Анализ технологических возможностей и выбор оптимальной топологии высоковольтных регулируемых электроприводов переменного тока
На правах рукописи
КРАСНОВ Дмитрий Валерьевич АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ ТОПОЛОГИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород - 2012
Работа выполнена в ФБГОУ ВПО «Московский государственный от крытый университет им. С.В.Черномырдина»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Онищенко Георгий Борисович
Официальные оппоненты: Хватов Олег Станиславович, доктор технических наук, профессор ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта», заведующий кафедрой Виноградов Анатолий Брониславович, кандидат технических наук, доцент ООО «Русэлпром-Электропривод», начальник лаборатории систем управления
Ведущая организация: ООО «Электропром» г.Москва
Защита состоится 17 мая 2012г. в 14.00 в ауд. 1258 на заседании дис сертационного совета Д212.165.02 при Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е.Алексеева по адресу: 603950, ГСП41, г.Нижний Новгород, ул. Минина,
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е.Алексеева.
Автореферат разослан 14 апреля 2012г.
Ученый секретарь диссертационного совета Соколов В.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одним из наиболее эффективных направлений энергосбережения является широкое использование регулируемого элек тропривода во всех сферах его применения. В мировой практике это на правление стало широкомасштабным и вылилось в создание крупной от расли промышленности по производству преобразователей частоты для регулируемых электроприводов переменного тока. В России, хотя и с неко торым опозданием, использование низковольтных преобразователей часто ты для регулируемого электропривода получило достаточно широкое при менение;
схемные, и аппаратные решения этих преобразователей хорошо отработаны и сотни фирм выпускают их по однотипной топологии.
Иное положение сложилось с высоковольтными (в/в) преобразовате лями частоты для электропривода. Эффективность использования в/в регу лируемых электроприводов большой мощности во всех отраслях промыш ленности, энергетики, коммунального хозяйства исключительно велика, что доказано мировой практикой. В России создание и широкое использо вание в/в регулируемых электроприводов идет с большим отставанием.
Разработки и изготовление в/в преобразователей частоты для электро привода ведет ряд российских фирм: ОАО «Электровыпрямитель», ООО «Л–Старт», ЗАО «Энергокомплект», ЗАО «Эрасиб», ВНИИР, ОАО «Новая Эра». ЗАО НТЦ «Приводная техника» и др. Отечественные фирмы выпус кают преобразователи частоты малыми партиями по различной топологии.
Несмотря на уже накопленный в мировой практики опыт создания в/в частотно-регулируемых электроприводов, еще не сложились оптимальные технические решения по их построению (топологии), продолжается их по иск, направленный на снижение стоимости этих приводов и лучшую элек тромагнитную совместимость в/в преобразователей частоты с питающей сетью и питаемыми двигателями переменного тока.
Задача разработки, организации производства и широкого промыш ленного внедрения в/в регулируемых электроприводов большой мощности имеет важное значение для экономики нашей страны, учитывая, что в ми ровой практике такие электроприводы производятся по несколько тысяч в год, а отечественными фирмами - по несколько десятков единиц в год.
Для условий нашей страны создание и широкое использование энерго сберегающих в/в электроприводов переменного тока требует проведения исследований в ряде аспектов этой проблемы:
1. Определение количественной потребности в электроприводах рас сматриваемого класса с учетом технико-экономической целесообразности их применения для различных видов технологического оборудования.
2. Сопоставительный анализ различных технических решений по то пологии в/в преобразователей частоты с целью выбора перспективных ва риантов для организации серийного производства.
Указанные направления исследований определили содержание на стоящей работы.
Целью работы является – выбор оптимальной топологии в/в регули руемых электроприводов переменного тока большой мощности для реали зации энергосберегающих технологий в различных отраслях народного хозяйства. В соответствии с этим в работе решались следующие задачи:
1. Прогноз перспективной количественной потребности в в/в регули руемых электроприводах переменного тока для основных отраслей про мышленности, энергетики, коммунального и водного хозяйства.
2. Исследование гармонического состава выходного напряжения (тока) в/в преобразователей частоты как важного фактора, определяющего энер гетическую эффективность оборудования.
3. Разработка методики многокритериального выбора технически оп тимального варианта топологии в/в преобразователей частоты с учетом конкретных условий применения.
4. Сопоставительный анализ различных технических решений по по строению (топологии) в/в преобразователей частоты с целью выбора наи более эффективных для серийного производства.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использова ны следующие методы:
· методы статистических исследований энергоемкости и количест венной потребности в в/в регулируемых электроприводах;
· методы компьютерного моделирования электромагнитных процес сов в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока;
· методы анализа гармонического состава выходных значений на пряжения и тока преобразователей частоты;
· методы многокритериального эвристического анализа на базе не четкой логики.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Прогноз количественной потребности в высоковольтных регули руемых электроприводах переменного тока для основных отраслей хозяй ства страны на перспективу до 2020 года.
2. Результаты сопоставительного анализа возможных вариантов топо логии высоковольтного частотно-регулируемого электропривода.
Научная новизна:
1. Впервые исследована перспективная потребность основных отрас лей хозяйства в мощных энергосберегающих в/в регулируемых электро приводах переменного тока и получен прогноз потребности до 2020г.
2. Выполнено исследование гармонического состава выходного напря жения и тока высоковольтных инверторов, позволяющее оценивать энер гетическую эффективность вариантов построения автономных инверторов.
3. Проведен многокритериальный сопоставительный анализ основных вариантов топологий построения высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов, позволяющий обосновать технические направления соз дания этого вида электроприводов в нашей стране.
Практическая полезность работы:
· разработана методика многокритериального анализа и выбора ра циональной топологии построения в/в частотно-регулируемых электропри водов с учетом конкретных требований и областей их применения;
· предложены технические решения по построению многоуровневых преобразователей частоты, существенно повышающие их надежность. Ука занные разработки защищены двумя патентами РФ.
Обоснованность и достоверность результатов и выводов диссерта ции обеспечивается широтой привлеченных источников для статистиче ских исследований, использованием адекватных математических моделей и пакетов прикладных программ для исследования электромагнитных про цессов, сопоставлением расчетных результатов с экспериментальными.
Результаты работы реализованы при создании промышленных в/в регулируемых электроприводов: сетевого насоса котельной № г.Одинцово, сетевых насосов центральной котельной г.Астрахани, насосов второго подъема Челныводоканал и др.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на VI Между народной конференции по автоматизированному электроприводу. г.Тула, сентябрь 2010г., конференции Интерэлектро г.Москва, июнь 2010г.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК, получены 2 патента.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит введение, глав, заключение, список литературы и приложение, изложенных на страницах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, оп ределены цель и задачи работы.
В первой главе приведены результаты прогноза потребности в в/в ре гулируемых электроприводах переменного тока. По экспертным оценкам во всех отраслях хозяйства в России установлены 22000 в/в электроприво дов переменного тока. Потенциальная потребность в регулируемых элек троприводах большой мощности определяется следующими факторами:
· Высокая энергосберегающая эффективность в/в регулируемых элек троприводов большой мощности, что особенно проявляется применительно к турбомеханизмам (насосам, вентиляторам, компрессорам), электропривод которых составляет до 60% общей установленной мощности электропри водов в промышленности и коммунальном хозяйстве. Регулирование про изводительности этих машин изменением скорости вращения позволяет сэкономить около 30 % электроэнергии, 30 % тепла и 20 % воды.
· Использование регулируемого электропривода, особенно в техноло гических установках большой мощности, дает не только энергосберегаю щий эффект, но и существенно повышает надежность оборудования, что связано с двумя обстоятельствами:
- обеспечивается плавный пуск электропривода, при котором в 3-5 раз снижаются пусковые токи, исключаются механические и гидравлические удары;
- оборудование работает в технологически оптимальном режиме со сниженной скоростью, напором и производительностью.
Рассматриваются электроприводы с двигателями переменного тока с номинальным напряжением 6,0;
10,0 кВ и мощностью свыше 400 кВт.
При определении потребности в регулируемых электроприводах ос новное внимание уделялось наиболее массовым. Это электроприводы насо сов различного назначения, вентиляторов, дымососов, эксгаустеров, турбо компрессоров, т.е. турбомеханизмов, имеющих «вентиляторный» характер нагрузки, работающих в длительном режиме и не требующих высокой ди намики управления. К этим рабочим машинам примыкают рабочие маши ны с постоянным моментом нагрузки, такие как мельницы, смесители, ру доразмольное оборудование и другие машины. В совокупности с турбома шинами эти машины составляют по количеству и суммарной мощности более 90 % парка всех электроприводов с в/в двигателями большой мощно сти. Уникальные электроприводы прокатных станов, шахтных подъемных машин и др., обладающих специфическими требованиями к электроприво ду, в настоящей работе не учитывались.
Объективными причинами применения регулируемого электропривода для механизмов собственных нужд ТЭС и ТЭЦ является:
· переменный режим работы энергоблоков, что вызывает необходи мость регулирования производительности основных механизмов энерго блоков: питательных насосов, дутьевых вентиляторов, дымососов, цирку ляционных насосов;
применяющееся регулирование средствами дроссели рования ведет к значительному непроизводительному расходу электро энергии;
потери энергии в системах собственных нужд энергоблока дости гают 16 %.
В области теплоснабжения весьма перспективно использование мощ ного регулируемого электропривода на сетевых и подкачивающих насос ных станциях. Насосные установки для циркуляции и подачи теплоносите ля – это массовые механизмы большой мощности, используемые на ТЭС, ТЭЦ и в коммунальных сетях теплоснабжения. Режимы теплоснабжения на РТС и ТЭЦ требуют изменения подачи воды в магистральные сети тепло снабжения. Реализация переменных режимов работы теплофикационных насосных станций необходима, т.к. отсутствие регулирования ведет к зна чительным потерям тепла и излишним затратам энергии на циркуляцию горячей воды.
Второй значительной областью применения мощных регулируемых электроприводов является водное хозяйство, прежде всего, водоснабжение и канализация. Центробежные насосы являются распространенной рабочей машиной во всех отраслях хозяйства. Большинство насосных станций во доснабжения и канализации работают с переменной производительностью, определяемой графиком дневного и ночного водопотребления.
В коммунальном хозяйстве в/в двигателями мощностью 400-5000 кВт оснащаются насосы I и II подъемов, районные и центральные канализаци онные станции. Регулирование производительности насосных станций производится неэкономичными способами: числом работающих насосов и дросселированием. Применение дросселирования связано также с необхо димостью согласования Q-H характеристик насоса с характеристикой на порного трубопровода. Прогноз экономии электроэнергии за счет приме нения регулируемого электропривода насосных агрегатов по данным ВНИИВодгео составляет: в коммунальном хозяйстве – 3,0 млрд.кВт.ч/год;
в промышленности – 2,2 млрд.кВт.ч/год.
Наибольший объем перекачки воды приходится на промышленные объекты, где превалируют системы оборотного водоснабжения. Количест во в/в электродвигателей насосных агрегатов в системах водоснабжения на предприятиях металлургии, химической и нефтехимической промышлен ности составляет около 1/3 в/в двигателей, эксплуатируемых на предпри ятиях этих отраслей.
В металлургической промышленности используются в/в электропри воды с двигателями переменного тока для привода турбомеханизмов.
В доменном производстве: для привода газодувок мощностью 12- МВт;
для привода кислородных турбокомпрессоров мощностью 6-12 МВт.
В агломерационном производстве: для привода эксгаустеров мощно стью 1,3-3,0 МВт;
для привода дымососов мощностью 1,2-8,0 МВт;
для привода воздуходувок мощностью 4,0-5,0 МВт.
В кислородно-конверторных цехах для электропривода турбомеханиз мов используются быстроходные синхронные двигатели большой мощно сти 1,75-18 МВт. В настоящее время указанные турбомеханизмы оснащены нерегулируемым электроприводом. Регулирование производительности либо не производится, либо осуществляется неэкономичными способами.
Кроме того существуют трудности с пуском двигателей особо большой мощности. Применение тиристорных пусковых устройств не в полной мере решает задачи плавного пуска с ограничением пусковых токов. Во избежа ние снижения надежности оборудования число прямых пусков мощных двигателей ограничено нормативами. Использование частотного пуска снимает все ограничения, связанные с пусковыми режимами.
Для привода турбокомпрессоров, скорость вращения рабочего колеса которого составляет 6000 об/мин и выше, перспективно использование вы сокоскоростных электроприводов с преобразователями частоты с частотой 100 Гц и более, что позволит исключить механические мультипликаторы.
В горнодобывающей промышленности использование в/в регулируе мого электропривода целесообразно для шахтных вентиляторов главного проветривания, насосных агрегатов и механизмов обогатительных фабрик и рудоразмольных производств (дробилки и мельницы).
Целесообразность регулируемого электропривода шахтных вентиля торов связана с высокой энергоемкостью проветривания шахт. Эти венти ляторы работают в непрерывном круглосуточном режиме, и их мощность достигает нескольких тысяч киловатт. Изменение производительности шахтных вентиляторов технологически необходимо. Для шахтных венти ляторов существует проблема обеспечения их пуска, связанная с большим моментом инерции механизма и с необходимостью ограничения ускорений и исключения колебаний момента двигателя во избежание поломок лопа стей рабочего колеса.
Значительную область применения регулируемого привода составляют буровые насосы, используемые в установках бурения на нефть и газ.
Вторую группу массовых механизмов в горнодобывающей отрасли, где требуется использование мощного регулируемого электропривода пе ременного тока, составляет дробильно-размольное оборудование: дробил ки, стержневые, шаровые мельницы и др. Необходимость применения в/в преобразователей частоты в электроприводах этих машин определяется, в первую очередь, условиями пуска. Большой момент трогания и высокий момент инерции (тяжелый пуск) не допускают применения тиристорных пусковых устройств. В то же время большая мощность электроприводов требует ограничения пусковых токов. Радикальным способом является час тотный пуск двигателей. Регулирование скорости вращения мельниц по зволяет экономить электроэнергию и обеспечить требуемое качество помо ла материала. Аналогичная ситуация характерна для механизмов цемент ной промышленности: мельниц и вращающихся печей.
В химической и нефтехимической промышленности применение в/в регулируемого электропривода перспективно для следующих групп меха низмов: насосов;
турбокомпрессоров;
мощных поршневых компрессоров;
мешалок полимерных материалов;
резиносмесителей и ряда других. Регу лирование производительности мощных поршневых компрессоров в на стоящее время производится неэкономичными методами (отжатием клапа нов, байпасированием и др.). Изменение производительности регулирова нием скорости вращения свободно от этих недостатков. Частотное регули рование снимет проблемы тяжелого пуска мощных поршневых машин.
Для рабочих машин типа мешалок и смесителей регулирование произ водительности реализуется использованием регулируемых электроприво дов постоянного тока. Для химических производств использование машин постоянного тока нежелательно ввиду агрессивности окружающей среды и токопроводящей пыли. Замена приводов постоянного тока на регулируе мые электроприводы переменного тока очевидна.
За рубежом широкое применение в/в частотно-регулируемого элек тропривода характерно для трубопроводного транспорта газа и нефти, неф тепродуктов и жидких химических продуктов. Регулируемый электропри вод насосных агрегатов на перекачивающих станциях магистральных и местных нефтепроводов и продуктопроводов позволяет избежать непроиз водительных затрат энергии, связанных с дросселированием, сократить число пусков мощных насосных агрегатов, обеспечить их плавный пуск и останов, что существенно повышает надежность оборудования.
Общая оценка потенциальной потребности в регулируемых приводах большой мощности на период до 2020 года сведена в табл. 1.
Таблица № Отрасль хозяйства Оценка потребности № Единиц Суммарная мощность МВт 1 Электроэнергетика 4240 2 Теплоснабжение 1470 3 Водоснабжение и канализация 700 4 Металлургия 190 5 Горнодобывающая 810 6 Цементная 160 7 Химическая и нефтехимическая 630 Общая потребность 8200 Проведенные анализ и расчеты показывают:
1. Общая потребность в в/в преобразователях частоты для электропри вода может быть оценена в перспективе до 2020 года количеством единиц, суммарной установленной мощностью около 10 тыс. МВт.
2. Применение в/в регулируемых электроприводов дает ориентировоч ную величину экономии электроэнергии порядка 13,0 млрд.кВтч/год.
3. Приведенная оценка носит оптимистический характер, и ее реализа ция во много зависит от темпов развития экономики страны, объема инве стиций и других объективных обстоятельств.
Во второй главе рассмотрены особенности построения в/в регулируе мого электропривода переменного тока. Основной научно-технической проблемой при создании мощных преобразователей частоты для питания электродвигателей напряжением 6,0 и 10 кВ была и остается задача поиска оптимальной топологии преобразователей, которая должна обеспечивать:
· минимальную себестоимость преобразователей · возможность использования стандартных по параметрам синхрон ных и асинхронных двигателей напряжением 6,0 и 10 кВ;
· достижение удовлетворительной формы выходного напряжения (то ка), при которой не требуется снижение нагрузочной способности двигате лей и усиление изоляции обмоток;
· минимизация вредного воздействия на питающую сеть (реактивная мощность, искажение тока, высокочастотные помехи);
· высокий к.п.д. преобразования энергии;
· конструктивную и эксплуатационную надежность.
При решении указанных задач выявились различные направления соз дания преобразователей частоты, что привело к разнообразию топологиче ских и аппаратных решений. Поиск оптимальных технических решений связан с двумя основными проблемами:
Первая: проблема высокого напряжения. Входное и выходное напря жение в/в преобразователей превышает допустимое напряжение полупро водниковых управляемых приборов (ключей), что определяет необходи мость последовательного включения отдельных ключей, либо структурных узлов на их основе. Вторая - проблема качества электроэнергии. Для в/в электроприводов искажение формы выходныго тока и напряжения, а также величин перенапряжений и скоростей нарастания тока и напряжения имеет существенно большее значение, чем для низковольтных электроприводов, что связано с вредным воздействием этих параметров на приводной элек тродвигатель. Применение выходных фильтров ухудшает массогабаритные и стоимостные показатели электрооборудования. Для решения проблемы высокого напряжения применяются следующие технические решения:
1. Использование двух силовых трансформаторов, один из которых понижает напряжение питающей сети до уровня 690 В. Преобразователь частоты выполняется на низком напряжении, а выходное напряжение пре образователя повышается вторым повышающим трансформатором.
2. Последовательное включение управляемых полупроводниковых ключей в каждом плече мостового инвертора.
3. Деление выпрямленного напряжения на конденсаторах для создания трех или четырех уровней напряжения и последовательное включение ин верторов – многоуровневые преобразователи.
4. Последовательное по выходу включение однофазных низковольт ных преобразователей с питанием каждого преобразователя от отдельных обмоток многообмоточного входного трансформатора – многоуровневый преобразователь с каскадным включением инверторов.
Формирование синусоидального напряжения и тока на выходе преоб разователя производится способом широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Регулирование величины (амплитуды) выходного напряжения также производится методом ШИМ. В схемах с многоуровневыми и кас кадными преобразователями благодаря специальным алгоритмам ШИМ по каждому уровню напряжения удается достигнуть существенно лучшей формы выходного напряжения. В большинстве используемых топологий применяются входные трансформаторы, что позволяет гальванически раз делить преобразователь от питающей сети и улучшить электромагнитную совместимость преобразователя с сетью.
Для сопоставительного анализа вариантов топологий в/в преобразова телей частоты были приняты следующие 6 схем (рис. 1).
Первая схема имеет топологию, аналогичную низковольтным преобра зователям частоты. Несмотря на простоту схемы, она имеет ряд существен ных недостатков.
Идея многоуровневой топологии (схема 2) заключается в делении на пряжения в звене постоянного тока на конденсаторах и последовательном включении групп полупроводниковых ключей на транзисторах или тири сторах с комбинированным управлением. При этом вдвое уменьшается ве личина коммутируемого напряжения и достигается улучшение формы вы ходного напряжения, что сокращает мощность выходного фильтра.
Топология 3 отличается от рассмотренной топологии трехуровневого инвертора отказом от входного трансформатора. При этом выпрямитель выполняется на управляемых полупроводниковых приборах IGBT или IGCT. В результате получается активный выпрямитель, оказывающий ми нимальное вредное влияние на питающую сеть.
Топология 4 – двухтрансформаторное построение схемы в/в преобра зователя. Смысл этой топологии – выполнить преобразование частоты на двухуровневом низковольтном (690 В) преобразователе.
Перспективной является топология 5, где деление напряжения, с це лью повышения числа уровней, производится посредством многообмоточ ного входного трансформатора. Преобразователь на 6,0 кВ содержит однофазных преобразователей частоты, каждый с максимальным выход ным напряжением 690 В. Силовая ячейка – инвертор напряжения (рис. 2) питается трехфазным напряжением от отдельных обмоток трансформатора, соединенных в треугольник. Пять инверторов по выходу соединены после довательно (рис. 3), образуя фазу выходного напряжения с максимальным напряжением 3450 В. Линейное напряжение будет 6000 В.
Посредством системы управления фазы напряжения отдельных инвер торов сдвинуты на 12оэл., что обеспечивает компенсацию высших гармо ник в кривой выходного напряжения. При этом напряжение и ток на выхо де преобразователя имеют практически синусоидальную форму. Возможно выполнение преобразователя на 10 кВ, за счет увеличения числа инверто ров до 24.
ПЧ с двухуровневым инвертором напряжения на IGBT ПЧ с трехуровневым инвертором напряжения на IGBT или IGCT ПЧ с активным выпрямителем и трехуровневым инвертором напряже ния на IGBT или IGCT ПЧ по двухтрансфторматорной схеме с низковольтным инвертором напряжения ПЧ с многообмоточным трансформатором и каскадным соединением инверторных модулей ПЧ с ШИМ выпрямителем и ШИМ инвертором тока на SGCT Рис. 1. Основные схема высоковольтных преобразователей частоты Создание тиристоров с комбинированным управлением дало возмож ность строить инверторы тока с использованием метода ШИМ для получе ния синусоидальной формы выходного тока. В топологии 6 в состав преоб разователя входят трансформатор, управляемый выпрямитель, выполнен ный для лучшей совместимости с питающей сетью на SGCT, реактор фильтра, автономный инвертор тока на SGCT с ШИМ и выходной С фильтр. Частота тока регулируется инвертором, а величина тока – управ ляемым выпрямителем. ШИМ в инверторе тока имеет свои особенности.
Прерывание тока в нагрузке производится одновременным включением ключей в анодной и катодной группе для каждой фазы инвертора. Исклю чение перенапряжений при этом достигается посредством С-фильтра.
Рис.2. Схема силового блока каскадного пре- Рис.3. Принцип сложе образователя частоты ния напряжений в пре образователе на 6 кВ Третья глава посвящена исследованию гармонического состава вы ходного напряжения и тока в/в преобразователей частоты.
Различные схемные построения инверторов напряжения и тока приво дят к различному составу высших гармонических на выходе преобразова теля, что определяет мощность и стоимость выходных фильтров, которые необходимо предусматривать в составе электропривода.
Непременным требованием к в/в преобразователям является обеспече ние качества выходной электроэнергии требованиям ГОСТ13109-97, т.е.
полный коэффициент гармоник (THD) по напряжению и току не должен превышать 5-8 % во всех режимах работы. Это достигается установкой в необходимых случаях фильтров с соответствующими параметрами.
При проведении исследования решались следующие задачи: определе ние гармонического состава выходных напряжения и тока преобразовате лей при различной топологии и определение параметров фильтров, кото рые позволяют снизить THD до допустимых значений. Исследование про водилось методом компьютерного моделирования.
Асинхронный двигатель в модели представлен Г-образной схемой за мещения. Параметры активного сопротивления и индуктивностей соответ ствуют параметрам схем замещения асинхронных двигателей мощностью 800, 1250, 3200 кВт, напряжением 6,0 кВ.
Управление инвертором производится ШИМ модулятором, который формирует последовательность управляющих импульсов, подаваемых на управляющие электроды ключей инверторов. Ширина импульсов форми руется в соответствии с заданным индексом модуляции и частотой инвер тора. Величина индекса модуляции пропорциональна величине выходного напряжения и выходной частоте.
Рис. Модель частотно-регулируемого асинхронного электропривода с двухуровневым инвертором напряжения дана на рис.4.
Модель инвертора тока с ШИМ отличается применением управляемо го выпрямителя, L-фильтра в звене постоянного тока и С-фильтра на выхо де преобразователя. Система управления инвертором тока с ШИМ преду сматривает управление ключами таким образом, чтобы не допустить раз рыв цепи постоянного тока в моменты коммутации.
Для ослабления высших гармоник до требуемого уровня включают фильтр – пассивный четырехполюсник, который пропускает частоты ниже частоты среза без существенного ослабления и уменьшает амплитуды час тот выше частоты среза. Прияты Г-образные L-C-фильтры. Индуктивность L определяется, исходя из заданной (4 %) величины падения напряжения на фильтре. Емкость фильтра рассчитывается, исходя из заданной частоты среза. Полученные данные уточнялись в процессе моделирования.
В результате моделирования получены осциллограммы напряжения и тока и спектр гармоник, на основе которых рассчитаны коэффициенты THD. Всего получено 660 осциллограмм.
Моделирование проводилось для всех рассматриваемых топологий в/в преобразователей частоты, для инверторов напряжения без выходного фильтра и с выходным синусным фильтром. При моделировании рассмат ривались осциллограммы для трех значений частот выходного напряжения (тока) – 50, 30, 15 Гц при пропорциональном изменении выходного напря жения, а также при различных значениях частоты ШИМ. В качестве при мера на рис.5 показаны осциллограммы напряжения и тока для трехуров невого преобразователя.
Наихудшие значения коэффициента искажения имеют двухуровневые инверторы напряжения. Их использование без выходного фильтра недо пустимо. Коэффициент THD(U) для трехуровневых инверторов имеет зна чения, превосходящие допустимые, но требуемая мощность выходных фильтров будет примерно на 40 % меньше. Многоуровневые инверторы напряжения с многообмоточным трансформатором имеют формы выходно го напряжения и тока, близкие к синусоидальным. Для инверторов тока с ШИМ установка выходных С-фильтров обязательна. Требуемая мощность конденсаторов составляет 125-175 % номинальной реактивной мощности двигателя. Для всех типов преобразователей частоты определены парамет ры фильтров.
Рис.5. Напряжение, ток нагрузки и спектр гармоник напряжения при часто те ШИМ 1500 Гц и частоте инвертора 30 Гц В главе 4 проведено технико-экономическое сопоставление в/в преоб разователей частоты, выполненных по различным вариантам топологий.
Сравнение производилось для преобразователей номинальным напряжени ем 6,0 кВ для электроприводов переменного тока в наиболее представи тельном диапазоне мощностей 800-3200 кВт. Для каждого типоразмера преобразователя рассматривалась силовая часть, состоящая из выпрямите ля, инвертора, трансформаторно-реакторного оборудования, конденсаторов фильтра в цепи постоянного тока и выходных синусных L-C фильтров. В качестве силовых полупроводниковых ключей принимались ключи, вы полненные на IGBT или IGCT приборах. Мощность выходных фильтров принималась такой, чтобы гармонический состав выходного напряжения соответствовал бы нормативным значениям THD 5%. Стоимость микро процессорной системы управления принималась одинаковой для всех ти пов преобразователей.
Результаты анализа показывают, что наиболее дешевые преобразова тели, выполненные по топологии I «Бестрансформаторный выпрямитель – двухуровневый инвертор» и по топологии V «Многообмоточный входной трансформатор – многоуровневый инвертор». Наиболее дорогие – преобра зователи по топологии VI «Входной трансформатор, управляемый выпря митель – инвертор тока с ШИМ» и по топологии IV «Двухтрансформатор ный преобразователь с двухуровневым низковольтным инвертором».
Достоинством топологии I с бестрансформаторной схемой и двух уровневым инвертором является низкая стоимость. Для этой схемы харак терны существенные недостатки: низкая надежность, связанная с тем, что ключи должны выдерживать полное напряжение, плохая совместимость с питающей сетью, необходимость выходных фильтров большой мощности невозможность исполнения на 10 кВ, большие габариты и масса.
Достоинствами топологии II с трехуровневым инвертором являются:
силовые ключи рассчитаны на половину напряжения, хорошая электромаг нитная совместимость с питающей сетью, хорошее качество выходного напряжения при незначительном выходном фильтре. Недостатки – недос таточная надежность, связанная с большим числом силовых полупровод никовых ключей, сложность выполнения преобразователя на 10 кВ.
Топология III с активным выпрямителем и трехуровневым инвертором имеет хорошую совместимость с питающей сетью, достаточно хорошую форму выходного напряжения при слабом синусном фильтре, полупровод никовые ключи работают при половинном напряжении. Недостатки схемы:
большое число управляемых полупроводниковых приборов, высокая стои мость, невозможность исполнения на 10 кВ.
Топология IV, выполненная по двухтрансформаторной схеме, имеет высокую надежность, удовлетворительную совместимость с питающей сетью, возможность выполнения на 10 кВ. Недостатками являются высо кая стоимость, большие габариты и масса, пониженный к.п.д.
Топология V с входным многообмоточным трансформатором и кас кадным многоуровневым инвертором обладает существенными достоинст вами: хорошей совместимостью с питающей сетью;
практически синусои дальным напряжением;
высокой надежностью, поскольку преобразование производится на низком напряжении;
возможностью исполнения на 10 кВ;
низкой стоимостью. Основным недостатком данной топологии является сложность входного трансформатора, имеющего 45 вторичных обмоток.
Преобразователи частоты на базе инвертора тока с ШИМ (топология VI) имеют хорошую совместимость с питающей сетью, высокую надеж ность, связанную с отсутствием высоковольтных электролитических кон денсаторов, возможность рекуперативного торможения. Недостатками пре образователей этого типа являются большая стоимость и массогабаритные показатели, и невозможность питания более чем одного двигателя.
Решаемая в работе задача – выбор наилучшего варианта построения в/в преобразователя частоты для регулируемых электроприводов является задачей многокритериального выбора, поскольку ее решение связано с оценкой рассматриваемых вариантов по нескольким показателям техниче ского и экономического характера. К таким показателям относятся: стои мость, эксплуатационная надежность, качество энергии, подаваемой на приводной электродвигатель, электромагнитная совместимость с питаю щей сетью, к.п.д., массогабаритные показатели. Указанные показатели не всегда могут быть выражены в численном виде и не являются одинаково значимыми для потребителя (ранг значимости).
Таблица Сводная таблица результатов сравнения вариантов топологий в/в преобра зователей частоты методом многокритериальной эвристической оценки №№ Варианты V III II VI IV I Итого вая Варианты оценка 1 V Многообмоточный входной трансформатор, многоуровне- L L mL mL mL вый каскадный инвертор 2 III Бестрансформаторный ак тивный выпрямитель, трех- X R L mL mL уровневый инвертор 3 II Входной трансформатор, неуправляемый выпрямитель, X R L mL mL трехуровневый инвертор 4 VI Входной трансформатор, управляемый выпрямитель, mX X X L mL - инвертор тока с ШИМ 5 IV Двухтрансформаторная схема с низковольтным двух- mX mX mX X L - уровневым инвертором 6 I Бестрансформаторный вы прямитель, двухуровневый mX mX mX mX X - инвертор Для объективного сравнения вариантов топологий была использована компьютерная экспертная система многокритериального выбора и приня тия решения Cordes, основанная на эвристических принципах на базе не четкой логики. В основу функционирования системы положен тезис о том, что при сравнении двух объектов по одному показателю эксперт всегда достаточно уверенно определит, какой из объектов лучше или хуже в 5 уровневой вербальной форме (много лучше mL, лучше L, равно R, хуже Х, много хуже mX. Также эксперт может оценить значимость отдельных кри териев для потребителя, проведя их ранжирование также по пятиуровневой шкале А, В, С, D, Е (по убыванию). Результат сопоставления дан в табл. 3.
В главе 5 приводятся сведения об использовании полученных в дис сертации рекомендаций для создания промышленных регулируемых элек троприводов большой мощности.
В 2009г. был сдан в эксплуатацию регулируемый в/в привод сетевого насоса котельной № 4 г.Одинцово Московской обл. В этой установке при водной асинхронный двигатель ДАВ-315-4У мощностью 315 кВт напря жением 6,0 кВ питается от в/в преобразователя частоты ВЧРП-06/040-А, выполненного по схеме многоуровневого инвертора напряжения с много обмоточным трансформатором (топология V).
В/в преобразователь ВЧРП-06/100 был применен при реконструкции Центральной котельной г.Астрахани в составе системы управления груп пой сетевых насосных агрегатов. Насосная станция включает 4 насосных агрегата с двигателями типа АЧ-400-493 630кВТ, 6,0 кВ. Станция группо вого управления позволяет подключать преобразователь частоты к любому электродвигателю. Это дает возможность производить плавный пуск на сосного агрегата и регулировать производительность насосной станции.
ЗАО «Привод-Инжиниринг» выполнен проект реконструкции насос ной станции второго подъема ЗАО «Челныводоканал». Проект предусмат ривает замену двух насосных агрегатов на агрегаты меньшей мощности с двигателями 800 кВт, 6,0 кВ и использование в/в преобразователя частоты типа ВЧРП-06/100-А для регулирования скорости и производительности насосных агрегатов. Проект находится в стадии реализации.
Для подготовки специалистов по применению и эксплуатации в/в пре образователей частоты разработан, изготовлен и введен в эксплуатацию учебно-лабораторный стенд с физической моделью в/в преобразователя частоты, выполненного по топологии многоуровневого инвертора напря жения с многообмоточным трансформатором.
Важным вопросом для обеспечения эксплуатационной надежности в/в преобразователей частоты является обеспечение сохранения их в работе при отказе одной силовой ячейки. В преобразователе частоты с многоуров невым инвертором напряжения эта задача решается шунтированием вы шедшей из строя силовой ячейки силовым полупроводниковым ключом.
Был разработан способ управления таким ключом, на который получен патент № 2397597 «Способ аварийного управления силовой ячейкой высо ковольтного преобразователя частоты». Для повышения надежности рабо ты в/в преобразователей частоты, выполненных по топологии с многооб моточным трансформатором было предложено введение контроля темпера туры обмоток трансформатора, с возможностью автоматического снижения нагрузки преобразователя при повышении температуры над заданной ус тавкой. На данное решение получен патент на полезную модель.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ 1. Выполнен прогноз потребности в в/в регулируемых электроприво дах переменного тока большой мощности (свыше 400 кВт) на период до 2020 года. Перспективная потребность основных отраслей хозяйства стра ны может быть оценена количеством порядка 8200 единиц установленной мощностью около 10 тыс. МВт. Использование указанного количества в/в регулируемых электроприводов даст ориентировочную экономию электро энергии порядка 13,0 млрд.кВтч/год.
2. Для организации отечественного производства наукоемкой продук ции, которой являются в/в полупроводниковые преобразователи частоты для электропривода, необходимо выбрать топологию построения силовой части преобразователя. Был проведен анализ топологий в/в ПЧ по следую щим вариантам:
I бестрансформаторный выпрямитель, двухуровневый инвертор на пряжения;
II входной трансформатор, неуправляемый выпрямитель, трехуровне вый инвертор напряжения;
III бестрансформаторный активный выпрямитель, трехуровневый ин вертор напряжения;
IV двухтрансформаторная схема с низковольтным двухуровневым ин вертором и повышающим трансформатором;
V входной многообмоточный трансформатор, каскадное включение однофазных низковольтных инверторов;
VI управляемый выпрямитель, инвертор тока с ШИМ.
3. Проведено компьютерное моделирование рассмотренных вариантов топологий в/в преобразователей частоты с целью анализа гармонического состава выходных напряжений и токов и определения параметров выход ных фильтров. Наихудшие значения коэффициента искажения имеют двух уровневые инверторы напряжения. Их использование без выходных фильт ров недопустимо. Трехуровневые инверторы напряжения также требуют выходных фильтров, однако их мощность будет примерно на 40% меньше, чем для двухуровневых. Каскадные многоуровневые инверторы напряже ния с многообмоточным трансформатором имеют форму выходного на пряжения и тока, близкую к синусоидальной. Инверторы тока с ШИМ тре буют установки С-фильтров значительной мощности.
4. Определены достоинства и недостатки рассмотренных вариантов в/в преобразователей частоты, на основе чего проведена их многокритериаль ная оценка. Оценка проводилась по следующим технико-экономическим показателям: себестоимости, эксплуатационной надежности, качества элек троэнергии на выходе преобразователя, электромагнитной совместимости с питающей сетью, к.п.д., массогабаритным показателям. Оценка производи лась на основе методики эвристической многокритериальной оценки с ис пользованием нечеткой логики.
5. В результате проведенного всестороннего сопоставления вариантов топологий выработаны следующие рекомендации:
· Для массового применения для регулируемых в/в электроприводов широкого класса рабочих машин наилучшими показателями обладают пре образователи, выполненные по топологии «Многообмоточный входной трансформатор с многоуровневым каскадным соединением инверторов».
· Перспективной по мере повышения параметров силовых полупро водниковых приборов является топология «Бестранформаторный активный выпрямитель, трех(четырех)уровневый инвертор напряжения».
· Преобразователи, выполненные по топологии «Входной трансфор матор, управляемый выпрямитель, инвертор тока с ШИМ», несмотря на свою высокую стоимость, могут найти применение для особо ответствен ных установок мощностью свыше 2500 кВт.
6. Рекомендации, полученные в работе, были использованы при созда нии промышленных регулируемых электроприводов большой мощности.
Создан учебно-лабораторный стенд с физической моделью в/в преобразо вателя частоты, выполненного по топологии «Многоуровневый инвертор напряжения с многообмоточным трансформатором».
Публикации автора по теме диссертации, научные статьи, опуб ликованные в изданиях по списку ВАК 1. Краснов, Д.В. Оценка потребности в высоковольтных регулируемых электроприводах переменного тока/ Краснов Д.В., Онищенко Г.Б. // Изв.
ТулГУ. техн. наука. вып. 3, часть 1., 2010, С.73-82.
2. Краснов, Д.В. Оценка потребности в высоковольтных регулируемых электроприводах переменного тока / Краснов Д.В., Онищенко Г.Б. // При водная техника, 2008, № 6, с.3-13.
3. Краснов Д.В. Особенности топологии высоковольтных преобразова телей частоты для регулируемого электропривода переменного тока/ Крас нов Д.В. // Приводная техника. 2009. № 5, с.18-27.
4. Краснов, Д.В. Энергосбережение средствами электропривода/ Крас нов Д.В., Онищенко Г.Б. // Энергосбережение и водоподготовка, 2011, № 5, с.3-7.
Публикации в других изданиях 5. Краснов, Д.В. Исследование гармонического состава выходного на пряжения и тока высоковольтных преобразователей частоты/ Краснов Д.В., Онищенко Г.Б. // Приводная техника, 2011, № 3, с.2-12.
Патенты 6. Патент РФ на изобретение № 2397597 «Способ аварийного управле ния силовой ячейкой высоковольтного преобразователя частоты» /Краснов Д.В., Рязанцев А.А., Губанов О.В., / Приоритет от 6 апреля 2009.
7. Патент РФ на полезную модель № 85275 «Высоковольтный преоб разователь частоты» /Краснов Д.В., Рязанцев А.А., Губанов О.В., Лазарев Г.Б./ Приоритет от 6 апреля 2009.
Личный вклад автора В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат: расчет потребности в высоковольтных регулируемых электроприводах [1], оценка экономической эффективности [4], постановка задачи [6, 7].
Подписано в печать «»04.2012. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ.
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.