автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка устройств автоматического переключения нагрузки в электрических сетях с переменной частотой и напряжением до 100 В

ип

СП СП С """

э 1==

На правах рукописи

о

со

СТАВЦЕВ Виталий Андреевич

УДК: ¡621.316.9—213.34.62

РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ НАГРУЗКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ С ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТОЙ И НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В

Специальность 05.09.03—'«Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Московском государственном горком университете и Новомосковской акционерной компании «Азот».

Засл. деятель науки и техники Российской 'Федерации докт. техн. наук, проф. ЩУЦКИЙ В. И.

в • час. на заседании диссертационного совета К-053.12.03 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, ГОП-1, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Научный руководитель

Научный консультант канд. техн. наук, доц. БАБОК.ИН Г. И. Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. РЕКУС Г. Г., ■канд. техн. наук, доц. ЦЫРУК С. А.

¡Ведущее предприятие ГПИ «Электропроект».

Защита диссертации состоится « \Ч • » Мая • 1995 г.

Автореферат разослан

.Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, проф. ШЕШКО Е. Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для решения задачи повышения производительности машин, улучшения качества при снижении энергозатрат на единицу выпускаемой продукции применяется регулируемый электропривод. Одним из наиболее перспективных электроприводов, эксплуатирующихся во взрывоопасных средах и помещениях, является частотно-регулируемый электропривод с асинхронным электродвигателем с ко-роткозамкнутым ротором (ЧРЭП), включающий преобразователь частоты (ПЧ) и асинхронный электродвигатель (АД).

При эксплуатации ЧРЭП ответственных механизмов, кратковременная остановка которых приводит к потерям выпускаемой продукции или 'неуправляемым аварийным процессам, возникает задача повышения надежности электропривода, которая решается путем резервирования ПЧ, питающего АД. При отказе основного ПЧ или основной сети АД ответственного механизма переводится на питание от резервного ПЧ, подключенного к резервной сети. В ряде работ известны методы и схемы подключения АД к ПЧ, имеющему фиксированную выходную частоту, равную промышленной (агрегаты бесперебойного питания). Ряд агрегатов бесперебойного питания с автоматическим переключением АД на резервный ПЧ выпускается серийно.

Однако в настоящее время отсутствуют устройства и аппараты, которые обеспечивали бы автоматическое переключение отключенного выбегающего АД на резервный ПЧ при любой частоте с максимально возможным быстродействием, без больших ударных токов и моментов, приводящих к перегрузке элементов привода и к завышению установленной мощности коммутационных аппаратов и ПЧ. При этом недостаточно- исследованы переходные процессы подключения АД к ПЧ при различных частотах вращения ротора выбегающего АД и ступенчатом характере изменения напряжения на выходе ПЧ, различном взаимном положении векторов напряжения ПЧ п ЭДС на зажимах статора выбегающего АД.

Поэтому разработка рациональных устройств автоматического переключения асинхронной нагрузки на резервный преобразователь частоты в электрических сетях напряжением до 1000 В является актуальной научной задачей.

Актуальность настоящей работы подтверждается тем, что она выполнена в соответствии с отраслевой программой по повышению надежности и безаварийности технологических комплексов (постановление Госагрохима № 01-439 от 11.02.92 г.).

Целью работы является установление закономерностей переходных процессов при подключении выбегающего АД к резервному ПЧ при постоянстве или формировании магнитного потока АД для разработки структуры и выбора параметров автоматического переключателя нагрузки (АПН), обеспечивающего повышение надежности работы ответственного технологического оборудования.

Идея работы заключается в том, что снижение ударных переходных токов и (моментов при подключении выбегающего АД к резервному ПЧ может быть достигнуто путем формирования магнитного потока АД и синхронизации вращающихся векторов напряжения на выходе ПЧ и ЭДС на зажимах выбегающего АД по дюдулю, частоте и фазе с помощью автоматического переключателя нагрузки.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

1. Математическая модель динамических процессов подключения АД ж преобразователю частоты, отличающаяся учетом насыщения стали по главному пути намагничивания, ступенчатого изменения выходного напряжения ПЧ и параметров участка сети между ПЧ и АД.

2. Способ автоматического переключения нагрузки, новизна которого заключается в том, что при подключении АД к резервному ПЧ выполняется равенство частоты и модуля напряжения на выходе ПЧ частоте и модулю ЭДС выбегающего АД ■при нахождении их в противофазе, с последующим формированием магнитного потока АД путем его увеличения по закону экспоненты до равенства текущего значения магнитного потока АД номинальному значению.

3. Зависимости ударного тока и момента подключения выбегающего АД к резервному ПЧ от взаимного положения вращающихся векторов напряжения на выходе ПЧ и ЭДС на зажимах статора АД, характеризуемого отклонением утла между векторами от 180°, и от разности частот вращения векторов и метода формирования магнитного потока АД.

4. Методы расчета новых устройств контроля взаимного положения вращающихся векторов напряжения на выходе ПЧ 'и ЭДС на зажимах обмотки статора выбегающего АД, датчика аварийного состояния ПЧ, устройств слежения за частотой и ЭДС выбегающего АД, отличающиеся тем, что позволяют выбрать структуру и параметры устройств исходя из заданной точности контроля и быстродействия.

Обоснованность и достоверность научных положений, вы4' подов и рекомендаций подтверждаются корректным использованием теории электрических машин и электропривода-, теории автоматического управления, теории математического моделирования электромеханических систем, апробированных методов измерения электрических параметров; удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных- исследований (расхождение результатов не превышает 10—15% при доверительной вероятности' 0,9),. положительным опытом эксплуатации разработанных автоматических переключателей нагрузки, в производственных условиях.

Значение работы. Научное значение работы заключается в разработке математической модели процесса повторного подключения АД к П.Ч, установлении зависимостей ударного тока и момента при подключении АД к ПЧ от параметров, характеризующих условия подключения и формирование магнитного потока, которые развивают теорию переходных процессов в системе ПЧ — АД с учетом параметров- сети между ПЧ и АД и ступенчатого формирования напряжения-на-выходе ПЧ.

Практическое значение работы заключается в разработке структуры и принципиальных схем автоматического переключателя нагрузки в сети с переменной частотой, алгоритма .управления процессом, подключения АД к ПЧ с формированием магнитного потока электродвигателя, структуры устройств-контроля взаимного положения двух вращающихся векторов напряжений, схемотехнических решений элементов автоматического переключателя: датчика аварийного состояния ПЧ, датчика контроля частоты и. ЭДС выбегающего АД, блока управления АПН, что позволило создать аппаратуру автоматического переключения нагрузки АПН-2, АПН-3.

Реализация выводов и рекомендаций работы. На. основе, технических решения и рекомендаций, изложенных в диссертации, разработаны автоматические переключатели- нагрузки АПН-2 и АПН-3, два опытных образца которых испытаны и внедрены в частотно-регулируемом электроприводе грануля-тора производства. «Карбамид-2» в Новомосковской акционерной компании «Азот».

Фактический годовой экономический эффект от внедрения автоматических переключателей АПН-2 и АПН-3 составил 4,544 млн. руб. в ценах июня 1992 г.

Апробация работы. Основные положения работы- докладывались на IV Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы преобразовательной техники» (Киев, 1987), V Всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» (Каунас, 1988), III Всесоюзной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (Москва,

1989), научно-практическом семинаре «Проблема повышения надежности, уровня безаварийности эксплуатации электротехнических и электромеханических систем, комплексов и оборудования горных и промышленных предприятий» (Москва, 1993).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 7 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, изложенных на '138 страницах машинописного текста, содержит 75 рисунков, 11 таблиц, список использованной литературы из 89 наименований и 5 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Опыт эксплуатации частотно-регулируемых асинхронных электроприводов (ЧРЭП) в химической и горной промышленности показал, что в ряде случаев возможны отказы преобразователя частоты (ПЧ) или питающей сети, в том числе кратковременный перерыв питания или глубокое снижение напряжения сети. Основным методом повышения надежности ЧРЭП ответственных механизмов является резервирование канала «сеть — преобразователь» с автоматическим подключением асинхронного электродвигателя (АД) к резервному каналу.

Анализ выполненных разработок показал, что при быстром подключении выбегающего АД с затухающим магнитным полем к резервному ПЧ возможны большие ударные токи в сети и моменты в трансмиссии механизма. Вклад в теорию и практику автоматизированного электропривода с автоматическим включением резерва в различных отраслях промышленности внесли ;многие русские и зарубежные специалисты. Среди них Г. Г. Адамия, В. А. Алексеев, 'Л. А. Булгаков, Ю. Н. ■Голоднрв, Д. А. Гольдман, В. А. Задеренко, Г. Е. Иванченко, К. П. Ковач, Л. П. Петров, Г. Г. Рекус, Ю. А. Сабинин, Ю. Г. Шакарян. В. И. Щуцкий, И. И. Эпштейн, А. А. Янко-Триниц-кий и др.

Однако' до сих пор отсутствуют исследования электромагнитных процессов подключения выбегающего АД с незатухающим (магнитным полем к ПЧ (в частности, инвертору напряжения) с учетом несинусоидальности напряжения ПЧ при различных соотношениях частот вращения вектора напряжения ПЧ и ЭДС на зажимах статора АД и различном их взаимном положении, на основе которых можно разработать алгоритм подключения, обеспечивающий минимальные ударные токи и моменты.

Анализ методов и средств повторного подключения АД к резервному ПЧ позволил их классифицировать: по структуре построения резервированного ЭП — на одноканальные, двух-

канальные с полным резервом канала «сеть — ПЧ — АД», с резервированием одним резервным ПЧ любого из основных ПЧ в многодвигательном ЭП; по методу контроля работоспособности основного .канала «сеть — ПЧ—АД»—с контролем отдельных элементов с последующим суммированием результатов, с контролем по интегральным параметрам, с тестовым контролем; по степени готовности резервного ПЧ к работе — с «холодным» и «горячим» резервом; по алгоритму подключения — с мгновенным подключением синхронизированного по частоте и напряжению резервного ПЧ к отключенному АД, с подключением выбегающего АД к резервному ПЧ с выдержкой времени на затухание магнитного поля АД, с синхронизацией вращающихся векторов напряжения на выходе ПЧ и ЭДС статора АД по частоте, модулю и их взаимному положению.

Из анализа .методов и средств подключения .выбегающего АД к резервному ПЧ сделан вывод о перспективности разработки ЧРЗП с одноканальным горячим резервом, интегральным контролем работоспособности основного ПЧ и алгоритмом подключения с синхронизацией векторов напряжения на выходе ПЧ и ЭДС статора АД по частоте, модулю и фазе.

Исследования переходных процессов при отключении АД от основного ПЧ и подключении его к резервному ПЧ выполнялись на основе математического моделирования поэтапно: моделирование установившегося режима работы АД перед отключением, на основании которого определялись начальные условия при отключении; .моделирование выбега АД с затухающим остаточным магнитным потоком ротора, на основании которого определялись начальные условия при подключении; моделирование собственно подключения АД к резервному ПЧ при различных начальных условиях или алгоритмах подключения.

При моделировании установившегося режима работы АД от ПЧ использованы уравнения, записанные в системе координат а, (3, вращающейся со скоростью магнитного поля статора:

о ~ иПч = + + «о'^?;

О = — + а-А^з — (Оп^ф,,.;

о = — 4- а,/^* + ШоЗДз;

0= -0С2ф2з + 0С2 ф I р —

О = {[3ра1т - ф2?-V) 2-'] - Мс К)}/-\

где /— момент ннерции механизма и электродвигателя;

а! = /?1Х2(1^2—1т2)~!; — коэффициенты ста-

тора;

: (1) )

= (¿1^2—¿ш2')-1; = ^т■ ¿2-1 — коэффициенты ротора;

Яи Я2, ¿ь ¿2> ¿/л—параметры схемы замещения АД.

При моделировании учитывалось насыщение стали АД по главному пути магнитного потока путем расчета зависимости ¿т(фт2), полученной из универсальной статической кривой намагничивания АД. Уравнения (1) использованы при известных соотношениях между составляющими потокосцеплений

^1*5 Фа** ФжЭ, И ТОКОВ 11Л, ¿2а, ¿1(3,

Из уравнений (1) при заданной частоте вращения поля статора ь>о, скольжении 5 и напряжении ПЧ Упч находились начальные значения потокосцеплений и скорости ротора, соответствующие режиму непосредственно перед отключением АД от ПЧ:

<МО-). «ЫО-). 'ЫО-), "ЫО-), МО-)- (2)

После отключения АД от ПЧ наблюдается выбег двигателя с затухающим полем ротора, при котором в обмотке статора наводится ЭДС, характеризуемая напряжением на зажимах статора. В этом случае токи статора равны нулю и уравнения переходного процесса для режима выбега имеют вид:

Щ-п. = — '1+ К - 1

= — ''М То~' — К — Рп^ж) Фг«; (3)

о<*г = -мсыг-\ '

где Б = й-(Ц-Х — оператор; Т0 = ¿г^г-1 •—постоянная времени ротора при разомкнутых обмотках статора.

Составляющие ЭДС, 'индуцированной на зажимах статора затухающим электромагнитным полем АД:

е1? = Кг (^Т^ = рпа>|

Для режима выбега АД значения (2) подставлялись в систему (3), из решения которой до момента подключения резервного ПЧ к АД (¿о) находились начальные значения:

<М*о), Ы*.), Со)- (5)

Из решения системы (4) определялись составляющие ЭДС:

В интервале бестоковой паузы по составляющим еу, и е^ определялось взаимное положение вектора ЭДС на зажимах

статора Е Ад относительно вектора напряжения на выходе ПЧ

Опч, характеризуемое углом 0.

■Мс К);

(7)

Затем при выполнении заданных условий и начальных условиях (5), (6) моделировалось подключение АД к резервному ПЧ по уравнениям:

О&ц = 11 пч — + '«о^!?: — — _ 5о)0'11г(1;

■£>«2 = [З^п ОМхэ -

= Ьг (4>)в — Ь^Л,-1) о-1;

= ¿2 — о"1;

¿1« = (Фа« — ¿тф^г1) а_1;

/,р = ¿, - £„<!»,.¿Г1) а-1, ,

где а^Ь^—Ьт2.

В результате решения определялись потокосдепления, а затем токи статора и ротора и момент АД при подключении его

->

к резервному ПЧ. Вектор напряжения па выходе ПЧ £/пчопределяется выражением

¿/пч

илФА*).

(8)

где иа — напряжение звена постоянного тока ПЧ;

Ф„ —ступенчатая коммутационная функция инвертора.

Оценка достоверности математической модели проверялась путем сопоставления механических характеристик и кривых выбега АД, полученных на модели и экспериментально для двигателей мощностью 1,5 и 5,5 кВт. Установлено, что точность модели составляет 5—7%.

Для решения задачи исследования электромагнитных переходных процессов составлен комплекс алгоритмов и программ решения уравнений (I) —(8) при различных условиях подключения АД к ПЧ. Первоначально исследование подключения выбегающего АД к резервному ПЧ проводилось при условии работы АД от ПЧ в установившемся режиме и режиме подключения с постоянным магнитным потоком, т. е. при соотношении между напряжением на выходе ПЧ и его частотой, равном

О пч("0_1 = сог^ — /САД,

(9)

где /Сад — коэффициент, соответствующий постоянному магнитному потоку АД.

Кроме того, принималось, что коммутационная функция в (8) является вращающимся вектором с основной частотой па-

пряжения ПЧ, т. е. исследование проводилось для условий первой гармоники напряжения на выходе ПЧ.

Так как в ЧРЭП ответственных механизмов, как правило, имеется автоматическое повторное включение (АПВ) основного ПЧ при кратковременном перерыве питания или снижения напряжения ниже 15% от номинального за время 0,2— 1,0 с, то и переключение на резервный ПЧ целесообразно осуществлять после неудавшегося АПВ, т. е. по истечении времени 0,2—1,0 с после отключения АД.

Исследовались два предложенных алгоритма подключения выбегающего с затухающим магнитным полем АД к резервному ПЧ: первый — с подключением АД при постоянном магнитном потоке; второй — с формированием магнитного потока АД.

При первом алгоритме в момент подключения АД к ПЧ частота на выходе ПЧ равна частоте вращения ротора АД (ЭДС статора)—сопчо = соадо, а напряжение £/пчо = -Кадо>пчо больше ЭДС £ад , так как ЭДС на зажимах статора АД после отключения затухает во времени интенсивнее, чем частота вращения ротора АД. Подключение производилось при первом достижении заданного взаимного положения вращающихся векторов по углу 0 или отклонению угла А0. В результате моделирования для первого алгоритма подключения были установлены зависимости ударного тока (отношение максимального значения тока при подключении к номинальному) и ударного момента от отклонения угла А0 между вращающимися

векторами £/пч и £ад от 180° при шпчо = соАдо и различных значениях относительной частоты работы ЧРЭП — а (рис. 1), которые в области а = 0,4—1,4 аппроксимировались уравнениями вида

¿уд = 'удо + а-/±в/к, (10)

где iудо — ударный ток подключения ПЧ к АД при Д0 = О; а — множитель показательной функции степени к.

Установлено, что для электродвигателей мощностью 1,5— 5,5 кВт 1удо и а линейно зависят от частоты a, a показатель k

не зависит от частоты. При Д0 = О (0 = 180° и векторы Uпч и

еад находятся в противофазе) относительный ударный ток /удв изменялся от 1,5 при а = 0,4 до 2,8 при а = 1,4. С увеличением отклонения угла АО от 0 до 40° ударный ток возрастал на 26—106%, достигая значений 3,2—5,75.

Зависимости ударного тока при подключении АД к ПЧ от разности частот вращения вектора напряжения на выходе ПЧ и ЭДС АД—Дсо = (опч—солд при А0 = О и различных значениях а (рис. 1), полученные при моделировании в области а = 0,4— 1,4, аппроксимировались уравнениями вида

гуд = m • ейЛш + с ■ е1""', (11)

где т и с — множители степенных функций; Ь и й — показатели степенных функций.

Установлено, что коэффициенты бис линейно зависят от а, т практически постоянен, а й является сложной функцией частоты а, выражающейся многочленом второй степени а.

Установлено, что при отклонении частот Дсо вращения век—> ->

торов ипч и £ ад от нуля, при Д8 = 0, ударный ток возрастает, достигая при Дсо = 30 1/с значений 2,5—4,0 для а = 0,4 и 3,6— 5,2 для а = 1,4.

Таким образом, при алгоритме подключения АД ,к ПЧ с постоянным магнитным потоком и выполнении начальных условий подключения Д0 = До> = О ударный ток составляет (1,1 — 3,4) - /„ом и при отклонении Д0 и Дсо от нуля в пределах Д0 = ±40°, Дсо= ±20 1/с достигает (3,2—5,75)-/„„м . Таким образом, данный алгоритм подключения требует повышенной установленной мощности коммутационной аппаратуры основного и резервного ПЧ.

В работе предложены способ и алгоритм подключения с формированием магнитного потока АД (пат. 1760866 СССР),

заключающиеся в том, что в процессе выбега отключенного

->

АД контролируются частота вращения и модуль вектора Еад,

-> - >

а также угол 0 между вращающимися векторами £ад и ¿Упч. Подключение АД к резервному ПЧ осуществляют при выполнении условий:

«пчо = «Адв, |£/пч.| = |£ад.| И 9=180° (пли Л0 = О). (12)

После подключения АД к ПЧ напряжение на выходе ПЧ увеличивают по закону

ит = /Сад»лдо(1 - е-"*) + ипч0е-<'\ (13)

где £/цчо—напряжение на выходе ПЧ в момент подключения; т—постоянная времени изменения напряжения. По истечении времени, равного (3—4)т, изменение напряжения и частоты на выходе ПЧ осуществляют по закону С/пч/<»пч =сопэ1, т. е. с постоянным магнитным потоком. Предложенный способ отличается тем, что подключение АД осуществляется с пониженным магнитным потоком с последующим плавным увеличением его по экспоненте с постоянной т.

В результате моделирования переходных процессов подключения АД к ПЧ с формированием магнитного потока установлено, что при выполнении условий (12) в момент подключения относительный ударный ток подключения зависит от темпа напряжения статора АД или величины относительной постоянной нарастания напряжения т* = т/Г0. Установлено, что ударный ток подключения уменьшается (рис. 2) с увеличением т*.

При т*>0,3 для всех частот а = 0,4—1,4 работы ПЧ удар-1ный т.ок меньше-.единицы. Для любой постоянной т* ударный ток тем больше,-чем-больше частота а установившегося режима работы ПЧ. Зависимость ударного тока от постоянной х"': .аппроксимируется уравнением

/уд = (¿удо /уст) ^ m* ~ i /уст» (14)

где i-удо и /уст —начальное и установившееся значения тока; гп\ — показатель степени.

.Установлены количественные характеристики параметров

уравнения (14). Показано, что при отклонении угла между -» --•>

векторами .£дд ;и ¡Упн ют -оптимального, .равного 180°, или изменения А0 от 0 до 30° при а = 0,4 и т*>0,3 ударные токи возрастают незначительно—на 4—16% по сравнению с током

—>

при Д0 = 0. При отклонении частот вращения векторов Uпч и —>

Ear от нуля до критического значения Асокр (р = 0,18) при т*>.0,3 si <а = 0,4—1,0 .величина ударного тока не превышает ;(1 ;65—1,7) -/„пм • Для .обеспечения ударного тока подключения не больше 1,5 при любых значениях а необходимо формировать магнитный поток АД таким образом, чтобы выполнялись условия: т*>.0,3, Д6 = ±,15° и разность частот До>=шпч — <15 1/.с.

Установлено, что предложенный способ подключения АД к ПЧ обеспечивает безударное плавное нарастание момента в трансмиссии привода, причем отклонение угла ДО на ±30° не приводит к возникновению ударных моментов, превышающих номинальный. "При положительных отклонениях частот шПч и <»лд (Дсо>0) максимальный момент двигателя положительный, а при Дсо<0 момент двигателя является отрицательным или тормозным. Максимальные значения переходных моментов при подключении АД к ПЧ уменьшаются с увеличением т*. Выбрав-величину т*, всегда можно получить необходимые значения максимального момента электродвигателя, при этом выбор т* следует производить по максимальному значению частоты а.

Для оценки влияния ступенчатого изменения напряжения на выходе ПЧ на характер переходных токов и моментов АД

была .составлена модель ПЧ, в которой напряжение £/пч соответствовало фактическому ступенчатому движению вектора напряжения на плоскости. Исследование переходных процессов лодключения по предложенному методу с формированием магнитного потока показало, -что в мгновенных значениях тока и момента АД имеются пульсации с частотой коммутации тиристоров инвертора ПЧ, которые в шесть раз выше основной частоты напряжения на выходе ПЧ. Амплитуда пульсаций тока и момента с указанной частотой составляет 10—

Структурная схема резервированного частотно-регулируемого

12% от среднего момента или амплитудного значения фазного тока АД. Установлено, что значения ударных токов и моментов, полученные при исследовании переходных процессов для условий основной гармоники напряжения ПЧ, занижены на 10—12%. Характер изменения зависимостей ударного тока и момента от т*, а, ДЭ и Дш не изменялся.

На основе проведенных исследований разработаны структурные схемы, алгоритмы работы и синтезированы блоки управления автоматических переключателей нагрузки (АПН), обеспечивающих подключение выбегающего АД к резервному ПЧ с постоянным магнитным потоком (АПН-2) и с формированием магнитного потока (АПН-З). Наибольший практический интерес представляет АПН-З, обеспечивающий практически безударное подключение АД к ПЧ. Структурная схема АПН-З вместе с резервированным электроприводом представлена на рис. 3.

•Структурная схема включает два преобразователя частоты ПЧ1 и ПЧ2, присоединенных соответственно к основной сети I и резервной сети II. Электродвигатель М с помощью ключей К1 и К2 присоединяется к ПЧ1 или к ПЧ2. Каждый из преобразователей частоты ПЧ1 и ПЧ2 включает: выпрямители УВ1, УВ2; инверторы И1, И2; системы управления выпрямителем СУВ1, СУВ2; генераторы с пересчетными кольцами Г1, Г2; задатчики интенсивности ЗИ1 и ЗИ2. Все остальные блоки структурной схемы рис. 3 принадлежат автоматическому переключателю нагрузки: датчики аварийного состояния ДАС1 и ДАС2; датчик частоты и ЭДС электродвигателя ДЧН; блок контроля фазы БКФ; блок формирования напряжения; потенциометры и Я2; блок управления (БУ).

На БУ подаются сигналы х\ — х6 и с его выхода снимаются сигналы К1 — Кб, которые обеспечивают переключение рабочих режимов работы АПН. ДАС1 или ДАС2 контролируют работоспособное состояние ПЧ1 или ПЧ2. Датчик частоты и ЭДС электродвигателя ДЧН измеряет модуль ЭДС на зажимах статора АД и частоту вращения вала двигателя. Блок контроля фазы БКФ измеряет угол между вращающимися векторами напряжения на выходе ПЧ и ЭДС на зажимах статора АД. БФН формирует напряжение на выходе подключенного АД по уравнению (13).

При отказе, например, ПЧ1, датчик ДАС1 выдает сигнал в блок управления, по которому отключается ключ К1 и с помощью включения ключей КЗ, К4 организуются каналы установки частоты и напряжения резервированного ПЧ2, равных соответственно частоте вращения ротора и ЭДС статора выбегающего АД путем отслеживания сигналов с ДЧН. БКФ

контролирует угол между векторами £/пч и £лд. При соблю-

денйи условий подключения (12) БУ выдает сигнал на ключ К2, подключающий АД к ПЧ2. Затем с помощью ключей К5 и Кб организуется формирование напряжения на выходе ПЧ2 по уравнению (13) с помощью БФН при постоянной частоте на выходе ПЧ2. По истечении заданного времени БУ изменением состояния ключей обеспечивает работу АД с постоянным магнитным потоком.

На основе анализа режимов работы электропривода с АПН составлен граф состояний системы электропривода.

На основе графа состояний системы составлены блок-схема алгоритма работы БУ и программа реализации алгоритма контроллером с микроЭВМ КМ1816 ВЕ51.

Контроль угла между вращающимися векторами напряжения на выходе ПЧ и ЭДС выбегающего АД осуществлялся путем сравнения двоичных кодов, характеризующих положение каждого из векторов с выявлением случая, когда векторы находятся в противофазе (пат. № 1760866, № 1403312 СССР).

Контроль положения ЭДС на зажимах АД предложено осуществлять путем формирования из трехфазной ЭДС АД многофазной системы, жестко связанной с трехфазной, с последующим квантованием ее по времени и превращением и коды, соответствующие положению вектора на плоскости. Для этого в БКФ использованы многофазный трансформатор присоединения, формирователь и дешифратор. По необходимой точности контроля 0К. коэффициенту трансформации трансформатора Кт, числу витков первичной обмотки W\ трансформатора присоединения предложено определять число витков вторичной обмотки трансформатора присоединения по формулам:

Wn = 2 КЗ- Wl sin [60° - «к(i - 1)] (3К,Ги, wu = 2 /3 • W l • sin [eK (i — 1)] (3/Q-1.

Показано, что с увеличением числа вторичных обмоток трансформатора присоединения зона контроля вк уменьшается, т. е. точность контроля угла повышается по гиперболической зависимости.

Синтезирована логика работы дешифратора при любой точности контроля положения вектора ЭДС АД и показано, что наиболее целесообразно положение вектора представлять в двоичном коде. Синтезирован преобразователь кода для зоны контроля вк=15° и т = 4, выполненный на цифровых элементах.

Предложено (пат. № 1653075 СССР,) осуществлять контроль положения вектора напряжения ПЧ на плоскости по тактовой частоте генератора системы управления инвертора ПЧ путем умножения ее и преобразования в код с помощью устройства на цифровых элементах. Коэффициент передачи

умножителя частоты устройства предложено определять по формуле:

/<ум = зш •/зг//пч-ек, (16)

где /зг, /пч — частоты задающего напряжения генератора ПЧ и напряжения на выходе ПЧ. В качестве узла сравнения двоичных кодов, характеризующих взаимное положение векторов напряжения ПЧ и ЭДС АД, использован цифровой компаратор.

Предложен датчик аварийного состояния (ДАС) ПЧ, включающий два канала: первый — контроль амплитуды напряжения на выходе ПЧ; второй — контроль искажения формы напряжения ПЧ (пат. № 1432663, № 1336153; № 1316152 СССР). При исчезновении напряжения на выходе ПЧ, снижении напряжения более чем на 15% от номинального, а также при неисправности элементов ПЧ, приводящей к искажению формы выходного напряжения ПЧ, ДАС обеспечивает выдачу сигнала в БУ АПН о неисправности ПЧ и запоминание данного сигнала. Отличие предложенного ДАС от известных — его работоспособность при изменении частоты и напряжения па выходе ПЧ. Разработаны принципиальная схема ДАС и методика расчета ее параметров с учетом параметров задат-чика интенсивности ПЧ (т3„ ) и постоянной времени цепи ротора АД (Г0). Показано, что для обеспечения работоспособности и заданного быстродействия срабатывания ДАС при отказе ПЧ необходимо выбирать постоянную времени времяза-дающей цепи ДАС т/?с из неравенства т3„/5>т^с >5Го.

Предложен датчик контроля частоты вращения ротора выбегающего АД путем измерения частоты синусоидальной ЭДС АД (ДЧН) и разработана его принципиальная схема. В схеме предусмотрен контроль модуля ЭДС на зажимах статора выбегающего АД. Разработана методика расчета ДЧН.

В результате исследований переходных процессов в каналах слежения за частотой и ЭДС АД установлено, что постоянную фильтра нижних частот датчика ДЧН (Тл,„) следует выбирать из условия 7"дш<7\„/20 (где 7\„ — постоянная затухания частоты вращения АД при выбеге), а постоянную фильтра низких частот для датчика модуля ЭДС АД (7"дн)—из условия Г^/2,7дИ^>Гпч/3. ¡(где Те и Тпч — соответственно постоянная времени затухания ЭДС при выбеге АД и постоянная времени ПЧ по каналу «сигнал на входе СУВ — выходное напряжение ПЧ).

При выполнении этих условий мгновенные значения частоты и напряжения ПЧ в переходном процессе слежения за время не менее чем 0,04 с достигают значений, которые отличаются от частоты и ЭДС ротора АД не более чем на 5%.

По разработанным, принципиальным схемам АПН-2 и АПН-3 изготовлены два опытных образца автоматического переключателя, которые смонтированы, испытаны и эксплуатируются в электроприводе гранулятора в цехе «Карбамид-2» Новомосков'ского производственного объединения «Азот».

Экспериментальные исследования при испытаниях и эксплуатации АПН-2 и АПН-3 подтвердили работоспособность их в условиях производства и правильность предложенных способа подключения выбегающего АД к ПЧ, алгоритмов работы блока управления АПН, принятых структур и принципиальных схемных решений.

При отказе основной сети или основного ПЧ АПН-2 и АПН-3 обеспечивали переключение АД г.ранулятора на резервный ПЧ, питающийся от резервной сети.

Быстродействие переключателей АПН составило 0,1— 0,2 с. Максимальный относительный ударный ток подключения для АПН-2 составил 2,0—2,7 номинального, а для АПН-3 не превышал 1,5 номинального. Суммарный годовой экономический эффект от применения АПН-2 и АПН-3 определялся из условий устранения недовыпуска продукции с применением АПН и составил 4,544 млн. руб. Рекомендован выпуск опытной партии АПН-3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи разработки автоматического устройства переключения нагрузки в электрических сетях с переменной частотой и напряжением до 1000 В, позволяющего повысить надежность работы ответственного технологического оборудования с частотно-регулируемым электроприводом системы ПЧ —• АД за счет резервирования 'канала «сеть — ПЧ — АД» и снижения ударных токов и моментов в сети при подключении асинхронной нагрузки к резервному ПЧ, снизить недовыпуск продукции ответственным технологическим оборудованием.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Математическая модель для исследования переходных процессов подключения выбегающего АД к работающему ПЧ отличается учетом насыщения стали по главному пути магнитного потока АД, параметров участка сети между АД н ПЧ, ступенчатого характера изменения напряжения на выходе ПЧ и обеспечивает достаточную для исследовательских работ адекватность математической модели реальной системе ПЧ — АД.

2. Значения относительного ударного тока системы «сеть— ПЧ — АД» при подключении выбегающего АД к резервному

ПЧ с постоянным магнитным потоком АД минимальны, когда векторы напряжения на выходе ПЧ и ЭДС статора АД в момент подключения имеют одинаковые частоты вращения и находятся в противофазе и составляют 1,5—2,8 номинального для относительных частот ПЧ от 0,4 до 1,4, причем ударный ток возрастает по степенной функции с увеличением отклонения угла между векторами напряжения ПЧ и ЭДС АД от оптимального, равного 180°, при равенстве их частот вращения, и возрастает по закону суммы двух степенных функций с увеличением разности частот вращения этих векторов при нахождении их в противофазе.

3. Предложенный новый способ подключения выбегающего АД к резервному ПЧ с формированием магнитного потока АД-отличается тем, что для повышения надежности системы «сеть — ПЧ — АД» путем снижения переходных токов и моментов дополнительно перед подключением измеряют величину ЭДС выбегающего АД и при подключении АД к резервному ПЧ обеспечивают равенство частот и модулей векторов напряжения ПЧ и ЭДС АД при нахождении их в протизофазе, а затем, после подключения, увеличивают напряжение на выходе ПЧ по экспоненциальному закону и через время, равное четырем-пяти постоянным возрастания экспоненты, производят переключение задания ПЧ на заданные частоту и напряжение, соотношение которых обеспечит постоянный магнитный поток АД.

4. Ударный ток и момент подключения выбегающего АД к резервному ПЧ при способе подключения с формированием магнитного потока АД уменьшаются с увеличением относительной постоянной времени возрастания напряжения па зажимах. АД (выходе ПЧ) по закону экспоненты, причем при относительной постоянной, большей 0,3 для значений относительной частоты ПЧ 0,4—1,4' ударный ток и момент будут равными или меньше номинальных значений, при этом значения ударного тока и момента возрастают на 4—16%, если угол между вращающимися векторами напряжения ПЧ и ЭДС АД отличается от противофазы до 30°, и на 50—70%, если частоты вращения векторов напряжения и ЭДС АД отличаются на величину разности синхронной частоты вращения АД и частоты вращения АД, соответствующей критическому скольжению.

5. Различие в оценке значений ударного тока и момента системы «сеть — ПЧ — АД» при подключении выбегающего АД к резервному ПЧ, полученных при учете только первой гармоники напряжения на выходе ПЧ и ступенчатого характера изменения этого напряжения, не превышает 10—12%.

6. Устройство автоматического подключения выбегающего АД к резервному ПЧ с постоянным магнитным потоком АД (первого типа—АПН-2) основано на принципе контроля па-

раметров вращающихся векторов напряжения на выходе ПЧ и ЭДС АД и отличается тем, что перед подключением АД выдерживается пауза, определяемая временем снижения модуля ЭДС АД ниже 10% от его номинального значения, и в момент подключения частоты векторов напряжения ПЧ и ЭДС АД равны, что обеспечивает снижение ударных токов и моментов подключения до 2—4 номинальных значений.

7. Устройство автоматического подключения выбегающего АД -к резервному ПЧ (второго типа — АПН-3) основано на принципе формирования магнитного потока АД и отличается тем, что в ¡момент подключения обеспечивается равенство частот вращения модулей векторов напряжения ПЧ и ЭДС статора АД, нахождение их в противофазе и формирование напряжения ПЧ после подключения по экспоненциальному закону с постоянной времени, которая выбирается из условия обеспечения нужного превышения ударного тока над номинальным, что обеспечивает снижение ударных токов подключения до 0,8—1,6 номинальных значений.

8. Методики расчета разработанных новых устройств контроля взаимного положения вращающихся векторов напряжения на выходе ПЧ и ЭДС на зажимах статора АД, датчика аварийного состояния ПЧ, устройств слежения за частотой и ЭДС выбегающего АД позволяют определить структуру и параметры данных устройств с заданными точностью ¡контроля и быстродействием.

9. Основные результаты и положения диссертационной работы использованы при разработке автоматических переключателей нагрузки с подключением выбегающего АД к резервному ПЧ с постоянный! магнитным потоком (АПН-2) и с формированием магнитного потока (АПН-3), которые испытаны п внедрены в частотно-регулируемом электроприводе грануля-тора цеха «Карбамид-2» Новомосковской акционерной компании «Азот».

Фактический годовой экономический эффект от внедрения АПН-2 и АПН-3 составил 4,544 млн. рублей -в ценах июня 1992 г.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Щуцкий В. И., Бабокин Г. И., Шпрехер Д. М., Ставцев Б. А. Повторное подключение асинхронного электродвигателя к преобразователю частоты. — Изв. вузов. Горный журнал, 1990, № 4, с. 93—96.

2. Бабокин Г. И., Шпрехер Д. М., Ставцев В. А. Исследование процесса повторного подключения асинхронного электродвигателя к преобразователю частоты//Динамические режи-

мы электрических машин и электроприводов, ч. III. — Каунас,

1988, с. 12.

3. Шпрехер Д. М., Ставцев В. А. Исследование электромагнитных процессов при повторном подключении асинхронного электродвигателя к преобразователю частоты//Динамика и функционирование электромеханических систем. — Тула, 1989, с. 12—16.

4. Патент № 1336153 СССР МКИ Н02 J9/06. Устройство для автоматического переключения нагрузки/Бабокин Г. И., Ставцев В. А., Ребенков Е. С., Шарыпин А. В., Куннц-,кий В. Г.— Опубл. 07.09.87 в Бюл., 1987, № 33. Приоритет 07.10.85.

5. Патент Nh 1336162 СССР МКИ Н02 J9/06. Автоматический переключатель резервного питания автономной сети электроснабжения с переменной частотой питания нагрузки/Бабокин Г. И., Ставцев В. А., Ребенков Е. С., Колесников Е. Б., Шарыпин А. В., Куницкий В. Г.— Опубл. 7.09.87 в Бюл., 1987, № 33. Приоритет 01.10.85.

6. Патент № 1683129 СССР МКИ Н02 J9/06. Способ подключения асинхронного электродвигателя к резервному преобразователю частоты/Бабокин Г. И., Щуцкий В. И., Ставцев В. А.— Опубл. 7.10.91 в Бюл., 1991', № 37. Приоритет 15.03.89.

7. Щуцкий В. И., Бабокин Г. И., Колесников Е. Б., Ставцев В. А. Датчик аварийного состояния преобразователя частоты.— Изв. вузов. Горный журнал, 1991, № 1, с. 87—89.

8. Ставцев В. А., Бабокин Г. И. Автоматизация системы управление процессом гранулирования. — Методы кибернетики химико-технологических процессов. — М.: Изд. МХТИ,

1989, с. 153.

9. Устройство автоматического переключения электродвигателя к резервному преобразователю частоты//Бабокин Г. И., Колесников Е. Б., Куницкий В. Г., Саутов А. С., Ставцев В. А. — Промышленная энергетика, 1990, № 4, с. 14— 15.

10. Патент № 1478831 СССР МКИ G01P 31/34. Устройство для определения фазы вектора ЭДС электродвигателя переменного тока/Жогов А. М., Бабокин Г. И., Ставцев В. А., Колесников Е. Б.— Опубл. 7.05.89 в Бюл., 1989, № 17. Приоритет 06.05.88.

11. Бабокин Г. И., Колесников Е. Б., Ставцев В. А. Частотно-регулируемый электропривод гранулятора. — Промышленная энергетика, 1989, № 2, с. 20—21.

12. Резервированный преобразовательный агрегат переменной частоты для питания двигательных пагрузок/Бабо-кин Г. И., Колесников Е. Б., Ребенков Е. С., Куницкий В. Г., Ставцев В. А.//Проблемы преобразовательной техники, ч. III. —Киев, 1987, с. 25—27.

2

17

13. Патент № 1432663 СССР МКИ Н02 .1/06. Устройство для автоматического переключения нагрузки/Бабокин. Г. И., Куницкий В. Г., Колесников Е. Б., Ставцев В. А. — Опубл. 03.10.88 в Бюл., 1988, № 39. Приоритет 06.04.87.

14. Патент № 1403312 СССР МКИ Н02 Р1/26. Электропривод переменного* тока/Бабокин Г. И., Ставцев В. А. — Опубл. 15.06.88 в Бюл., 1988, № 22. Приоритет 24.12.86.

15. Разработка и испытание электропривода гранулятора/ Бабокин Г. И., Колесников Е. Б., Шарыпин А. В., Ставцев В. А. — М.: ВИНИТИ, Деп. № 7582—84.

16. Патент № 1760866 СССР МКИ С01 Р31/34. Устройство для определения фазы вектора ЭДС электродвигателя переменного тока/Жогов А. М„ Бабокин Г. И., Куницкий В. Г., Колесников Е. Б., Ставцев В. А. — Опубл. 7.09.92 в Бюл., 1992, № 33. Приоритет 29.06.89.

17. Патент № 1653075 СССР МКИ Н02 .19/06. Устройство для резервирования источников питания/Бабокин Г. И., Колесников Е. Б., Ставцев В. А.— Опубл. 30.05.91. в Бюл., 1991, № 20. Приоритет 29.04.88.