автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование систем и алгоритмов управления синхронным частотно-регулируемым электроприводом турбомеханизмов

005045051

На правах рукописи

КУЗИН КИРИЛЛ АНДРЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫМ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ТУРБОМЕХАНИЗМОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 Мдя ¿012

Москва 2012

005045051

Работа выполнена на кафедре Автоматизированного электропривода федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национального исследовательского университета «МЭИ».

Научный руководитель: Осипов Олег Ивапович, доктор технических наук, профессор кафедры Автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ».

Официальные оппоненты: Шевырев Юрий Вадимович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Электрификация и энергоэффективность горных предприятий» Московского государственного горного университета; Кузьмин Иван Константинович, кандидат технических наук, руководитель группы сектора «Комплектного электропривода» ООО «Элпро-Рус»

Ведущее предприятие: ООО УК «РОСВОДОКАНАЛ» г. Москва

Защита диссертации состоится 15 июня 2012 года в аудитории М-611 в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, корпус М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГЪОУ ВПО «НИУ «МЭИ». Автореферат диссертации размещен на сайте: www.mpei.ru.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью), просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет МЭИ и e-mail: kirakuz2@rambler.ru.

Автореферат разослан « i i » мая 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.1

канд. техн. наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Энерго - и ресурсосбережение наряду с информатизацией и компьютеризацией в различных технологических процессах является одним из основных направлений технической политики во всех развитых странах мира, не исключая и Россию. Существенной составляющей в этом направлении является применение регулируемого электропривода ЭП для турбомеханизмов (насосов, турбокомпрессоров, дымососов, вентиляторов и т. п. механизмов). Особая роль в подобных электроприводах больших мощностей (свыше 250 кВт) принадлежит высоковольтному частотно-регулируемому синхронному электроприводу, обладающему более высокими, по сравнению с асинхронным электроприводом, энергетическими показателями. При этом для группы турбомеханизмов, работающих на общую выходную магистраль, более экономичным решением является использование лишь одного преобразователя частоты ПЧ с возможностью его работы с любым из электродвигателей группы и переключением их от ПЧ к питающей сети и обратно.

В области автоматического управления и регулирования режимов работы СД значительный вклад внесли такие ученые, как Д.П.Петелин, В.А.Венников, А.И.Важнов, А.М.Вейнгер, Г.Б.Онищенко, М.М.Ботвшгаик, Ю.Г.Шакарян, М.П.Титов. Данное направление науки развивалось в МЭИ, ОАО «Электропривод», УПИ и в ряде других отечественных ВУЗах и НИИ. Однако во многих работах не уделяется должного внимания ряду проблем, связанных с согласованием всех технологических режимов современного электропривода. Таких как, частотный пуск и регулирование частоты вращения синхронного Двигателя с возможностью его прямого пуска и работы от питающей сети, в качестве резервного режима работы; согласованное включение в работу необходимого числа приводов, как от сети, так и от ПЧ; переключение источника питания СД от ПЧ к сети с жестким согласованием выходного напряжения ПЧ по амплитуде, частоте и фазовому сдвигу с напряжением питающей сети при одновременном регулировании технологического параметра.

Как правило, модернизация синхронного электропривода турбомеханизмов связана с установкой не только ПЧ, обеспечивающих регулирование скорости синхронных двигателей, но и с заменой технически устаревших их возбудителей. При этом для резервирования питания и осуществления технологической надежности работы приводных двигателей требуется сохранять возможность его прямого пуска и работы в нерегулируемом режиме. Отсюда вновь устанавливаемый возбудитель должен обеспечивать все режимы работы СД: асинхронный пуск двигателя при питании его от сети, частотный пуск, режим переключения питания двигателя и регулирование энергетических показателей привода в соответствии с технологическими режимами работы турбомеханизма. Подобная многофункциональность работы возбудителя накладывает дополнительные требования

на его систему и алгоритмы управления, законы формирования тока возбуждения и взаимосвязи между собой СД, преобразователя частоты и возбудителя.

При организации современных систем управления технологическим процессом ТП наиболее удобным средством управления и диагностирования работы электропривода группы турбомеханизмов является персональный компьютер (ЖК-панель управления) с программой визуализации ТП и отображением текущего состояния электропривода, регистрацией аварийных и штатных событий. Проектирование и реализация подобных средств является неотъемлемой частью задач повышения эргономических показателей работы оперативного персонала и надежности системы в целом.

Внедрение в состав электропривода турбомеханизмов новых технических средств (ПЧ, программируемых контроллеров, АСУТП) на основе микропроцессорной техники одновременно сопровождается проблемой обеспечения их электромагнитной совместимости (ЭМС) в реальных промышленных условиях эксплуатации привода. Это требует анализа электромагнитной обстановки (ЭМО) в районе расположения элементов электропривода турбомеханизма, и при необходимости принятия мер по обеспечению их ЭМС.

Ясно, что решение указанных проблем при внедрении синхронного частотно-регулируемого электропривода турбомеханизмов будет способствовать повышению их технико-экономических показателей, энергоэффективности и технической надежности.

целью диссертационной работы является разработка, совершенствование и исследование систем и алгоритмов управления синхронного частотно-регулируемого электропривода турбомеханизмов, обеспечивающих повышение их технико-экономических показателей, энергоэффективности и технической надежности.

Достижение поставленной цели потребовало:

- анализа технологических режимов работы, типовых нагрузочных диаграмм привода турбомеханизмов и на их основе технико-экономического обоснования целесообразности применения в них частотно-регулируемого синхронного электропривода;

- разработки и совершенствования алгоритмов управления группой синхронных частотно-регулируемых электроприводов турбомеханизмов;

- разработки математической модели синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением в режимах пуска, регулирования частоты вращения, переключения его питания с ПЧ на питающую сеть;

- разработки алгоритмов формирования тока возбуждения СД, обеспечивающих работу возбудителя во всех технологических режимах работы турбомеханизмов;

- разработки систем диагностирования, сбора и обработки переменных электропривода насосных агрегатов, а также согласования аппаратно-программных средств, обеспечивающих интерфейс «человек-машина»;

- экспериментального исследования ЭМО в районе расположения элементов электропривода турбомеханизмов и на их основе принятия мер по обеспечению их ЭМС.

- апробации теоретических и технических разработок на основе экспериментальных исследований синхронных ЭП турбомеханизмов.

Методика исследований. Теоретические исследования основывались на общих положениях теории электропривода и теории автоматического управления, методов структурного моделирования, аппарата булевой алгебры и теории электромагнитного поля. Экспериментальные исследования проводились в электроприводах действующих насосных станций и турбокомпрессорных установках осциллографированием переменных электроприводов с использованием программы ИпуеМогаЮт и программного обеспечения системы визуализации процесса 1пТоисИ \VondcrWare. Для исследования электромагнитной обстановки использовался разработанный комплект анализаторов электрического и магнитного полей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обобщены технологические режимы работы турбомеханизмов и на примере привода насосной станции обоснованы эксплуатационные требования к их синхронным частотно-регулируемым электроприводам.

2. Разработана математическая модель синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением в режимах частотного пуска, регулирования частоты вращения, переключения его питания с ПЧ на питающую сеть;

3. Разработаны алгоритмы формирования тока возбуждения СД, обеспечивающие работу возбудителя во всех технологических и энергетических режимах работы СД;

4. Разработаны алгоритмы управления технологическими режимами работы синхронных частотно-регулируемых электроприводов турбомеханизмов, работающих в единой технологической группе;

5. Разработана система диагностирования технического состояния синхронного частотно-регулируемого электропривода насосной станции.

6. Определены спектральные характеристики напряженностей электрического и магнитного полей в районе расположения элементов управления и силовой части электропривода турбомеханизма.

Практическая ценность н реализация работы заключаются в следующем:

1. Предложены и реализованы принципы управления технологическими режимами работы электропривода группы турбомеханизмов с общей выходной магистралью.

2. Разработана математическая модель СД, обеспечивающая его адекватное исследование во всех технологических и энергетических режимах работы и позволяющая дать оценку возможных изменений электрических переменных на стадии проектирования комплектного электропривода на базе синхронного двигателя, в том числе и по системе ПЧ-СД.

переменных на стадии проектирования комплектного электропривода на базе синхронного двигателя, в том числе и по системе ПЧ-СД.

3. Реализована система регулирования тока возбуждения СД, обеспечивающая требуемые технологические режимы работы насосной станции и поршневого компрессора с высокими энергетическими показателями.

4. Технически реализованы алгоритмы логического управления электроприводами группы насосов аппаратно-программными средствами на основе программируемого логического контроллера SIMATIC S7-300, сетевой коммуникационной платы Simatic NET, монитора, а также программного обеспечения визуализации InTouch WonderWare, обеспечивающего интерфейс «человек-машина» и диагностирование технического состояния электроприводов насосов.

5. Определены спектральные характеристики напряженности электрического и магнитного полей в районе расположения элементов электропривода компрессора. Обеспечена их электромагнитная совместимость.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований апробированы при внедрении высоковольтных синхронных частотно-регулируемых электроприводов насосных станций Болыпекамского водозабора БКВ и Чусовских очистительных сооружений ЧОС-2 (г. Пермь), а также привода поршневого компрессора Нефтеперерабатывающего завода (г. Москва), обеспечив заметное увеличение энергетических и технологических показателей по сравнению с прежней системой регулирования. В итоге модернизации насосной станции снизились эксплуатационные расходы на оборудование из-за отсутствия гидравлических ударов в выходных трубопроводах за счет стабилизации давления воды и плавности его регулирования. Повысилась энергоэффективность, и как следствие снизились расходы на перекачку чистой воды, уменьшилась ее себестоимость. Разработанная видеотерминальная станция и принципы диагностирования электрооборудования насосной станции нашли применение и для вновь разрабатываемых в ООО «Русэлпром-Мехатроника» (г. Москва) электроприводов турбомеханизмов.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждены правомерностью принятых исходных допущений и предпосылок, корректным применением методов теорий электропривода и автоматического управления, результатами практической реализации и экспериментальных исследований разработанных алгоритмов и принципов управления, а также энергетических режимов работы синхронных частотно-регулируемых электроприводов турбомеханизмов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Алгоритмы системы управления технологическими режимами работы высоковольтных синхронных частотно-регулируемых электроприводов турбомеханизмов.

2. Математическая модель системы ПЧ-СД с многоуровневым автономным инвертором напряжения.

3. Результаты анализа режима переключения питания СД от ПЧ на сеть, определяющие допустимые значения рассогласования параметров синхронизируемых напряжений при переключении и их зависимость от условий работы.

4. Алгоритмы управления системой возбуждения СД, принципы формирования тока возбуждения СД по минимуму потребляемой им реактивной мощности и по току статора. Варианты их технической реализации для промышленных СД, включая СД с бесщеточной системой возбуждения.

5. Система сбора, обработки и визуализации переменных электроприводов турбомеханизмов, обеспечивающая диагностирование технического состояния и режимов работы синхронного частотно-регулируемого электропривода турбомеханизмов.

6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанных алгоритмов и систем управления синхронными частотно-регулируемыми электроприводами турбомеханизмов, их энергетических режимов работы и спектральных характеристик напряженностей электрического и магнитного полей в районе расположения элементов управления и силовой части электроприводов турбомеханизмов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Тула, 2010 г.), на XV, XVI Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2009, 2010 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 8 печатных трудах, в том числе двух изданиях, входящих в перечень, рекомендованных ВАК РФ по направлению «Энергетика».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 60 наименования и 1 приложения. Ее содержание изложено на 132 страницах основного текста, содержит 68 рисунков и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введепин обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследований.

В первой главе на примере электропривода насосных агрегатов перекачивающей станции определены технологические особенности работающих в группе электроприводов турбомеханизмов и требования к ним. Рассмотрены способы регулирования производительности насосной станции, методика определения ожидаемого экономического и технологического эффектов от частотного регулирования скорости насосов.

Предложена функциональная схема электропривода (ЭП) насосной станции на базе одного преобразователя частоты в соответствии с технологическим алгоритмом его работы (рис. 1).

Рис. 1. Функциональная схема электропривода насосной станции.

Здесь: ТУ — питающий трансформатор; 1.1+6.1 - ячейки питания от сети приводов насосов; ПЧ — преобразователь частоты; О — высоковольтный выключатель; 1.2 + 6.2 — ячейки питания от ПЧ приводов насосов; Д1 + Д6 - синхронные двигатели (СД); 1.3+6.3 - возбудители СД; 1.4+6.4 - ЭП задвижек на входе насосов; 1.5+6.5 - ЭП задвижек на выходе насосов; 1.6 +6.6 - датчики давления на выходе насосов; 1.7+6.7 - датчики давления на входе насосов; 7 и 8 - 1-ый и, соответственно, 2-ой датчики давления на напорном коллекторе; XI — сигналы индикации и управления высоковольтными ячейками; XI - сигналы от датчиков давления; ХЗ - сигналы информационной сети Рго/гбг«; Х4 - сигналы индикации и управления ЭП задвижек; Х5 - сигналы индикации и управления ЭП насосов; Х6 - сигналы сети промышленного интернета. Шкаф видеотерминальной станции

(ШВТС) содержит программируемый логический контроллер (ПЛК), предназначенный для: реализации алгоритмов управления электроприводами, включая режим переключения питания двигателя с ПЧ на сеть; приема и обработки аналоговых и дискретных сигналов, поступающих от датчиков. Пульт управления (ПУ) и вспомогательное оборудование обеспечивают формирование и передачу управляющих сигналов преобразователю ПЧ по сети Profibus. В их числе задание на скорость; сбор и обработка переменных, поступающих от ПЧ. Результаты обработки поступают на видеотерминальную станцию (ВТС), предназначенную для управления и контроля готовности к работе электропривода, визуализации состояния и режима работы электропривода, архивации основных координат ЭП. Шкаф управления ЭП (1ИУЭП) обеспечивает световую индикацию состояния электроприводов насосов и содержит ПЛК, который на основании данных от ШВТС по сети Profibus управляет силовой частью привода. К секции шин 6 кВ с частотой 50 Гц подключены ПЧ и электродвигатели (рис. 1). Выход ПЧ питает шину регулируемых напряжения (0+6 кВ) и частоты (0+50 Гц). ПЧ обеспечивает плавный пуск и вывод из работы любого из 6 насосов и синхронизацию электродвигателя насоса с питающей сетью. Это исключает удары в гидравлической и электрической сетях. Регулирование давления происходит за счет изменения частоты вращения электродвигателя, питающегося от ПЧ. При неисправности ПЧ предусмотрен прямой пуск от сети любого из СД.

Определены логические взаимосвязи между входными и выходными сигналами управления электроприводами насосной станции и на их основе предложен алгоритм управления работой группы и-го количества электроприводов турбомеханизмов при работе с одним ПЧ на одну выходную магистраль по аналогии со схемой рис. 1. В качестве примера ниже приведен фрагмент предложенного алгоритма в виде уравнений алгебры логики, описывающих формирование команд на включение и-го приводного двигателя насоса «От ПЧ» (Y3n) и «От сети» (Y4n):

У3п =ХЗп-(Яя-Ч52---4¡n) ■ Ябп -Я7-Я8- Чюп ' Яш ' Yln' ^ = Х3п '1l3n ' '

где: Х3п - пуск и-го приводного двигателя; q¡n - включенное состояние камеры регулируемого напряжения и частоты и-го приводного двигателя; q6n- включенное состояние сетевой камеры и-го приводного двигателя; q7 - включенное состояние вводного разъединителя секции шин регулируемого напряжения и частоты; q$ - состояние готовности ПЧ к работе; q¡on - состояние готовности возбудителя п-го приводного двигателя к работе; q¡3„ - аварийное состояние силовой цепи и-го приводного двигателя; Y,n - выбран режим работы и-го приводного двигателя «От ПЧ»; Y2„ — выбран режим работы и-го приводного двигателя «От сети». При равенстве сигналов на включение и-го приводного двигателя Y¡„ или Y4„ логической

единице включается камера регулируемого напряжения и частоты или сетевая камера п-го двигателя соответственно.

Предложенные уравнения управления являются универсальными для рассмотренной схемы с любым количеством N электроприводов турбоме-ханизмов и были апробированы при модернизации насосных станций ЧОС-2 и «Болынекамский водозабор» г. Пермь.

Выбраны и обоснованы элементы силовой части электропривода насоса на примере насосной станции ЧОС-2.

Во второй главе разработана и апробирована модель СД с электромагнитным возбуждением на базе уравнений обобщенной электрической машины в различных режимах работы СД (прямой и частотный пуски, частотное регулирование скорости, переключение источника питания СД от ПЧ на сеть).

Предложена математическая модель (рис. 2) высоковольтного синхронного частотно-регулируемого электропривода на базе ПЧ с многоуровневой широтно-импульсной модуляцией, приведены результаты моделирования режимов его работы, включая переключение питания СД от ПЧ на питающую сеть.

Рис. 2. Математическая модель переключения питания СД.

Здесь: ПЧ - преобразователь частоты с многоуровневой ШИМ типа Robicon Perfect Harmony, формирующий трехфазное напряжение заданной амплитуды UM3 и частоты f,,Qi~ выключатель на выходе ПЧ; Q} - сетевой выключатель; К\ и Кг — логические управляющие сигналы выключателей Qi и Qi соответственно; 1т и /дв - действующие значения токов ПЧ и двигателя соответственно; SM- синхронная машина, представленная в модели уравнениями электромагнитных и электромеханических процессов в СД; L — выходной дроссель для ограничения уравнительного тока при переключениях источника питания двигателя; ОВ - обмотка возбуждения СД с пи-

Рис. 3. Зависимость максимального значения тока статора 1дв от разности амплитуд Лит % и фазовых сдвигов А у" напряжений ПЧ и питающей сети в режиме переключения питания СД.

На основе анализа режимов переключения питания СД от ПЧ на сеть определены допустимые значения рассогласования их напряжений по амплитуде Аит и по фазе Дф при подобных переключениях (рис. 3, рис. 4) и уровень их рассогласований от режимов работы электропривода. Оценка электродинамических возмущений в СД при его переключении от ПЧ к питающей сети выполнялась при следующих допущениях:

- частоты напряжений на выходе ПЧ и сети принимались абсолютно равными для исключения влияния одного из трех факторов рассогласований рассматриваемых напряжений;

- отклонения напряжений на выходе ПЧ и сети принимались по амплитуде Аит в пределах не более ±5% от номинального их значения и по

фазе Аф - ±2 градуса, что характерно для программного обеспечения систем управления большинства промышленных ПЧ;

- статический момент Мс на валу двигателя принимался постоянным и равным номинальному его значению;

- сигналы К2 на включение 0,г и Кх для отключения <2\ подавались с выдержкой времени между собой, равной 60 мс в соответствии с реальными временами срабатывания высоковольтных вакуумных выключателей.

Аит,%

Рис. 4. Зависимость максимального значения тока ПЧ 1т от разности амплитуд Л1]т% и фазовых сдвигов А<р" напряжений ПЧ и питающей сети в режиме переключения питания СД.

Результаты моделирования, представленные на рис. 3 и рис. 4, позволяют наглядно в зависимости от амплитудных и фазовых отклонений напряжений на выходе ПЧ и сети оценивать возможные превышения токов ПЧ и СД. Если принять допустимым кратковременное превышение тока ПЧ (соответственно тока СД) на уровне 150% его номинального значения, что характерно для большинства промышленных ПЧ (на рис. 3 и рис. 4 это

отражено плоскостью серого цвета), то допустимые рассогласования напряжений на выходе ПЧ и сети при номинальной нагрузке СД во время его переключения с ПЧ на сеть будут находиться в пределах:

- по амплитуде напряжений А 11тдои ±1 %;

- по фазовому сдвигу АфДОп ±2 градуса.

Моделирование подобных режимов переключения СД от ПЧ на сеть при снижении статической нагрузки па валу двигателя ожидаемо показало уменьшение бросков тока в ПЧ и СД, что позволяет при равных ограничениях по их току увеличивать допуски по отклонениям амплитуды и фазовым сдвигам напряжений. Так снижение на 20% значения тока статора СД при снижении нагрузки на его валу или при уменьшении реактивной составляющей тока статора с помощью регулирования тока возбуждения позволит допустить отклонение амплитуд напряжений на выходе ПЧ и сети до ±2%.

На основе результатов моделирования предложен закон формирования амплитуды и частоты регулируемого напряжения статора (табл. 1) при частотном пуске СД с постоянным моментом сопротивления Мс < 0.5 • Мн от ПЧ со скалярной структурой управления, обеспечивающий при ограничении тока статора на уровне номинального значения уверенное втягивание в синхронизм вначале пуска и устойчивую работу уже при 10% номинальной скорости.

Таблица 1

Темп нарастания частоты и амплитуды напряжения статора

из, о. е. 0 0.01837 0.053 0.1 1

/з-о.е. 0 0.02 0.04 0.1 1

из//з,о.е. 0 0.9185 1.325 1 1

Г3, сек 0 0.6 1 2 t >7 ■-пуска — '

Как видно из табл. 1 в период времени = 0 ... 0.6 сек задается пониженное относительно номинального соотношение и//, а в период = 1... 2 сек - повышенное, что предлагается для переходного процесса при втягивании разгоняющегося ротора в синхронизм с полем статора. С момента времени = 2 сек двигатель устойчиво работает в синхронизме на частоте 5 Гц с номинальным магнитным полем статора и готов к переходу на любую частоту вращения с ускорением £ < 9 Гц/с.

Доказана адекватность применения рассмотренных математических моделей с целью исследования подобных режимов работы СД при проектировании систем электропривода на его основе.

Третья глава посвящена разработке алгоритмов формирования тока возбуждения для согласованной работы синхронного двигателя в режимах

его питания от сети напрямую, частотного регулирования технологического параметра, переключения его питания от ПЧ на сеть.

Предложен алгоритм управления системой возбуждения СД, объединяющий режимы его прямого пуска от сети и питания от управляемого ПЧ. На его основе разработана и технически реализована цифровая система управления тиристорным возбудителем, обеспечивающая стабильность и надежность пусковых и установивших режимов СД (рис. 5). ____

Узел прямого пуска О

Частота Ч<5Гц

Да

То* статора h <120%

Да

Прямой пуск

Амплитуда

ивт<*™

Да

Lf

Г-

ОМ ¡Зе1ау

Откп. --

О _Т=0.5с О _

& — I I —

1_

>1

Включить

ра>рлдный

резистор

/вз-0%

&

RS-trlg

Включить главный контактор ТВ

— Подать импульсы Q управления СИФУ

OFF delay

О 2с-Т Форсировка

1-1 /вз-200%

ОЫ с!е1ау

01с-Т

Включена

_ сетевая ячейка

[Узел регулирования со^(ф) и задание от ПЧ

Задание от ПЧ

TQ.

ПИ-регулятор ре акт. мощн.

Работа от СЕТИ

Форсировка

I

Тп-шьеНК, Задани4

тока

и.....J

тока возбуждения

Узел аварийных режимов и останов

Ос

Ток статора и >1104 Да Нет

Реактивная мощность Q > 15%

Напряжение статора

ис<Ш

Да

>1

ON delay

Т=15 с О

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ - Просадка напряжения"

Напряжение возбуждения 1[ в >704

Да|

Включена

сетевая

ячейка

Амплитуда

Нет

— В синхрониэме-Д»

| Форсировка|

ON delay t ONdela^ 0ШИБКД _ T-2c О Х- т' " "

20с О ."Выпадение

из синхронизма"

Режим работы -отПЧ

/в-0 -

&

Прямой пуск "

&

ON delay 0ШИБКА . 'Т-2.5с о ] ТУС* загачу

ОСТАНОВ Отключить главный

стоп- >1 контактор ТВ

Включить

ОШИБКД- разрядный

резистор

Рис. 5. Основные узлы системы регулирования тока возбуждения СД.

При диагностике режимов работы и технических состояний СД в предлагаемой системе управления возбудителем учитываются одновременно несколько функциональных критериев и доступных измерению переменных электропривода, как в роторной, так и в статорной цепях СД (ток и напряжение статора, ток и напряжение возбуждения, реактивная мощность). При этом используется информация как с датчиков в шкафу управления СВСД, так и с датчиков в РУ-бкВ. Это гарантирует достоверный и своевременный анализ аварийных режимов работы СД.

Предложены системы формирования тока возбуждения СД по минимуму потребляемой им реактивной мощности, а также варианты их технической реализации для промышленных СД, включая СД с бесщеточной системой возбуждения.

Дан анализ и синтез регуляторов тока возбуждения и реактивной мощности СД в системах стабилизации заданной реактивной мощности СД (рис. 6).

Рис. 6. Структурная схема регулирования реактивной мощности СД.

Здесь: 03 — задание рекуперируемой реактивной мощности; О — реальное значение реактивной мощности в диктующей точке; (р) - ПИ-регулятор реактивной мощности; ЖрТВ(р) - ПИ-регулятор тока возбуждения; ДМ) -многомерная передаточная функция между током возбуждения и реактивной мощностью, зависящая от момента нагрузки СД и определяемая передаточным коэффициентом Ко и постоянной составляющей <Э0, соответствующей нулевому току возбуждения на прямой зависимости О (/в); Оуая — переменная составляющая реактивной мощности при ненулевом токе возбуждения.

При отсутствии средств измерения реактивной мощности предложено формирование тока возбуждения в соответствии с текущим значением тока статора. Для этого необходимо на практике или моделированием получить ¿/-образную характеристику двигателя. Определив по ней минимумы тока статора при соответствующих токах возбуждения (точки, где со^(ф) = 1), аппроксимировать их полиномом второго порядка. Для смещения с неустойчивой точки работы СД, где со.?(ф) = 1, достаточно незначительно (на 2...3%) увеличить постоянную составляющую С уравнения и получить для исследуемого СД зависимость типа:

^в(^дв) = ' 'дв + ' ^дв + С,

где /с2 - коэффициенты полученного полинома второго порядка.

Предлагаемые принципы формирования тока возбуждения экспериментально обоснованы как в системах с прямым возбуждением, так и в бесщеточных системах возбуждения СД.

Четвертая глава связана с экспериментальными исследованиями энергетических режимов работы электропривода турбомеханизма, технологических режимов разработанных систем и алгоритмов их управления на примере электропривода насосного агрегата станции ЧОС-2 (г. Пермь). Также освещены решения проблем обеспечения электромагнитной совместимости элементов электропривода турбомеханизма в реальных условиях его эксплуатации. Разработана и реализована система управления давлением в напорном коллекторе насосной станции посредством синхронного частотно-регулируемого электропривода. Дан анализ работоспособности системы и синтез регулятора давления.

Регистрация осциллограмм координат приводного СД, работающего от ПЧ во время его пуска и выхода на установившийся режим работы осуществлялась с помощью разработанной системы регистрации, обработки и визуализации переменных электроприводов насосных агрегатов станции ВТС. Так, на рис. 7 представлены изменения скорости вращения ротора п, тока статора I, тока возбуждения /„, напряжения статора Ц активной мощности Р и момента двигателя М во время плавного пуска СД от ПЧ.

ттцт д Насосная станция ЧОС (П-подъём)

Экспериментальные исследования синхронных частотно-регулируемых электроприводов насосов станции ЧОС-2 подтвердили ра-

ботоспособность и высокое качество регулирования производительности насосной станции для разработанных алгоритмов и систем их управления. Практически обеспечено плавное регулирование скорости привода насосов во всем его рабочем диапазоне, ограничеш1е темпов разгона и торможения приводов, стабилизация давления в выходном трубопроводе насосной станции с точностью не менее 98 % от установившегося значения. Проблема обеспечения ЭМС элементов электропривода решалась экспериментальным исследованием ЭМО в районе их расположения в системах управления возбуждением СД. Для ее оценки использовался разработанный комплект устройств анализа спектра напряженностей электрического и магнитного полей, датчики которых были тарированы в эталонных магнитном и электрическом полях соответственно.

Предварительно при наладке указанной системы были определены основные и наиболее мощные источники электромагнитных полей в шкафу управления возбуждением СД. Ими оказались трансформатор питания тиристорного возбудителя ТВ и силовые к нему проводники.

В рабочем режиме тиристорного возбудителя напряженность электрического поля в указанных точках достигала 80 и 78 В/м при частотах 1050 и 400 Гц. В диапазоне частот 1700. ..7000 Гц наблюдалась напряженность электрического поля со средним значением 70 В/м. Максимальная амплитуда напряженности магнитного поля достигала 55 А/м при частоте 150 Гц. Максимальные амплитуды напряженности электрического поля вблизи силовых проводников ТВ на частотах 450 и 750 Гц достигали соответственно 72 и 65 В/м.

Рассмотренные источники ЭМП в шкафу управления возбуждением СД достаточно удалены от элементов цифровой системы управления и не влияли на ее работоспособность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Определены технологические особенности и обобщены допустимые режимы работающих в группе электроприводов турбомеханизмов на примере насосных агрегатов насосной станции и обоснованы технологические и эксплуатационные требования к их синхронным частотно-регулируемым электроприводам.

2. Рассмотрены способы регулирования производительности насосной станции, методика определения ожидаемого экономического и технологического эффектов от частотного регулирования скорости насосов. Предложена функциональная схема электропривода насосной станции в соответствии с технологическим алгоритмом его работы.

3. Определены логические взаимосвязи между входными и выходными сигналами управления электроприводами насосной станции и на их основе предложен алгоритм управления работой группы «-го количест-

ва электроприводов турбомеханизмов при работе на одну выходную магистраль.

4. Разработана и апробирована в программе РБт математическая модель синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением в режимах пуска, регулирования частоты вращения, переключения его питания с ПЧ на питающую сеть. Приведены результаты моделирования этих режимов, доказывающие адекватность применения рассмотренных математических моделей с целью исследования подобных режимов работы СД при проектировании систем электропривода на его основе.

5. На основе результатов моделирования предложен закон формирования амплитуды и частоты регулируемого напряжения статора, тока возбуждения при частотном пуске СД от ПЧ со скалярной структурой управления.

6. В результате моделирования режимов переключения питания СД от ПЧ на сеть определены допустимые значения рассогласования параметров синхронизируемых напряжений (амплитуд напряжений и фазовых сдвигов между ними) при подобных переключениях и уровень их рассогласований от режимов работы электропривода.

7. Обусловлено применение систем возбуждения синхронных двигателей с цифровым управлением в современном частотно-регулируемом электроприводе, входящем в общую структуру АСУТП предприятия. Дан пример подобных систем с возможностью регулирования тока возбуждения по любому необходимому закону.

8. Предложен принцип формирования тока возбуждения по минимуму реактивной мощности СД и поддержания его коэффициента мощности вблизи единицы, рассмотрены варианты его технической реализации. При использовании рассмотренного принципа существует возможность компенсации реактивной мощности в диктующей точке питающей энергосистемы с помощью подключенного к ней синхронного двигателя. Величина компенсируемой реактивной мощности будет обусловлена ограничением тока статора СД и, соответственно, режимом работы технологического процесса.

9. Экспериментально доказана применимость предложенного принципа формирования тока возбуждения в системах, как с прямым возбуждением, так и в бесщеточных во всех технолошческих и энергетических режимах работы СД, обеспечивающего высокие энергетические показатели.

10. Экспериментальные исследования синхронных частотно-регулируемых электроприводов насосов станции ЧОС-2 подтвердили работоспособность и высокое качество регулирования производительности насосной станции для разработанных алгоритмов и систем их управления. Обеспечено: плавное регулирование скорости приводов во всем его диапазоне, ограничение темпов разгона и торможения приводов, стабилизация давления в выходном трубопроводе насосной станции.

11. Предложенная система сбора, обработки и визуализации переменных электропривода насосной станции показала свою эффективность в организации процесса регулирования производительности насосной станции. Разработанная система позволяет диагностировать штатные и аварийные ситуации, текущее состояние электроприводов насосной станции и способствует повышению надежности их работы.

12. Предложено устройство для исследования ЭМО в районе расположения основных элементов электропривода и на его основе определены спектральные характеристики напряженностей электрического и магнитного полей в системах управления возбуждением СД, его силовых кабелей. Это позволило конструктивно определить области расположения проводников связи в цепях управления тиристорными возбудителями СД.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований апробированы при внедрении высоковольтных синхронных частотно-регулируемых электроприводов насосных станций Болынекамского водозабора БКВ и Чусовских очистительных сооружений ЧОС-2 (г. Пермь), а также привода турбокомпрессора Нефтеперерабатывающего завода (г. Москва), обеспечив заметное увеличение энергетических и технологических показателей по сравнению с прежней системой регулирования. В итоге модернизации насосной станции снизились эксплуатационные расходы на оборудование из-за отсутствия гидравлических ударов в выходных трубопроводах за счет стабилизации давления воды и плавности его регулирования. Повысилась энергоэффективность, и как следствие снизились расходы на перекачку чистой воды, уменьшилась ее себестоимость. Разработанная видеотерминальная станция и принципы диагностирования электрооборудования насосной станции нашли применение и для вновь разрабатываемых в ООО «Русэлпром-Мехатроника» (г. Москва) комплектах электроприводов турбомеханизмов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Иванов Г.М., Осипов О.И., Дронов A.C., Кузин К.А. «Проблемы и опыт модернизации высоковольтных синхронных электроприводов насосных станций» // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: Ч. 4, стр. 86. Тула: изд-во ТулГУ, 2010.

2. Иванов Г.М., Осипов О.И., Мельников Д.Н., Кузин К.А. «Видеотерминальная станция электропривода резпносмесителя» // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: Ч. 3, стр. 47. Тула: изд-во ТулГУ, 2010.

3. Кузин К.А., Камнев A.M. «Энерго- и ресурсосбережения в системах водоподачи насосной станции» // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: пятнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. в 3-х т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2009.

4. Кузин К.А. «Энерго- и ресурсосбережение в системе водоснабжения» // Электропривод и системы управления // Труды МЭИ. Вып. 684. - М.: Издательский дом МЭИ, 2009.

5. Осипов О.И., Кузин К.А., Мусин М.Д., Мельников Д.Н. «Анализатор электромагнитных полей в районе расположения элементов электропривода» // Электропривод и системы управления // Труды МЭИ. Вып. 685- М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - стр. 29-32.

6. Кузин К.А., Осипов О.И. «Алгоритмы логического управления режимами работы электроприводов насосной станции» // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 16 -Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. - стр. 122-127.

7. Кузин К.А. «Анализатор электромагнитных полей в районе расположения элементов электропривода» // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Шестнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. в 3-х т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2010- стр. 137.

8. Осипов О.И., Кузин К.А., «Моделирование переключения синхронного двигателя от преобразователя частоты на сеть» // Электропривод и системы управления // Труды МЭИ. Вып. 687- М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - стр. 4-8.

Подписано в печать 1Ш Г. Зак. Хи ЮО п л / Д/"

Полиграфический центр МЭИ '

Красноказарменная ул., д.13

61 12-5/3818

ФГБОУ ВПО

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

На правах рукописи

КУЗИН Кирилл Андреевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫМ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ТУРБОМЕХАНИЗМОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Осипов О.И.

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К

ЭЛЕКТРОПРИВОДАМ ТУРБОМЕХАНИЗМОВ..................................................................13

1.1. Технологические особенности регулирования производительности турбомеханизмов............................................................................................................................................13

1.2. Моменты сил сопротивления механизмов центробежного типа..............18

1.3. Сравнение способов регулирования производительности турбомеханизмов............................................................................................................................................21

1.4. Структура регулирования технологического параметра группой электроприводов турбомеханизмов с одним ПЧ..............................................................23

1.5. Алгоритмы режимов работы электроприводов насосной станции..........26

1.6. Диаграммы нагрузок. Ожидаемый эффект от регулирования частоты вращения турбомеханизмов............................................................................................30

1.7. Обоснование и выбор мощности элементов силовой части

электропривода насосов..........................................................................................................................37

Выводы......................................................................................................................................................42

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ

РАБОТЫ СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА..............................................................44

2.1 Математическая модель синхронного двигателя....................................................44

2.2. Моделирование режимов работы синхронного двигателя..........................49

2.2.1. Моделирование прямого пуска синхронного двигателя........................49

2.2.2. Моделирование частотного пуска синхронного двигателя..................54

2.2.3. Статические характеристики системы ПЧ-СД................................................60

2.3. Режим переключения питания синхронного двигателя....................................64

Выводы...........................................................................................74

ГЛАВА 3. СИСТЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ... 75

3.1. Силовая часть системы возбуждения СД........................................................................75

3.2. Формирование тока возбуждения СД................................................................................76

3.3. Пример формирования тока возбуждения СД заданием его реактивной мощности................................................................. 83

3.3.1. Синтез контура регулирования тока возбуждения................... 83

3.3.2. Синтез контура регулирования реактивной мощности............. 85

3.4. Алгоритмы управления возбуждением СД и функциональная схема

их реализации........................................................................... 87

3.5. Пример формирования тока возбуждения СД по минимуму

реактивной мощности в бесщеточных системах возбуждения............... 91

Выводы................................................................................... 96

ГЛАВА 4. СИСТЕМА ВИЗУАЛИЗАЦИИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИНХРОННОГО ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТУРБОМЕХАНИЗМОВ......... 98

4.1. Система сбора, обработки и визуализации переменных электропривода турбомеханизмов................................................. 99

4.2. Исследование работы синхронного двигателя при его прямом и плавном пусках........................................................................ 105

4.3. Исследование системы управления давлением воды в выходном трубопроводе насосной станции...................... ............................. 110

4.4. Исследование электромагнитной совместимости элементов

электропривода компрессора........................................................ 113

Выводы................................................................................... 121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................... 123

ЛИТЕРАТУРА............................................................................. 126

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................... 132

ВВЕДЕНИЕ

Энерго - и ресурсосбережение наряду с информатизацией и компьютеризацией в различных технологических процессах является одним из основных направлений технической политики во всех развитых странах мира, не исключая и Россию. Существенной составляющей в этом направлении является применение регулируемого электропривода для турбомеханизмов (насосов, турбокомпрессоров, дымососов, вентиляторов и т. п. механизмов) со свойственными для них вентиляторными нагрузками [1]. Особая роль в подобных электроприводах больших мощностей (свыше 250 кВт) принадлежит высоковольтному частотно-регулируемому синхронному электроприводу, обладающему более высокими, по сравнению с асинхронным электроприводом, энергетическими показателями [2]. При этом для группы турбомеханизмов, работающих на общую выходную магистраль, более экономичным решением является использование лишь одного преобразователя частоты ПЧ с возможностью его работы с любым из электродвигателей группы и переключением их от ПЧ к питающей сети.

В области автоматического управления и регулирования режимов работы СД значительный вклад внесли такие ученые, как Д.П.Петелин, В.А.Венников, А.И.Важнов, А.М.Вейнгер, Г.Б.Онищенко, М.М.Ботвинник, Ю.Г.Шакарян, М.П.Титов, И.Я.Браславский. Данное направление науки развивалось в МЭИ, ОАО «Электропривод», УПИ и в ряде других отечественных ВУЗах и НИИ. При этом, однако, не уделялось должного внимания проблемам согласования технологических и энергетических режимов работы преобразователя частоты, синхронного двигателя и его возбудителя при работе группы технологически взаимосвязанных турбомеханизмов. Таких режимов работы, например, как частотный пуск и частотное регулирование производительности турбомеханизма, согласованное включение в работу необходимого числа турбомеханизмов, прямой пуск и работа от питающей сети, переключение источника питания СД от ПЧ к сети при жестком согласовании выходного напряжения ПЧ по амплитуде, частоте и фазовому сдвигу с напряжением

питающей сети при одновременном регулировании технологического параметра.

Зачастую замена нерегулируемого электропривода турбомеханизма на регулируемый обеспечивается дополнением к существующему СД преобразователя частоты. И если для питания низковольтных приводов имеется большое число ПЧ различного исполнения, включая и отечественного производства, то для мощных высоковольтных приводов проблема их модернизации до недавнего времени осложнялась отсутствием неискажающих сеть высоковольтных преобразователей частоты. Существенным прогрессом в решении подобной проблемы стало появление на рынке многоячеечных преобразователей частоты зарубежных производителей [3, 4, 5, 6]. Их применение является вынужденной мерой из-за отсутствия отечественных аналогов и сопровождается (из конъюнктурных соображений) ограниченным доступом к настройке и параметрированию ПЧ, закрытостью доступа к отдельным его блокам управления, необходимых для обеспечения технологических задач привода. Это ограничивает успешную отладку многих режимов работы привода, включая режимы переключения питания СД от ПЧ к сети и обратно в процессе стабилизации технологических параметров в магистралях.

Как правило, модернизация синхронного электропривода турбомеханизмов связана с установкой не только ПЧ, обеспечивающих регулирование скорости синхронных двигателей, но и с заменой технически устаревших их возбудителей. При этом для резервирования питания и осуществления технологической надежности работы приводных двигателей требуется сохранять возможность его прямого пуска и работы в нерегулируемом режиме. Отсюда вновь устанавливаемый возбудитель должен обеспечивать все режимы работы СД: асинхронный пуск двигателя при питании его от сети, частотный пуск, режим переключения питания двигателя и регулирование энергетических показателей привода в соответствии с технологическими режимами работы турбомеханизма. Подобная

многофункциональность работы возбудителя накладывает дополнительные требования на его систему и алгоритмы управления, законы формирования тока возбуждения и взаимосвязи между собой СД, преобразователя частоты и возбудителя.

При организации современных систем управления технологическим процессом ТП наиболее удобным средством управления и диагностирования работы электропривода группы турбомеханизмов является персональный компьютер (ЖК-панель управления) с программой визуализации ТП и отображением текущего состояния электропривода, регистрацией аварийных и штатных событий. Проектирование и реализация подобных средств является неотъемлемой частью задач повышения эргономических показателей работы оперативного персонала и надежности системы в целом.

Внедрение в состав электропривода турбомеханизмов новых технических средств (ПЧ, программируемых контроллеров, АСУТП) на основе микропроцессорной техники одновременно сопровождается проблемой обеспечения их электромагнитной совместимости (ЭМС) в реальных промышленных условиях эксплуатации привода. Это требует анализа электромагнитной обстановки (ЭМО) в районе расположения элементов электропривода турбомеханизма, а также принятия мер по обеспечению их ЭМС.

Ясно, что решение указанных проблем при внедрении синхронного частотно-регулируемого электропривода турбомеханизмов будет способствовать повышению их технико-экономических показателей, энергоэффективности и технической надежности.

Целью диссертационной работы является разработка, совершенствование и исследование систем и алгоритмов управления синхронного частотно-регулируемого электропривода турбомеханизмов, обеспечивающих повышение их технико-экономических показателей, энергоэффективности и технической надежности.

Достижение поставленной цели потребовало:

- анализа технологических режимов работы, типовых нагрузочных диаграмм привода турбомеханизмов и на их основе технико-экономического обоснования целесообразности применения в них частотно-регулируемого синхронного электропривода;

- разработки и совершенствования алгоритмов управления группой синхронных частотно-регулируемых электроприводов турбомеханизмов;

- разработки математической модели синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением в режимах пуска, регулирования частоты вращения, переключения его питания с ПЧ на питающую сеть;

- разработки алгоритмов формирования тока возбуждения СД, обеспечивающих работу возбудителя во всех технологических режимах работы турбомеханизмов;

- разработки алгоритмов и систем диагностирования технического состояния частотно-регулируемого электропривода турбомеханизмов;

- разработки систем сбора, обработки и визуализации переменных электроприводов насосных агрегатов, а также аппаратно-программных средств, обеспечивающих интерфейс «человек-машина»;

- экспериментального исследования ЭМО в районе расположения элементов электропривода турбомеханизмов и на их основе принятия мер по обеспечению их ЭМС.

- апробации теоретических и технических разработок на основе экспериментальных исследований синхронных электроприводов турбомеханизмов.

Содержание работы изложено в четырех главах.

В первой главе представлен состав электротехнического комплекса управления синхронными частотно-регулируемыми электроприводами турбомеханизмов на примере агрегатов насосной станции. Дана оценка технологических режимов их работы и обоснование требований к синхронным частотно-регулируемым электроприводам насосных станций.

На их основе представлен анализ технико-экономических показателей применения синхронного частотно-регулируемого электропривода.

Определены алгоритмы управления режимами работы электроприводов насосов, работающих в составе группы насосных агрегатов станции.

Во второй главе разработана и апробирована модель СД с электромагнитным возбуждением на базе уравнений обобщенной электрической машины в различных режимах работы СД (прямой и частотный пуски, частотное регулирование скорости, переключение источника питания СД от ПЧ на сеть).

Предложена математическая модель высоковольтного синхронного частотно-регулируемого электропривода на базе ПЧ с многоуровневой широтно-импульсной модуляцией, даны результаты моделирования режимов его работы, включая переключение питания СД от ПЧ на питающую сеть.

Третья глава посвящена разработке алгоритмов формирования тока возбуждения для согласованной работы синхронного двигателя в режимах его питания от сети напрямую, частотного регулирования технологического параметра, переключения его питания от ПЧ на сеть.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований энергетических и технологических режимов работы электроприводов турбомеханизмов на примере приводов насосных агрегатов и турбокомпрессора, подтверждающие работоспособность разработанных систем и алгоритмов их управления.

Разработана система регистрации, обработки и визуализации переменных электроприводов насосных агрегатов станции, включая формирование аварийно-предупредительных сообщений для обслуживающего персонала насосной станции. На основе аппаратных и программных средств разработанной системы предложены способы диагностирования технического состояния отдельных элементов и всей системы логического управления электроприводами насосных агрегатов.

С помощью разработанного устройства для измерения электромагнитных полей [7] экспериментально исследована электромагнитная обстановка в районе расположения элементов электропривода поршневого компрессора. Представлены спектральные характеристики напряженностей электрических и магнитных полей в районе силовых кабельных вводов и выводов, полупроводниковых элементов, источников питания, элементов управления и линий их связи с внешними устройствами.

Методика исследований. Теоретические исследования основывались на общих положениях теории электропривода и теории автоматического управления, методов структурного моделирования, аппарата булевой алгебры и теории электромагнитного поля. Экспериментальные исследования проводились в электроприводах действующих насосных станций и турбокомпрессорной установки осциллографированием переменных электроприводов с использованием программы DriveMonitor и программного обеспечения системы визуализации процесса InTouch Wonder Ware. Для исследования электромагнитной обстановки использовался разработанный комплект анализаторов электрического и магнитного полей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе разработанной математической модели системы ПЧ-СД и моделированием режимов переключения питания СД от ПЧ на сеть определены допустимые уровни рассогласования параметров синхронизируемых напряжений (амплитуд напряжений и фазовых сдвигов между ними) при подобных переключениях и их взаимосвязь с режимами работы электропривода;

2. Разработаны алгоритмы управления технологическими режимами работы синхронных частотно-регулируемых электроприводов турбомеханизмов, состоящих из п-го их числа и работающих в единой технологической группе, обеспечивающие согласованное взаимодействие ПЧ, СД и его возбудителя;

3. Разработаны алгоритмы управления током возбуждения СД, обеспечивающие согласованную работу возбудителя в технологических режимах работы, как насосных станций, так и компрессоров, а также регулирование тока возбуждения по минимуму реактивной мощности.

Практическая ценность и реализация работы заключаются в следующем:

1. Предложены и реализованы принципы управления технологическими режимами работы электропривода группы турбомеханизмов с общей выходной магистралью.

2. Разработана математическая модель СД, обеспечивающая его адекватное исследование во всех технологических и энергетических режимах работы и позволяющая оценивать возможные изменения электрических переменных на стадии проектирования комплектного электропривода по системе ПЧ-СД.

3. Реализована система регулирования тока возбуждения СД, обеспечивающая требуемые технологические режимы работы насосной станции с высокими энергетическими показателями.

4. Технически реализованы алгоритмы логического управления электроприводами группы насосов аппаратно-программными средствами на основе программируемого логического контроллера SIMATIC S7-300, сетевой коммуникационной платы Simatic NET, монитора, а также программного обеспечения визуализации InTouch Wonder Ware, обеспечивающего интерфейс «человек-машина» и диагностирование технического состояния электроприводов насосов.

5. Определены спектральные характеристики напряжен�