автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Пуско-регулирующее устройство на базе статического компенсатора реактивной мощности

На правах рукописи

СМИРНОВ МИХАИЛ ИВАНОВИЧ

ПУСКО-РЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО НА БАЗЕ СТАТИЧЕСКОГО КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Специальность 05.09.01. "Электромеханика и электрические аппараты"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□аЗОТ1ВО1

МОСКВА 2007

003071601

Работа выполнена в Iосударственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском энергетическом институте (Техническом университете) на кафедре электрических и электронных аппаратов

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Розанов Юрий Константинович

Официальный оппонент доктор технических наук,

профессор Малиновский Александр Ев1 еньевич

кандидат технических наук, профессор Москаленко Владимир Валентинович

Ведущее предприятие - Концерн ООО «Русэлпром»

Защита состоится <<^0 » .с/О А-2007 г

на заседании диссертационного сонета Д 212 157 15 при ГОУВПО МЭИ (ТУ) в аудитории ьлс$в ЛЗ час мин

по адресу 111250, Москва, Красноказарменная ул, д 13 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО МЭИ (ТУ)

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим

направлять по адресу 111250, Москва, Красноказарменная ул , д 14, ученый

совет при ГОУВПО МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан «_2£» 2007 г

Ученый секретарь „

дчееерт анионного совета Д21215715 /

к т н , доц 0о С "1 ^ Соколова Е М

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При питании двигателя от сети ограниченной мощности в процессе пуска из-за большого значения пускового тока уменьшается напряжение питания двигателя Это приводит к уменьшению перегрузочной способности двигателя, что негативно сказывается на эффективности и надежности работы машины В случае пуска двигателя от сети ограниченной мощности широкое распространение получили устройства пуска на базе конденсаторных компенсаторов реактивной мощности Однако их применение ограничено из-за невысокой надежности работы, обусловленной возможностью возникновения резонансных явлений, а также из-за большой стоимости и габаритов, обусловленных использованием неполярных конденсаторов

В последнее время большое внимание уделяется проблеме энергосбережения Возрастающая потребность общества в энергии может удовлетворяться как за счет увеличения производства энергии, так и за счет ее рационального использования Поэтому необходимо создание новою вида ПРУ с улучшенными технико-экономическими показателями, повышающее энергоэффективность работы двигателя б установившемся режиме работы за счет компенсации его реактивной мощности

Цель работы. Целью работы является создание нового вида ПРУ для асинхронного двигателя с управляемой мощностью, подаваемой на двигатель в процессе пуска от накопителя этектроэнергии, с улучшенными технико-экономическими показателями

Для достижения цели работы необходимо было решить следующие научно-технические задачи

1 создание схемотехнических решений и принципиальных схем нового вида ПРУ

2 разработка алгоритмов управления ПРУ для различных режимов работы

3 разработка инженерных методик расчета силовых элементов ПРУ Научна« новизна.

1 разработан новый вид ПРУ на основе элементов силовой электроники,

2 разработаны принципиальные схемы нового вида ПРУ,

3 разработаны принцип построения и алгоритмы управления ПРУ, и их программчая реализация на промышленном микроконтроллере

Методы исследований, применяемые в диссертационной работе методы теории электрических цепей, методы теории автоматического управления, математическое моделирование ПРУ и асинхронного двигателя в программном комплексе Matlab, физическое моделирование ПРУ Основные положения, выносимые на защиту

1 схемотехнические решения и принципиальные схемы нового вида ПРУ

2 математическая модель силовой части и системы управления ПРУ

3 алгоритмы управления и программы ПРУ

4 инженерные методики расчета силовых элементов ПРУ Практическая ценность работы заключается в следующем

1 улучшение условий запуска двигателя, питающегося от сети ограниченной мощности

2 уменьшение величины пускового тока при увеличении пускового момента двигателя

3 повышение коэффициента мощности питания двигателя Практическое применение результатов работы

Ма1ериалы работы были использованы при проведении НИР с «РАО ЕС» по созданию систем управления статических компенсаторов реактивной мощности и активных фильтров

Публикации по теме работы. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы, получен патент на изобретение №2262180 от 10 октября 2005г «Устройство пуска асинхронного двигателя»

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы и имеет объем 158 страниц, 82 рисунка, 4 таблицы и приложение

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования и разработки Описаны проблемы, связанные с пуском асинхронного двигателя с ко рсч козам кнуты м ротором от сети неограниченной и ограниченной мощности Об\'словлека актуальное гь разработки пуско-регулирующего устройства (ПРУ) с улучшенными техническими характеристиками

В первой главе приведено описание существующих устройств и методов пуска асинхронного двигателя Указаны достоинства и недостатки использующихся методов и устройств пуска Указана актуальность проблемы повышения энергоэффективности работы асинхронного двигателя Описано устройство пуска на базе конденсаторов, включаемых параллельно статорным обмоткам двигателя Приведены недостатки этого устройства пуска и компенсации реактивной мощности В этой связи, была поставлена задача создания нового вида ПРУ с улучшенными технико-экономическими показателями В установившемся режиме работы двигателя устройство должно повышать энергоэффективность двигателя путем компенсации его реактивной мощности Выявлена основная область применения нового вида ПРУ - пуск двигагеля от сети ограниченной мощности, с целью уменьшения пускового тока, потребляемого из сети и увеличения перегрузочной способности двигателя в пусковом и статическом режимах работы Во второй главе описана конструкция и принцип действия ПРУ на базе компенсатора мощности сети

Статический компенсагор реактивной мощности является базовым элементом ПРУ Принцип работы ПРУ заключается в компенсации реактивной мощности двигателя в процессе пуска

Преобразователь напряжения компенсатора выполнен по схеме преобразователя переменного/постоянного тока с накопителем энергии на стороне постоянного тока Подключение преобразователя к сети показано на рис 1, а) Задачей системы управления ПРУ является измерение токов нагрузки (1н_а, !ц_ь, 'а с) или сети 0с_а <с „), и вычислении тока задания компенсатора для создания необходимого потока мощности компенсации Преобразователь выполнен на полностью управляемых ключевых элементах, поэюч} он способен работает в четырех квадрантах (рис 1, б), генерируя в сеть ток первой гармоники, отстающий или опережающий по фазе напряжение сети в точке подключения На рисунке и - фазное напряжение сети, I - гок фазы преобразователя Режим выпрямления - квадранты I и IV, режим инвертирования - квадранты II и III

к ■5

12

I

и

I

1

+ 1

I

Рис 1 Устройство и принцип действия компенсатора мощности сети а) подключение 4-х квадрантного преобразователя к трехфазной сети, б) четыре квадранта работы преобразователя

Принцип действия компенсатора мощности сети основан на генерировании тока, отстающего или опережающего по фазе напряжение сети в точке подключения компенсатора, что эквивалентно потреблению или генерированию реактивной мощности, в результате чет о достигается компенсация реактивной мощности сети При наличии энергоемкого накопителя на стороне постоянного тока, компенсатор способен генерировать в сеть или потреблять из нее активную мощность Могут использоваться накопители различных типов, такие как аккумуляторная батарея, батарея электролитических конденсаторов или батарея конденсаторов нового типа - молекулярных конденсаторов, имеющих большую энергоемкость При наличии накопителя достаточно большой энергоемкости, ПРУ является устройством способным обмениваться с сетью мощностью различного характера Это позволяет ПРУ управлять пуском асинхронного двигателя генерируя мощность различного характера - как реактивную для компенсации реактивной мощности двигателя, так и активную для частичного или полного питания двигателя

Упрошенная структурная схема системы управления ПРУ показана на рис 2 Асинхронный двигатель подключается к ПРУ со стороны «нагрузка» (рис 2)

-о

«к 1

-о

фильтрующие дроссели

нагрузка

четырехк.чадра1пнь й преобоазовате л

напряжение на наколите э-екгро энергии_^

токи натр) зки

токи в дрсссетях. преобрззовзтетя

напряжения сети

драйвер £

управ 1СНЯ" ключами

Система у правления на основе

микроконтроллера

СИГНвЛЫ

управления

ключами

моста

Рис 2 Упрощённая структурная схема системы управления ПРУ

Преобразователь напряжения компенсатора может иметь различное схемотехническое исполнение в зависимости от его мощности, а также напряжения сети к которой он подключен В компенсаторах небольшой мощности и напряжения могут использоваться следующие топологии схем преобразователей двухуровневая трехфазная, трехуровневая трехфазная трехфазная топология, состоящая из трех однофазных (в иностранной литературе «Я»-схем), с общим накопителем энергии на стороне постоянного тока Благодаря использованию статического компенсатора реактивной мощности разрабатываемое ПРУ имеет ряд преимуществ по сравнению с аналогами (устройство пуска на базе неполярных конденсаторов, включённых параллельно статорным обмоткам двигателя)

- энергия на пуск двигателя может расходоваться из накопителя устройства пуска, что делает возможным пуск с потреблением минимального количества энергии от сети или же осуществлять пуск в автономном режиме работы (без потребления энергии от сети),

- отсутствие возможнос ти возникновения резонансных явлений,

- отсутствие возможности возникновения ударных коммутационных сверхтоков, так как принцип регулирования мощности статического компенсатора обуславливает плавность и точность компенсации реактивной мощности двигателя,

- возможно уменьшить номинальную мощность ПРУ за счет его способности работать с некоторой перегр\зкой в процессе пуска,

- в качестве накопителя устройства может использоваться полярный электролитический конденсатор который дешевле и имеет меньшие габариты по сравнению с неполярным конденсатором,

В третьей главе описана система управления ПРУ Так как базовым элементом ПРУ является статический компенсатор реактивной мощности, то в третьей главе приведено описание и сравнение двух наиболее часто использующихся методов управления статическим компенсатором Это метод «мгновенной мощности» (или «р-д теория») и метод управления в синхронной системе координат, основанный на прямом и обратном преобразовании Парка-Горева Функционально система управления ПРУ разделена на две подсистемы Задачей первой является вычисление значений активной и реактивной составляющих мощности, которые компенсатор должен генерировать в сеть для компенсации активной и реактивной мощности нагрузки Задачей второй подсистемы является управление переключением ключевых элементов преобразователя напряжения для создания заданного потока мощности Преимуществом использования теории «мгновенной мощности» является отсутствие необходимости использования системы синхронизации сигналов токов задания компенсатора с напряжением сети, так как это осуществляется автоматически Это обеспечивает хорошее качество управления мощностью компенсагора в динамических режимах работы Это особенно важно при работе с сетью охраниченной мощности, когда изменение мощности компенсатора приводит к изменению фазы напряжения сети в течке подключения

Метод «мгновенной мощности» основан на вычислении мощности нагрузки с использованием токов и напряжений нагрузки в стационарной ортогональной системе координат Переход к этой системе координат от трехфазной системы координат осуществляется посредством преобразования Кларка {аЬс-ар преобразование) (1)

где ia(r) и /ДО - проекции пространственного вектора тока на оси двухфазной скщионарной системы координат, ¡a(¿), ib(t), /Д/) - проекции пространственного вектора тока на оси трехфазной системы координат

(1)

¡>(o"L UoJ

(2)

Вводится понятия действительной pit) и мнимой q\t) мгновенных мощностей в а-р координатах

4(0 «/ol ['ДО]

' -Ua(t) w„(0j iyoj'

Среднее значение действительной составляющей мгновенной мощности p(t) (2) соответствует активной мощности в традиционном представлении В то же время, мнимая мгновенная мощность q(t) не соответствует традиционной реактивнои мощности Поскольку составляющие мгновенных мощностей р и <г/, соответствующие активной и реактивной мощности, являются величинами постоянными (или медленно меняющимися в динамических режимах работы), то упрощается их выделение Постоянные величины р и д выделяются посредством информационных фильтров низких частот (ФНЧ) с миним&тыюй фазовой задержкой и ослаблением выделяемой составляющей входного сигнала (рис 3) Эти значения являются мощностью задания компенсатора ПРУ (р* с/*)

и„иь,и

la.lb.k

преобразование ibt'aP "и "з Ss расчет м )1цнос1ей p\\q р. С!

la,I<i -> ФНЧ

грсобралованге аЬс/ар

2'oJ'p

^■IF

-Й И|

регутяюр актиььой

feairranofl мощности

Чз>

Р-Ч

расчет токов

задания

компенсаюра

jaflaitne акт !Е'»ой и peaicniai ой мощцости кочтсисатора

Рис 3 Блок-схема системы вычисления тока задания компенсатора ПРУ с использованием меюда р-д теории

Токи задания компенсатора определяются по найденным значениям мощности компенсатора и напряжению сети в точке его подключения

1

и/ 1 [>"

(3)

Л 1<г I

где к/р- токи задания компенсаюра в двухфазной системе координат, р* I{*- активная и реактивная мощности задания компенсатора

Недостатком теории «мгновенной мощности» является непосредственное использование переменных иа,ив операции вычисления

токов задания Это приводит к низкой помехоустойчивости этой системы управления, так как при прохождении случайного импульса по каналу получения информации о напряжении сети будет неправильно рассчитан ток задания компенсатора Это может привести к колебательному переходному процессу выходного тока и напряжения компенсатора, так как преобразователь компенсатора является нелинейной импульсной системой

В результате проведенного анализа было сделано предпочтение использованию метода управления в синхронной системе координат Метод основан на прямом и обратном преобразовании Парка-Горева Прямое преобразование (4) заключается в нахождении проекций обобщенного вектора тока или напряжения на оси орто! опальной системы координат, вращающейся синхронно с вектором напряжения сета

'»Л Г cos0 sm6>" _/„ J j-ЫПС? cosflj

где О — cj t - значение утла поворота вращающейся системы координат с частотой т

Переменные составляющие проекций td и ig (Z, к) соответствуют высшим гармоническим составляющим и обратной последовательности токов Для выделения постоянных составляющих, несущих информацию об активной и реактивной мощности, применяются фильтры низких частот (ФНЧ), как в методе «мгновенной мощности» Обратное преобразование Парка-Горева осуществляется по формуле

¡с _ cos в -sm#~j tp J tsm# cos0 J

Таким образом, если к тречфззной системе тока сначала применить прямое преобразование Кларка, а затем прямое преобразование Парка-Горева, то постоянные составляющие проекций на оси d -q соответствуют составляющим тока синхронной частоты ® На рис 4 представлена блок-схема метода генерации задающего сигнала, кегюльзуя преобразование Парка-Горева

(5)

Рис 4 Блок-схема системы вычисления тока задания компенсатора с использованием преобразования Парка-Горева •

Регулятор активной и реактивной составляющей тока вычисляет значения токов задания компенсатора в синхронной системе координат Далее вычисляются гоки задания компенсатора в стационарной двухфазной системе координат

Преимуществом данного метода по сравнению с теорией «мгновенной мощности» является возможность оперирования непосредственно активными и реактивными составляющими тока и напряжения, а не некими мгновенными мощностями Преимуществом метода является также использование эталонных сигналов при вычислении токов задания компенсатора, а также наличием фильтров низких частот, которые значительно ослабляют возможные импульсные помехи в канале измерения токов Недостатком этого метода является необходимость синхронизации с напряжением сети эталонных единичных сигналов (соя С и втб1) Для синхронизации молсет использоваться система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) Так как в синхронизируемом напряжении сети могут присутствовать высшие гармоники, то пересечение нуля кривой напряжения может не совпадать с нулевой фазой основной гармоники напряжения сети Система ФАПЧ обеспечивает высокую точность при несинусоидальности напряжения сети, так она является следящей системой, частота настройки которой определяется частотой управляющею сигнала, а сш налом рассогласования является разность фаз управляющего сигнала и сигнала обратной связи

В настоящее время в основном используются два метода регулирования тока компенсаторов, выполненных на базе преобразователя напряжения Первый метод заключается в регулировании тока компенсатора посредством вычисления напряжения преобразователя с испотьзованием

пропорционально-интегрального регулирования Второй мегод заключается в непосредственном управлении токами в фазах преобразователя по их отклонению от значения тока задания компенсатора Динамические характеристики модулятора с вычислением напряжения преобразователя ограничены постоянной времени пропорционально-интегрального регулятора канала вычисления Этот недостаток может привести к перегрузке компенсатора в динамических режимах работы или привести к разрядке накопителя, поэтому в управлении был использован метод непосредственной модуляции тока, без вычисления напряжения преобразователя, не имеющий этого недостатка Существует различные виды этою вида модуляции релейная (гистерезисная), модуляция методом одношагового прогноза и другие При этом преобразователь напряжения с фильтрующими дросселями на стороне переменного тока имеет свойства инвертора тока, а не напряжения, что обуславливает хорошие динамические характеристики Управление было реализовано по методу одношагового прогноза заключающегося в расчете на каждом такте модуляции среднего значения напряжения преобразовагеля, при котором ток в конце такта модуляции становится равным заданному значению Управление фазными токами компенсатора осуществляется посредством формирования напряжения, поэтому ток в фазах является вторичным, т е формируется с задержкой как интеграл от разницы мгновенных значений напряжений компенсатора и сети

где /л (!) - ток компенсатора, и,. (/) - фазное напряжение сети и

компенсатора, Ь - индуктивность дросселя, включенного между этими источниками ЭДС

Напряжение преобразователя вычисляется в начале каждого такта модуляции с целью обеспечения равенства среднего значения генерируемого тока и тока задания За один такт модуляции ток в дросселе компенсатора увеличится на величину Л/А, равную

где Тт - период модуляции. ис С1лд Тг. - среднее значение напряжения сети за период модуляции, и, с1„- среднее значение фазного напряжения компенсатора, равное перемножению напряжения на накопителе на коэффициент заполнения на таете модуляции

(6)

Сигналы управления потупроводниковыми ключами преобразователя вычисляются с использованием теории векторной модуляции, то есть модуляция пространственного вектора напряжения преобразователя Важным преимуществом этого метода модуляции является более высокое значение коэффициента Кш в линейном диапазоне модуляции (0,578) При

этом напряжение на накопительном конденсаторе может быть на 15% меньше напряжения при использовании метода модуляции на основе сравнения с несущей Метод векторной модуляции используется, когда необходимо управлять обобщенными векторами тока и напряжения компенсатора

В четвертой главе проведен анализ совместной работы ПРУ и АД с целью определения необходимых электроэнергетических параметров ПРУ, рассчитанного на запуск конкретного двигателя Расчет проведен с использованием пространственных векторов переменных электрической машины Математическое моделирование динамических режимов работы двигателя осуществлялось в программе БптшЬпк программного комплекса МаЙаЬ

Полученные схемы замещения ОЭМ, справедливы только в установившихся реж.шах работы двигателя Однако, если пуск двигателя происходит в условиях, когда в токах статора и ротора свободные составляющие (уравнительные токи) незначительны, для расчета может быть применена эта схема замещения Проверка точности расчетов осуществлялась с использованием математических моделей двигателя, более точно описывающей динамические режимы работы двигателя

(учитывающих перекрестные связи, обусловленные наличием ЭДС вращения ротора)

При увеличении сопротивления сети питания двигателя уменьшается напряжение на двигателе в процессе пуска Компенсация реактивной мощности позволяет уменьшить ток, потребляемый из сети в процессе пуска и повысить напряжение и пусковой момент двигателя На рис 5 приведены полученные зависимости начального пускового момента двигателя типа 4АН250М4, мощностью 1!0кВ. при пуске от сети ограниченной мощности, в зависимости величины полного сопротивления сети (I,■) Графики приведены в относительных единицах, за базовое значение момента принято номинальное значение момента двигателя Зз базовое значение сопротивления сети приято значение полного сопротивления двигателя в

номинальном режиме работы, сопротивление сети имеет активно-индуктивный характер, причем активное сопротивление равно индуктивному Номинальное значение начального пускового момента (при номинальном напряжении питания) равно 0,3 ед При полной компенсации реактивной мощности двигателя график момента обозначен как М^ т

График момента двигателя при частичной компенсации реактивной мощности двигателя обозначен М,

пуск _ пру _ 4

При этом перегрузка по току ПРУ составляет 4, с учетом того, что номинальная установленная мощность ПРУ равна реактивной мощности двигателя в номинальном режиме работы На рис 5 приведен график момента двигателя без компенсации реактивной мощности (М )

М/МА

0 35 г--

0 С 05 0 1

02 0 26 03 035 С4 045

Рис 5 Зависимость пускового момента двигателя от сопротивления сета при компенсации реактивной мощности

На рис 6 показаны зависимости мощности ПРУ от сопротивления сети Эти данные позволяют рассчитать необходимую мощность ПРУ в зависимости от мощности двигателя и требуемого значение пускового момента двигателя За базовое значение мощности принята полная мощность двигателя в номинальном режиме работы

Рис 6 Зависимость напряжения на двигателе и мощности ПРУ от сопротивления сети а) напряжение на двигателе, б) мощность ПРУ, в) отношение мощности ПРУ в режиме пуска ) к реактивной

мощности двигателя в номинальном режиме работы (Бт „£1|)

Отношение мощности ПРУ в режиме пуска к реактивной мощности двигателя в номинальном режиме работы показывает расчетную перегрузку ПРУ в режиме пуска, с учетом того, что установленная мощность ПРУ равна реактивной мощности двигателя в номинальном режиме работы

На рис 7 приведены данные расчета энергии затрачиваемой ПРУ за время пуска (Л) в зависимости от электромагнитного момента двигателя (А/), который ПРУ регулирует на заданном постоянном уровне и сопротивления сети (2С) в относительных единицах При помощи этих данных можно определить какую энергию затрачивает ПРУ на запуск двигателя с заданным значением пускового момента (М) при определенном сопротивлении сети За базовое значение энергии принята величина энергии, потребляемая двигателем в номинальном режиме работы за одну секунду

о 015

Рис.7. Энергия затрачиваемая ПРУ за время пуска

В пятой главе приведено описание математического моделирования ПРУ и АД, которое проводилась с целью подтверждения теоретического анализа и методик проектирования ПРУ, При этом был проведен анализ и выбран наиболее перспективный программный комплекс моделирования БштМяк. Программа .Чйпийпк позволяет моделировать смешанные аналого-цифровые системы. В библиотеке пакета имеются элементы силовой электроники: тиристоры, Гв ВТ-транзисторы и т.п. Математическая модель ПРУ я двигателя в программе Йтш\:пк содержит компенсатор мощности Г1РУ, двигатель и сеть электроснабжения ограниченной мощности, представленную в виде источника напряжения и активно-индуктивно рО сопротивления. На рис.8 показаны графики моделирования пуска двигателя типа 4АН250М4, номинальной мощностью 110кВт., с использованием ПРУ. На рис 8, а) показалы токи двигателя, которые увеличиваются в момент включения ПРУ благодаря увеличению напряжения питания двигателя (рис.8, <?). Напряжение на двигателе увеличивается из-за компенсации реактивной мощности двигателя пусш-регулирующим устройством. На рис.8, 6) показаны токи ПРУ, равные реактивным составляющим токов двигателя, на рис.8, е; показаны тки сети, равные активным составляющим голое двигателя. Среднее значение тока сети в процессе пуска составляет 170а (действующее значение), что примерно равно току двигателя в комина.тьно.^ режиме работы. Время пуска составляет 2,2 с. В момент

времени 2,5 с. на вал двигателя подаётся номинальный момент нагрузки, при этом ПРУ продолжает компенсацию реактивной мощности двигателя.

Рис.8 Графики тока и напряжения моделирования пуска двигателя типа

4АН250М4

а) токи двигателя, б) токи ПРУ, в) токи сети, г) напряжение питания

двигателя.

Результаты проведённого моделирования подтверждают верность выведенных расчётных соотношений для определения электроэнергетических параметров ПРУ.

Были сделаны следующие выводы: без использования ПРУ значение пускового тока двигателя, потребляемого из сети в два раза больше номинального значения тока двигателя, а пусковой момент меньше в четыре раза номинального пускового момента двигателя. При использовании ПРУ ток сети в процессе пуска не превышает номинальный ток двигателя, а пусковой момент увеличивается в два раза, а время пуска уменьшается в два раза. В установившемся режиме работы двигателя ПРУ компенсирует реактивную мощность двигателя. Например, для двигателя типа 4АН250М4 мощность потребляемая из сети уменьшается с ШкВА до 115кВА, то есть потребляется на 10% меньше, чем достигается эффект энергосбережения.

В шестой главе огшсана разработанная методика расчета и выбора силовых компонентов ПРУ Для расчета и выбора параметров силовых компонентов ПРУ необходимо определить требования к его энергетическим характеристикам Энергетические характеристики ПРУ определяются следующими параметрами напряжение сети, к которой подключается ПРУ, параметры пускаемого двигателя, требуемая величина пускового момента двигателя, требуемое время пуска (если необходимо), допустимый коэффициент гармонических искажений напряжения и тока в точке подключения ПРУ, сопротивление питающей сети

Эти данные позволяют определить следующие основные энергетические характеристики ПРУ величина тока компенсатора в статическом и пусковом режимах работы, величина энергии, расходуемая за время пуска двигателя

Результатом расчета являются следующие параметры силовых элементов компенсатора ПРУ

1) параметры силовых полупроводниковых ключевых элементов тип ключевых элементов, класс напряжения и тока, частота коммутации, величина тепловых потерь в ключевых элементах в пусковом и статическом режимах работы и параметры системы охлаждения ключа, температура кристалла ключевого элемента в пусковом и статическом режимах работы

2) параметры накопителя электроэнергии на стороне постоянного тока компенсатора тип накопителя, максимальное и номинальное рабочее напряжение, энергоемкость, величина пульсаций напряжения на накопителе

3) параметры дросселей фильтров на стороне переменного тока компенсатора индуктивность, величина падения напряжения на дросселе основной и модуляционной гармоник в пусковом и статическом режимах работы, потери мощности в дросселе

Рабочее значение тока полупроводниковых элементов, частота коммутации, напряжение на стороне постоянного тока преобразователя и другие параметры компенсатора являются взаимозависимыми, что приводит к необходимости использования итерационного метода расчёта Ток ключевого элемента компенсатора имеет импульсный характер, при этом значительную величину составляет отношение максимального пикового значения тока к его среднем}' значению Поэтому расчет мощности потерь проводился при помощи математического моделирования, учитывающего реальное значение тока ключевого элемента, позволяющего более точно

определить величину тепловых потерь в ключевых элементах: компенсатора ПРУ

В седьмой главе оггисано физическое моделирование ПРУ Экспериментальное исследование работы ПРУ в режиме генерации реактивной мощности было выполнено на физическом макеге, предназначенном для непосредственного подключения к трехфазной сети 0,4кВ, 50 Гц Установленная мощность макета ЗкВА Номинальное действующее значение основной гармоники тока макета 4,5А Цифровая часть системы управления представляет собой готовую микропроцессорную плату Starter Kit с микроконтроллером XC167CI фирмы Infineon Technologies AG Для проверки работоспособности алгоритма системы управления был проведен ряд экспериментов, подтверждающий эффективность работы системы управления компенсатора ПРУ

В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе

1 разработаны схемотехнические решения и принципиальные схемы нового вида ПРУ, на базе статического компенсатора реактивной мощности

2 разработаны алгоритмы управления ПРУ, обеспечивающие эффективное управление мощностью компенсации ПРУ

3 выведены расчетные соотношения для определения необходимых электроэнергетических параметров ПРУ, на основе проведенного анализа совместной работы ПРУ и АД Расчет проводится с использованием математического моделирования динамических режимов работы двигателя в программе Sunuimk программного комплекса Matlab В расчете используются обмоточные данные двигателя

4 создана математическая модель силовой части и системы управления ПРУ в программе Simuhnk, позволяющая проводить анализ работы ГРУ в динамических и статических ре<ки\:ах

5 разработана инженерная методика расчета параметров основных силовых элементов ПРУ. рассчитанного на запуск конкретного двигателя Методика создана для расчета параметров элементов

ПРУ по известным значениям основных электроэнергетических параметров ПРУ

Основные положения диссертационной работы изложены в печатных трудах

1 Розанов Ю К , Смирнов М И, Кошелев К С Цифровая система управления статическим компенсатором реактивной мощности // Электричество - 2006 I - вып 7 - С 25-30

2 Розанов Ю К, Рябчицкий М В, Смирнов МII Цифровая система управления преобразователем неактивной мощности // Техническая электродинамика - 2005г - вып 2 - С 30-33

3 Розанов Ю К , Рябчицкий М В, Смирнов М И Пуско-регулирующее устройство для асинхронного двигателя на основе преобразователя напряжения с емкостным накопителем // Х1-я международная конференция «Электромеханика, злектротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» МКЭЭЭ - 2006 Тез докл - Алушта, 2006 - С 182-183

4 Патент на изобретение №2262180 от 10 октября 2005г «Устройство пуска асинхронною двигателя»

Подписано в печать М 010?зак. Тир. 400 П.л. {¿Л Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОПИСАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ УСТРОЙСТВ И МЕТОДОВ ПУСКА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.

1.1. Достоинства и недостатки использующихся методов и устройств пуска

1.2. Энергосбережение в электроприводе.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ НОВОГО ВИДА

ПУСКО-РЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА.

2.1. Конструкция и принцип действия статического компенсатора реактивной мощности.

2.2. Ключевые полупроводниковые приборы компенсатора, особенности их выбора и применения.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

ПУСКО - РЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА.

3.1. Разработка системы управления статического компенсатора ПРУ

3.2. Вычисление мощности компенсации ПРУ.

3.3. Система управления модуляцией напряжения и тока компенсатора.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ПРУ И АД 4.1. Анализ электромагнитных процессов асинхронного двигателя.

4.1.1. Математическое описание обобщенной электрической ^ машины.

4.1.2. Математическое моделирование динамических режимов работы двигателя.

4.1.3. Определение электромагнитного момента асинхронного двигателя.

4.2. Расчёт электроэнергетических параметров ПРУ.

4.3. Управление электромагнитным моментом двигателя посредством изменения мощности компенсации ПРУ.

4.3.1. Пуск двигателя с потреблением энергии накопителя

4.3.2. Управление электромагнитным моментом двигателя в ^ процессе пуска.

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРУ И АД

Выводы по главе 5.

ГЛАВА 6. МЕТОДИКА РАСЧЁТА И ВЫБОРА СИЛОВЫХ

КОМПОНЕНТОВ ПРУ.

Выводы по главе 6.

ГЛАВА 7. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПУСКО

РЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

Выводы по главе 7.

При питании асинхронного двигателя от сети электроснабжения ограниченной мощности (мощность сети сопоставима с мощностью двигателя) в процессе пуска напряжения питания двигателя уменьшается, что обуславливается большой величиной пускового тока двигателя. Это приводит к нарушению нормального функционирования электрооборудования, что ни может не сказаться на эффективности и надежности работы машины [4, 5]. Существующие на сегодняшний день методы пуска АД не решают задачу формирования требуемой для конкретного АД пусковой характеристики. Они не обеспечивают селективности ограничения тока - ограничивают не только реактивную составляющую тока двигателя, но и активную составляющую тока двигателя, что приводит к снижению потребления активной мощности двигателем в процессе пуска, и снижению перегрузочной способности двигателя в процессе пуска. При питании двигателя от сети ограниченной мощности снижение перегрузочной способности двигателя обусловлено уменьшением напряжения питания двигателя из-за увеличения падения напряжения на сопротивлении питающей сети. Снижению пускового момента двигателя приводит к затягиванию процесса пуска или его срыву, когда момент нагрузки на валу двигателя становится больше момента, развиваемого двигателем [7].

Благодаря простой конструкции, простоте обслуживания и высокой надёжности, распространение получил электропривод на основе асинхронного электродвигателя (АД). Пуск АД осуществляется самыми различными способами. Самый простой из них - прямое включение обмоток двигателя в питающую сеть. При этом наблюдаются два неблагоприятных фактора - большая кратность начального пускового тока и колебательный, затухающий характер пускового момента двигателя. Большие пусковые токи вызывают значительные просадки напряжения на питающих шинах подстанции (при соизмеримой мощности подстанции и двигателя), что нарушает работу, как других потребителей, подключённых к этой подстанции, так и самого двигателя. Значительные колебания момента двигателя на начальном этапе пуска, которые могут превышать 4-г5 кратное значение номинального момента, создают неблагоприятные условия для работы механики. Существуют и другие методы пуска: пуск переключением обмоток со звезды на треугольник, пуск с последовательным включением токоограничивающих реакторов, пуск с параллельным включением конденсаторов, пуск с использованием преобразователя частоты или регулятора напряжения на базе встречно-параллельно включённых тиристоров [3]. Все эти методы и устройства и пуска двигателя имеют различные недостатки, поэтому целью данной работы является разработка устройства пуска нового вида с улучшенными технико-экономическими показателями.

ГЛАВА 1.

ОПИСАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ УСТРОЙСТВ И МЕТОДОВ ПУСКА

АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Созданы схемотехнические решения и принципиальные схемы нового вида ПРУ на базе статического компенсатора реактивной мощности с улучшенными технико-экономическими показателями. ПРУ повышает энергоэффективность работы двигателя в установившемся режиме работы за счёт компенсации его реактивной мощности. Основная область применения нового вида ПРУ - пуск двигателя от сети ограниченной мощности, с целью уменьшения пускового тока, потребляемого из сети и увеличения перегрузочной способности двигателя в пусковом и статическом режимах работы.

2. Благодаря использованию статического компенсатора реактивной мощности ПРУ имеет ряд преимуществ по сравнению с устройством пуска на базе конденсаторного компенсатора реактивной мощности двигателя:

3. Были разработаны алгоритмы управления ПРУ для различных режимов работы. Разработана цифровая система управления на основе микроконтроллера, позволяющая обеспечить высокое качество регулирования и адаптивность к изменяющимся внешним условиям работы.

4. На основе проведённого анализа совместной работы ПРУ и АД выведены расчётные соотношения для определения необходимых электроэнергетических параметров ПРУ, рассчитанного на запуск конкретного двигателя.

5. Создана математическая модель ПРУ и двигателя в программе Simulink программного комплекса Matlab. Получены данные моделирования пуска двигателя при помощи ПРУ, показывающие эффективность его использования.

6. Разработана инженерная методика расчёта параметров силовых компонентов компенсатора ПРУ.

7. Было проведено экспериментальное исследование работы ПРУ в режиме генерации реактивной мощности было выполнено на физическом макете, предназначенном для подключения к трехфазной сети 0,4кВ, 50 Гц. Полученные результаты работы макета статического компенсатора ПРУ показывают высокую эффективность разработанной цифровой системы управления компенсатора ПРУ.

147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Розанов Ю. К. Основы силовой электроники М.: Энергоатомиздат, 1992.-296 с.

2. Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 136 с.

3. Ильинский Н.Ф., Юнькова М.Г. Автоматизированный электропривод. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 544 с.

4. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока.- M.-JI.: Госэнергоиздат, 1963.-744 с.

5. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. М.: Энергия, 1970.- 518 с.

6. Казовский Е. Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. М. - JI. Издательство академии наук СССР. - 1962.- 624 с.

7. Гольдберг О.Д, Буль О.Б, Свириденко И.С, Хелемская С.П. Переходные процессы в электрических машинах и аппаратах и вопросы их проектирования.- М.: Выш. шк., 2001. 512с.

8. Копылов И.П., Математическое моделирование электрических машин. -М.: Выш. шк., 1987. 248с.

9. Герман-Галкин С.Г., Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. СПб.: Корона принт, 2001.- 320с.

10. Соколов М.М, Петров Л.П, Масандилов Л.Б. Электромагнитные переходные процессы в асинхронным электроприводе. М.: Выш. шк., 1985, 151с.

11. П.Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. М.: Издательство МЭИ, 2003, 224с.

12. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. Л: Энергия. Ленингр. Отд-ниеб, 1980, 256с.

13. Дьяконов В .П. Matlab 6/6.1/6.5 Simulink 4.5 в математике и моделированиию. -М.: 2003.-214 с.

14. Электрические и электронные аппараты: Учебник для ВУЗов / под ред. Ю. К. Розанова 2-е изд., испр. и доп.- М.: Информэлектро, 2001.- 421 с.

15. И. Мжельский, Е.Б. Мжельская Составление моделей анализа систем, методическое пособие.- М.: МЭИ, 2000.- 17 с.

16. Mohan N., Underland Т. М., Robbins W. P. Power Electronics Converters, application and design New York: John Wiley and Sons, 1995- 820 p.

17. Выготский M. Я. Справочник по высшей математике- M.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957.-620 с.

18. Skvarenina Т. Power Electronics Handbook- Boca Raton: CRC Press, 2002,- 664 p.

19. Rashid M. Power Electronics Handbook В.: Academic Press, 2001.-895 P-+

20. Sabin D., Sundaram A. Quality Enhances Reliability // Spectrum IEEE-1996.- №2.-P. 38-44.

21. Redl R., Tenti P., Van Wyk J.D. Power electronics' polluting effects // Spectrum IEEE.- 1997.- №5.- P. 32-39.

22. Cameron M. M. Trends in Power Factor Correction with Harmonic Filtering // Spectrum IEEE.- 1993.- № 7.- P. 45^18.

23. Pitel I., Talukdar S. A review of the effects and suppression of power converter harmonics // IAS annual meeting: Тез. докл.- W., 1977 P. 119127.

24. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий.-М.: Энергоатомиздат, 1984.-272 с.

25. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии-М.: Энергоатомиздат, 1985.-224 с.

26. Электротехническая продукция Schneider Electric: Каталог / Schneider Electric-P.,2002- 105 с.

27. Климов В. П., Москалев А. Д. Способы подавления высших гармоник тока в системах электропитания М.: АОЗТ ММП-Ирбис, 2002 - 8 с.+

28. Houdek J. A. Economical Solutions to Meet Harmonic Distortion Limits-P.: MTE Corporation, 1999.- 5 p.

29. Dugan R. C., McGranaghan M. F., Beaty H. W. Electrical Power Systems Quality.- L.: McGraw-Hill, 1996.- 265 p.

30. ГОСТ 13109-97. Показатели качества электроэнергии- М.: Изд-во стандартов, 1999.-25 с.

31. Collombet С., Lupin J. М., Shonek J. Harmonic disturbances in networks and their treatment // Schneider Electric cahiers techniques 1999 - №15231 p.

32. Collombet M., Lacroix B. LV circuit breakers confronted with harmonics, transients and cyclic currents // Schneider Electric cahiers techniques-1999-№192 -16 p.

33. N 50160. Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems D.: Standards, 1999 - 38 p.

34. IEC 61000-3-2. Electromagnetic compatibility (EMC). Limits for harmonic current emissions (equipment input current up to and including 16 A per phase).- D.: Standards, 2001 30 p.

35. IEEE-519. IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems,.- W.: JSC, 1992 65 p.

36. Guide to harmonics with AC drives S.: ABB Industry, 2002 - 32 p.

37. Ивакин В. H., Сысоева Н. Г., Худяков В. В. Электропередачи и вставки постоянного тока и статические тиристорные компенсаторы- М.: Энергоатомиздат, 1993.-420 с.

38. Иванов В. С., Соколов В. И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий-М.: Энергоатомиздат, 1987-336 с.

39. Gyugyi L., Stricula E. C. Active AC Power Filters // IAS annual meeting: Тез. докл.-В., 1976.-P. 529-535.

40. Stacey E. J., Strycula E. C. Hybrid power filters // IAS annual meeting: Тез. докл.- W., 1977.-P. 1133-1140.

41. Чжан Дайжун. Исследование активных фильтров-компенсаторов на базе мостового инвертора для динамической компенсации неактивной составляющей мощности: Дис. канд. техн. Наук М., МЭИ, 1993 - 129 с.

42. Рябчицкий М. В. Регулятор качества электроэнергии: Дис. канд. техн. наук.- М., МЭИ, 1999.- 119 с.

43. Кваснюк А. А. Регулятор качества электроэнергии с расширенной областью функциональных возможностей: Дис. канд. техн. наук М., МЭИ, 2002.-133 с.

44. Иванов И. В. Исследование и разработка регулятора сетевого фильтра высших гармоник для систем автономного электроснабжения: Дис. канд. техн. наук М., МЭИ, 1993 - 146 с.

45. Гапеенков А.В. Анализ и разработка способов улучшения электромагнитной совместимости в автономных системах электроснабжения: Дис. канд. техн. наук.-М., МЭИ, 1999 155 с.

46. Стрикос Д. Анализ и исследование нового класса силовых фильтров для трехфазных промышленных сетей 380 В: Дис. канд. техн. наук.- М., МЭИ, 2000,- 162 с.

47. Электротехническая продукция Electronicon: Каталог / Electronicon-М., 2002,-30 с.

48. Демирчян К. С. Теоретические основы электротехники: Учебник для ВУЗов. В 3-х томах. Том 1. Изд. 4 М.: Изд-во СПБ Питер, 2004 - 463 с.+

49. Электротехнический справочник: В 4 т. / под. ред. Герасимова В. Г.-М.: Изд-во МЭИ, 2003. Т. 2.- 518 с.

50. Akagi H. New trends in active filters for power conditioning // IEEE Transactions on industry applications 1996.- vol.32.- №6- P. 1312-1322.

51. Akagi H. Control strategy and site selection of a shunt active filter for damping of harmonic propagation in power distribution systems // IEEE Transactions on power delivery 1997 - vol.12.- №1- P. 354-363.

52. Розанов Ю. К., Рябчицкий M. В., Кваснюк А. А. Новые функции активного фильтра // Межвузовский сборник научных трудов / ЧГУ-1998.-С. 45-49.

53. Le Roux A. D., Mouton Hd. Т., Akagi Н. Digital control of an integrated series active filter and diode rectifier with voltage regulation // IEEE Transactions on industry applications 2003 - vol.39.- №6 - P. 1814-1820.

54. Aredes M., Monteiro L. F. C., Mourente J. Control strategies for series and shunt active filters // IEEE PowerTech Conference Proceedings: Тез. докл-B., 2003.-P. 23-29.

55. Hyosung К., Akagi H. The instantaneous power theory on the rotating p-q-r reference frames // Power Electronics and Drive Systems Conference: Тез. докл.-Т., 1999.-P. 422-427.

56. Розанов Ю. К., Гринберг Р. П. Вопросы управления гибридными фильтрами // IV Международная конференция «Электротехника, Электромеханика и Электротехнологии»: Тез. докл.- Клязьма, 2000 С. 365-366.

57. Bhattacharia S., Divan D. M., Banejee B. Active filter solutions for utility interface // IEEE ISIE conference: Тез. докл.- P., 1995 P. 53-61.

58. Fujita H., Akagi H., Nabae A. A combined system of shunt passive and series active filters an alternative to shunt active filters // EPE conference: Тез. докл.- S., 1991.- P. 12-17.

59. Четги П. Проектирование ключевых источников электропитания М.: Энергоатомиздат, 1990.-420 с.

60. Ковалев Ф. И. Статические агрегаты бесперебойного питания М.: Энергоатомиздат, 1992.-288 с.

61. Мустафа Г.М., Ковалев Ф.И. Сравнительный анализ трех способов управления импульсными следящими инверторами // Электричество-1989.-№2.- с. 29-37.

62. Srianthumrong S., Fujita Н., Akagi Н. Stability analysis of a series active filter integrated with a double series diode rectifier // IEEE Transactions on power electronics 2002 - vol.17.- №1- P. 117-124.

63. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств Oread 9.2 М.: Солон-Р, 2001.- 700 с.

64. Розанов Ю. К., Рябчицкий М. В., Кваснюк А. А. Гринберг Р. П. Моделирование энергетических систем с фильтрами высших гармоник // Международная научно-техническая конференция «Силовая электроника и энергоэффективность»: Тез. докл.- Алушта, 2000 С. 44-45.

65. Савоськин А. Н., Кулинич Ю. М., Гринберг Р. П. Повышение коэффициента мощности электровоза // Электротехника.- 2002 №5-С. 11-16.

66. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB: Специальный справочник СПб: Питер, 2001 - 480 с.

67. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем: Специальный справочник СПб: Питер, 2002448 с.

68. Герман-Галкин С. Компьютерное моделирование преобразователей в пакете Matlab.- М.: Корона Принт, 2001.- 320 с.

69. CSNA-111: Product Datasheet / Honewell Inc.- В., 2002 5 p.

70. Isolation Amplifier HCPL 7800: Datasheet / Agilent Technologies- LA., 2002.-10 p.

71. IR components: Catalogue / International Rectifier C., 2001 - 250 p.+

72. C167CR derivatives: user's manual / Infineon Technologies- M., 2002480 p.

73. Асаи К., Ватада Д., Иваи С. Прикладные нечеткие системы: Пер. с нем.-М.: Мир, 1993.- 368 с.

74. Zadeh L. A. Fuzzy Sets // Information and control 1965 - №.8 - P. 338 -353.

75. Mamdani E. H., Assilian S. An Experiment in Linguistic Synthesis with a Fuzzy Logic Controller // In Int. J. Man-Machine Studies 1975 - vol.7.- P. 32-39.

76. Dell'Aquilla A., Liserre M., Cecatti C., Ometto A. A Fuzzy logic CC-PWM three-Phase AC-DC converter // IAS Conference: Тез. докл.- W., 2000 P. 987-992.

77. Dell'Aquilla A., Lecci A., Zanchetta P., Sumner M., Palethorpe B. Novel voltage control for active shunt power filters // ISIE conference: Тез. докл-H, 2002.-P. 924-929.