. энерг. ин-та. 1991. вып. 631. С. 79-88.

5. A.c. 1129708 СССР, МКИ Н 02 Р 1/32. Способ управления электродвигателем путем переключения его обмоток со схемы звезда на схему треугольник и обратно/О.А.Бурунин, Э.Т.Сидоренко, В.А.Хатанов//Открытия. Изобретения. 1984. No 46.

6. A.c. 1259454 СССР, МКИ Н 02 Р 1/32. Способ управления трехфазным асинхронным электродвигателем путем переключения его обмоток со схемы звезда на схему треугольник и обратно/О.А.Бурунин, Э.Т.Сидоренко//Открытия. Изобретения. 1986. No 35.

7. A.c. 1396230 СССР, МКИ Н 02 Р 1/32. Способ управления трехфазным асинхронным электродвигателем путем переключения его обмоток со схемы звезда на схему треугольник и обратно/О.А.Бурунин, Э.Т.Сидоренко//Открытия. Изобретения. 1988. No 18.

8. Шевченко В.В., Бодрухина С.С., Бурунин O.A. Экономичес-

кое обоснование дискретного регулирования мощности конденсаторных ycTaHOBOKZ/Elektroenergienlagen und-systeme. Vortragsreihe. 31. Intern. Wlss. Koll. TH Ilmenau. 1986.P. 81-85.

9. Шевченко B.B., Бурунин O.A. Исследование электромагнитных процессов в релейно-импульсных регуляторах переменного нап-ряжения//Иав.вузов. Электромеханика. 1986. N0 12. С. 26-31.

10. Сидоренко С.Р., Бурунин O.A. Минимизация потерь электрической энергии в цеховых сетях//Межвуз. сб. тр. No 7. M.: Моск. энерг. ин-т. 1Ü83. С. 94-100.

11. Сидоренко Э.Т., Бурунин O.A. Применение полупроводниковых переключающих устройств для ступенчатого регулирования мощности конденсаторной батареи//Менжвуз. cö. тр. No 59. M.: Моск. энерг. ин-т. 1985. С. 100-105.

12. Шевченко В.В., Бурунин O.A. Энергетические показатели выпрямителя с релейно-импульсным управлением/'/Сб. науч. тр. No90. M.: Моск. энерг. ин-т. 1986. С. 105-111.

13. Сидоренко Э.,Т., Бурунин O.A. Повышение коэффициента мощности полупроводниковых регуляторов напряжения и выпрямительных агрегатов с регулированием на стороне переменного тока//Надежность и экон. электроснабж. нефтехим. з-дов. Омск. 1984. С.. 80-83.

14. A.c. 1201989 СССР, МКИ H 02 M 5/257. Способ регулирования переменного напряжения на трехфазной нагрунке/О.А.Бурунин, Э.Т.Сидоренко//Открытия. Изобретения. 1985. No 48.

15. A.c. 1372540 СССР, МКИ H 02 M 5/257. Способ квазинепрерывного регулирования мощности/О.А.Бурунин, В.В.Шевченко//Откры-тия. Изобретения. 1988. No 5.

16. Шевченко В.В., Бурунин O.A. Релейно-импульсные преобразователи и питающие сети//Сб. науч. трудов. No 125. M.: Моск. э'нерг. ин-Т. 1987. С. 113-117.

17. Шевченко В.В., Бурунин O.A. Релейно-импульсное регулирование напряжения цеховых приемников электроэнергии//Надежность и экон. электроснабжения нефтехим. г-дов. Омск: ОмПИ, 1987. С. 59-64.

18. Сидоренко Э.Т., Бурунин O.A. Увеличение числа ступеней регулирования мощности конденсаторной установки//Изв. вузов. Электромеханика. 1988. No 2. С. ¡10-132.

19. Сидоренко Э.Т., Бурунин O.A. Работа релейно-импульсного

регулятора напряжения на активно-индуктивную нагрузку//Изв. вузов. Энергетика. 1988. No 3. С. 12-15.

20. Шевченко В.В., Бурунин O.A. К определению полной мощности трехфазной установки//Изв. вузов. Энергетика. 1988. No 11. С. 43-45.

21. Сидоренко Э.Т. Бурунин O.A. Расчет энергетических характеристик релейно-импульсных регуляторов мощности промышленных печей сопротивления//Электротехника. 1988. No 12. С. 49-51.

22. Шевченко В.В., Бурунин O.A. Дискретные релейно-импульсные выпрямители//Электротехника. 1989. No 7. С. 9-11.

23. Бурунин O.A. Исследование системы дискретный тиристор-ный регулятор - асинхронный электродвигатель//Современные проблемы электромеханики (К 100-летию изобретения трехфазного асинхронного двигателя). Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции с международным участием. М. 1989. С. 03.

24. A.c. 1304123 СССР, МКИ Н 02 J 3/18. Способ переключения трехфазной конденсаторной установки/О.А.Бурунин,Э.Т.Сидорен-ко//0ткрытия. Изобретения. 1987. No 14.

.25. A.c. 1396909 СССР, МКИ Н 02 J 3/18. Способ переключения трехфазной конденсаторной батареи со схемы звезда на схемы треугольник/О. А.Бурунин, В.В.Шевченко, И.Г.Буре//1988.

26. Шевченко В.В., Бурунин O.A. Энергетические показатели трехфазного тиристорного релейно-импульсного коммутатора с активно-индуктивной нагрузкой//Злектричество. 1989. No 12. С. 67-71.

27. Бурунин O.A., Катков A.A., Шевченко В.В. О рациональном режиме электропотребления кузнечно-прессовых машин//Повышение эффективности элекроснабжения на промышленных предприятиях (тезисы докладов научно-технической конференции). Челябинск. 1990. С. 21-23.

28. A.c. 1450040 СССР, МКИ Н 02 J 3/18. Способ переключения конденсаторной батареи/0.А.Бурунин, В.В.Шевченко//Открытия. Изобретения. 1989. No 1.

29. A.c. 1473005 СССР, МКИ Н 02 J 3/18. Способ переключения конденсаторной устаяовки/О.А.Бурунин, Э.Т.Сидоренко//Открытия. Изобретения. 1989. No 14.

30. Шевченко B.B., Бурунин O.A. Математическое моделирование короткозамкнутых асинхронных электродвигателей общего назна-

чения//Моделирование электроэнергетических систем (тезисы докладов X научной конференции). Каунас. 1991. С. 124-126.

31. Шевченко RR, Бурунин O.A. Релейно-импульсные регуляторы мощности реэиетивных электротермических установок/Электротехника. 1992. No 4-5. С. 37-40.

32. Бурунин О. А. ВыОор параметров регулирования режимом электропотребления асинхронного двигателя на основе схемных переключений его обмоток//Изв. вузов. Электромеханика. 1992. No 5. С. 83-90.

33. A.c. 1571721 СССР, МКИ Н 02 J 3/18. ■ Устройство для подключения конденсаторной батареи/О. А. Бурунин//Открытия. Изобретения. 1990. No 22.

34. А. с. 1615837 СССР, МКИ Н 02 J 3/18. Конденсаторная установка/о. А. Бурунин, Э. Т. Сидоренко//Огкрытия. Изобретения, 1990. No 47.

35. A.c. 1647763 СССР, МКИ Н 02 J 3/18. Устройство для регулирования мощности .трехфазной конденсаторной батареи/0. А. Буру-нин//Открытия. Изобретения. 1991. No 17.

36. A.c. 1653111 СССР, МКИ Н 02 Р 1/32. Устройство для экстремального управления асинхронным электродвигателем/О. А. Буру-нин//0ткрытия. Изобретения. 1991. No 20.

37. А. с. 1686596 СССР, МКИ Н 02 J 3/18. Устройство для подключения конденсаторной батареи/0. А. Бурунин//Открытия. изобретения. 1991. No 39.

38. A.c. 1704224 СССР, МКИ Н 02 J 3/18. Устройство для дискретного регулирования мощности конденсаторной батареи/0. А. Бурунин, R В. Шевченко//Огкрытия. Изобретения. 1992. Noll.

39. A.c. 1709484 СССР, МКИ Н 02 Р 1/32. Устройство для управления асинхронным электродвигателем/О. А. Бурунин//Открытия. Изобретения. 1992. No 4.

40. A.c. 1711287 СССР, МКИ Н 02 J 7/10. Устройство для заряда аккумуляторной батареи/0. А. Бурунин, R R Шевченко//Огкрытия. Изобретения. 1992, No 5.

41. A.c. 1750012 СССР, МКИ 5Н 03 Р 1/32. Устройство для переключения статорной обмотки трехфазного асинхронного электродвигателя со схемы звезда на схему треугольник и обратно/ O. A. Бурунин, Е. С. Московская//0ткрытия. Изобретения. 1992. No 27.

HÓ''""'"j'5""""_У.Ч.Ч./СС з-. k____

I » ч.. ]..,ф>.н .4 'II К...................I I