Разработка и исследование систем и алгоритмов управления синхронным частотно-регулируемым электроприводом турбомеханизмов

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

Москва 2012 2

Работа выполнена на кафедре Автоматизированного электропривода федерального государственного бюджетного образовательного учрежде ния высшего профессионального образования «Национального исследова тельского университета «МЭИ».

Научный консультант:

Осипов Олег Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры Автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ».

Официальные оппоненты:

Шевырев Юрий Вадимович, доктор технических наук, доцент, профес сор кафедры «Электрификация и энергоэффективность горных предпри ятий» Московского государственного горного университета;

Кузьмин Иван Константинович, кандидат технических наук, руководи тель группы сектора «Комплектного электропривода» ООО «Элпро-Рус» Ведущее предприятие: ООО УК «РОСВОДОКАНАЛ» г. Москва

Защита диссертации состоится 15 июня 2012 года в аудитории М- 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 ФГБОУ 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: [email protected].

Автореферат разослан « » мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157. канд. техн. наук, доцент Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Энерго – и ресурсосбережение наряду с инфор матизацией и компьютеризацией в различных технологических процессах является одним из основных направлений технической политики во всех развитых странах мира, не исключая и Россию. Существенной составляю щей в этом направлении является применение регулируемого электропри вода ЭП для турбомеханизмов (насосов, турбокомпрессоров, дымососов, вентиляторов и т. п. механизмов). Особая роль в подобных электроприво дах больших мощностей (свыше 250 кВт) принадлежит высоковольтному частотно-регулируемому синхронному электроприводу, обладающему бо лее высокими, по сравнению с асинхронным электроприводом, энергети ческими показателями. При этом для группы турбомеханизмов, работаю щих на общую выходную магистраль, более экономичным решением явля ется использование лишь одного преобразователя частоты ПЧ с возможно стью его работы с любым из электродвигателей группы и переключением их от ПЧ к питающей сети и обратно.

В области автоматического управления и регулирования режимов ра боты 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 отечест венных ВУЗах и НИИ. При этом, однако, не уделялось должного внимания проблемам согласования технологических и энергетических режимов ра боты преобразователя частоты, синхронного двигателя и его возбудителя при работе группы технологически взаимосвязанных турбомеханизмов.

Таких режимов работы, например, как частотный пуск и частотное регули рование производительности турбомеханизма, согласованное включение в работу необходимого числа турбомеханизмов, прямой пуск и работа от пи тающей сети, переключение источника питания СД от ПЧ к сети при жест ком согласовании выходного напряжения ПЧ по амплитуде, частоте и фа зовому сдвигу с напряжением питающей сети при одновременном регули ровании технологического параметра.

Как правило, модернизация синхронного электропривода турбомеха низмов связана с установкой не только ПЧ, обеспечивающих регулирова ние скорости синхронных двигателей, но и с заменой технически устарев ших их возбудителей. При этом для резервирования питания и осуществ ления технологической надежности работы приводных двигателей требу ется сохранять возможность его прямого пуска и работы в нерегулируемом режиме. Отсюда вновь устанавливаемый возбудитель должен обеспечи вать все режимы работы СД: асинхронный пуск двигателя при питании его от сети, частотный пуск, режим переключения питания двигателя и регу лирование энергетических показателей привода в соответствии с техноло гическими режимами работы турбомеханизма. Подобная многофункцио нальность работы возбудителя накладывает дополнительные требования на его систему и алгоритмы управления, законы формирования тока воз буждения и взаимосвязи между собой СД, преобразователя частоты и воз будителя.

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

Внедрение в состав электропривода турбомеханизмов новых техниче ских средств (ПЧ, программируемых контроллеров, АСУТП) на основе микропроцессорной техники одновременно сопровождается проблемой обеспечения их электромагнитной совместимости (ЭМС) в реальных про мышленных условиях эксплуатации привода. Это требует анализа элек тромагнитной обстановки (ЭМО) в районе расположения элементов элек тропривода турбомеханизма, и при необходимости принятия мер по обес печению их ЭМС.

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

Целью диссертационной работы является разработка, совершенст вование и исследование систем и алгоритмов управления синхронного час тотно-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 частот но-регулируемого синхронного электропривода;

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

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

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

- разработки систем диагностирования, сбора и обработки перемен ных 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 экс периментальных исследований синхронных ЭП турбомеханизмов.

Методика исследований. Теоретические исследования основывались на общих положениях теории электропривода и теории автоматического управления, методов структурного моделирования, аппарата булевой ал гебры и теории электромагнитного поля. Экспериментальные исследова ния проводились в электроприводах действующих насосных станций и турбокомпрессорных установках осциллографированием переменных электроприводов с использованием программы DriveMonitor и программ ного обеспечения системы визуализации процесса InTouch WonderWare.

Для исследования электромагнитной обстановки использовался разрабо танный 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 опре делены допустимые уровни рассогласования параметров синхронизируе мых напряжений (амплитуд напряжений и фазовых сдвигов между ними) при подобных переключениях и их взаимосвязь с режимами работы элек тропривода;

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

3. Разработаны алгоритмы управления током возбуждения СД, обес печивающие согласованную работу возбудителя в технологических режи мах работы, как насосных станций, так и компрессоров, а также регулиро вание тока возбуждения по минимуму реактивной мощности.

Практическая ценность и реализация работы заключаются в сле дующем:

1. Предложены и реализованы принципы управления технологиче скими режимами работы электропривода группы турбомеханизмов с об щей выходной магистралью.

2. Разработана математическая модель СД, обеспечивающая его адек ватное 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.

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

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

5. Определены спектральные характеристики напряженности электри ческого и магнитного полей в районе расположения элементов электро привода компрессора. Обеспечена их электромагнитная совместимость.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований апро бированы при внедрении высоковольтных синхронных частотно регулируемых электроприводов насосных станций Большекамского водо забора БКВ и Чусовских очистительных сооружений ЧОС-2 (г. Пермь), а также привода поршневого компрессора Нефтеперерабатывающего завода (г. Москва), обеспечив заметное увеличение энергетических и технологи ческих показателей по сравнению с прежней системой регулирования. В итоге модернизации насосной станции снизились эксплуатационные рас ходы на оборудование из-за отсутствия гидравлических ударов в выход ных трубопроводах за счет стабилизации давления воды и плавности его регулирования. Повысилась энергоэффективность, и как следствие сни зились 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) электро приводов турбомеханизмов.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждены правомерностью принятых исходных допущений и предпо сылок, корректным применением методов теорий электропривода и авто матического управления, результатами практической реализации и экспе риментальных исследований разработанных алгоритмов и принципов управления, а также энергетических режимов работы синхронных частот но-регулируемых электроприводов турбомеханизмов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Алгоритмы системы управления технологическими режимами ра боты высоковольтных синхронных частотно-регулируемых электроприво дов турбомеханизмов.

2. Математическая модель системы ПЧ-СД с многоуровневым авто номным 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 фор мирования тока возбуждения СД по минимуму потребляемой им реактив ной 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 электропри водов турбомеханизмов, обеспечивающая диагностирование технического состояния и режимов работы синхронного частотно-регулируемого элек тропривода турбомеханизмов.

6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований раз работанных алгоритмов и систем управления синхронными частотно регулируемыми электроприводами турбомеханизмов, их энергетических режимов работы и спектральных характеристик напряженностей электри ческого 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 Всероссий ской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Тула, г.), на XV, XVI Международных научно-технических конференциях сту дентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г.

Москва, 2009, 2010 гг.).

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

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе на примере электропривода насосных агрегатов пере качивающей станции определены технологические особенности работаю щих в группе электроприводов турбомеханизмов и требования к ним. Рас смотрены 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 техноло гическим алгоритмом его работы (рис. 1). Здесь: TV – питающий транс форматор;

1.1 6.1 – ячейки питания от сети приводов насосов;

ПЧ – пре образователь частоты;

Q – высоковольтный выключатель;

1.2 6.2 – ячей ки 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. 6.5 – ЭП задвижек на выходе насосов;

1.6 6.6 – датчики давления на вы ходе насосов;

1.7 6.7 – датчики давления на входе насосов;

7 и 8 – 1-ый и, соответственно, 2-ой датчики давления на напорном коллекторе;

Х1 – сиг налы индикации и управления высоковольтными ячейками;

Х2 – сигналы от датчиков давления;

Х3 – сигналы информационной сети Profibus;

Х4 – сигналы индикации и управления ЭП задвижек;

Х5 – сигналы индикации и управления ЭП насосов;

Х6 – сигналы сети промышленного интернета.

Рис. 1. Функциональная схема электропривода насосной станции.

Шкаф видеотерминальной станции (ШВТС) содержит программируе мый логический контроллер (ПЛК), предназначенный для: реализации ал горитмов управления электроприводами, включая режим переключения питания двигателя с ПЧ на сеть;

приема и обработки аналоговых и дис кретных 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 электро привода, визуализации состояния и режима работы электропривода, архи вации основных координат ЭП. Шкаф управления ЭП (ШУЭП) обеспечи вает 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 элек трической сетях. Регулирование давления происходит за счет изменения частоты вращения электродвигателя, питающегося от ПЧ. При неисправ ности 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 n-го количества электро приводов турбомеханизмов при работе с одним ПЧ на одну выходную ма гистраль по аналогии со схемой рис. 1. В качестве примера ниже приведен фрагмент предложенного алгоритма в виде уравнений алгебры логики, описывающих формирование команд на включение n-го приводного дви гателя насоса «От ПЧ» ( Y3n ) и «От сети» ( Y4n ):

Y3n = Х 3n ( q51 q52... q5N ) q6n q7 q8 q10n q13n Y1n ;

Y4n = Х 3n q13n Y2n, где: Х3n – пуск n-го приводного двигателя;

q5n – включенное состояние ка меры регулируемого напряжения и частоты n-го приводного двигателя;

q6n – включенное состояние сетевой камеры n-го приводного двигателя;

q7 – включенное состояние вводного разъединителя секции шин регули руемого напряжения и частоты;

q8 – состояние готовности ПЧ к работе;

q10n – состояние готовности возбудителя n-го приводного двигателя к рабо те;

q13n – аварийное состояние силовой цепи n-го приводного двигателя;

Y1n – выбран режим работы n-го приводного двигателя «От ПЧ»;

Y2n – вы бран режим работы n-го приводного двигателя «От сети». При равенстве сигналов на включение n-го приводного двигателя Y3n или Y4n логической единице включается камера регулируемого напряжения и частоты или се тевая камера n-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 «Большекамский водозабор» г. Пермь.

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

Во второй главе разработана и апробирована модель СД с электро магнитным 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 син хронного частотно-регулируемого электропривода на базе ПЧ с много уровневой широтно-импульсной модуляцией, приведены результаты мо делирования 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 Uмз и частоты fз, Q1 – выключатель на выходе ПЧ;

Q2 – сетевой выключатель;

К1 и К2 – логические управляющие сигналы выключателей Q1 и Q2 соответственно;

Iпч и Iдв – действующие значения токов ПЧ и дви гателя соответственно;

SM – синхронная машина, представленная в модели уравнениями электромагнитных и электромеханических процессов в СД;

L – выходной дроссель для ограничения уравнительного тока при пере ключениях источника питания двигателя;

ОВ – обмотка возбуждения СД с питанием от тиристорного возбудителя ТВ;

Мс – нагрузка вентиляторного типа, свойственная приводу насосов.

Рис. 3. Зависимость максимального значения тока статора Iдв от раз ности амплитуд Um % и фазовых сдвигов о напряжений ПЧ и пи тающей сети в режиме переключения питания СД.

На основе анализа режимов переключения питания СД от ПЧ на сеть определены допустимые значения рассогласования их напряжений по ам плитуде Um и по фазе 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 рассогласова ний рассматриваемых напряжений;

- отклонения напряжений на выходе ПЧ и сети принимались по ам плитуде Um в пределах не более ±5% от номинального их значения и по фазе – ±2 градуса, что характерно для программного обеспечения сис тем управления большинства промышленных ПЧ;

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

- сигналы К2 на включение Q2 и К1 для отключения Q1 подавались с выдержкой времени между собой, равной 60 мс в соответствии с реальны ми временами срабатывания высоковольтных вакуумных выключателей.

Рис. 4. Зависимость максимального значения тока ПЧ IПЧ от разно сти амплитуд Um % и фазовых сдвигов о напряжений ПЧ и пи тающей сети в режиме переключения питания СД.

Результаты моделирования, представленные на рис. 3 и рис. 4, позво ляют наглядно в зависимости от амплитудных и фазовых отклонений на пряжений 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 на пряжений на выходе ПЧ и сети при номинальной нагрузке СД во время его переключения с ПЧ на сеть будут находиться в пределах:

по амплитуде напряжений Um доп ±1 %;

по фазовому сдвигу доп ±2 градуса.

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

На основе результатов моделирования предложен закон формирова ния амплитуды и частоты регулируемого напряжения статора (табл. 1) при частотном пуске СД с постоянным моментом сопротивления от ПЧ со скалярной структурой управления, обеспечивающий при ограни чении тока статора на уровне номинального значения уверенное втягива ние в синхронизм вначале пуска и устойчивую работу уже при 10% номи нальной скорости.

Таблица Темп нарастания частоты и амплитуды напряжения статора 0 0.01837 0.053 0.1 0 0.02 0.04 0.1 0 0.9185 1.325 1, сек 0 0.6 1 Как видно из табл. 1 в период времени сек задается пони женное относительно номинального соотношение, а в период сек – повышенное, что предлагается для переходного процесса при втягивании разгоняющегося ротора в синхронизм с полем статора. С мо мента времени 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 Гц/с.

Доказана адекватность применения рассмотренных математических моделей с целью исследования подобных режимов работы СД при проек тировании 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 технологическо го параметра, переключения его питания от ПЧ на сеть.

Предложен алгоритм управления системой возбуждения СД, объеди няющий 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).

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

При диагностике режимов работы и технических состояний СД в предлагаемой системе управления возбудителем учитываются одновре менно несколько функциональных критериев и доступных измерению пе ременных 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-6кВ. Это гарантирует достовер ный и своевременный анализ аварийных режимов работы СД.

Предложены системы формирования тока возбуждения СД по мини муму потребляемой им реактивной мощности, а также варианты их техни ческой 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: Qз – задание рекуперируемой реактивной мощности;

Q – реальное значение реактивной мощности в диктующей точке;

WpQ(p) – ПИ регулятор реактивной мощности;

Wpтв(p) – ПИ-регулятор тока возбужде ния;

f(M) –многомерная передаточная функция между током возбуждения и реактивной мощностью, зависящая от момента нагрузки СД и опреде ляемая передаточным коэффициентом KQ и постоянной составляющей Q0, соответствующей нулевому току возбуждения на прямой зависимости Q (Iв);

QVAR – переменная составляющая реактивной мощности при нену левом 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 U-образную характеристику двигателя. Определив по ней минимумы тока статора при соответствующих токах возбуждения (точки, где cos() = 1), аппроксимировать их полиномом второго порядка. Для смещения с неус тойчивой точки работы СД, где cos() = 1, достаточно незначительно (на 2...3%) увеличить постоянную составляющую C уравнения и получить для исследуемого СД зависимость типа:

, где – коэффициенты полученного полинома второго порядка.

Предлагаемые принципы формирования тока возбуждения экспери ментально 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, техно логических режимов разработанных систем и алгоритмов их управления на примере электропривода насосного агрегата станции ЧОС-2 (г. Пермь).

Также освещены решения проблем обеспечения электромагнитной совмес тимости элементов электропривода турбомеханизма в реальных условиях его эксплуатации. Разработана и реализована система управления давлени ем 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 осу ществлялась с помощью разработанной системы регистрации, обработки и визуализации переменных электроприводов насосных агрегатов станции ВТС. Так, на рис. 7 представлены изменения скорости вращения ротора n, тока статора I, тока возбуждения Iв, напряжения статора U, активной мощ ности P и момента двигателя M во время плавного пуска СД от ПЧ.

Рис. 7. Осциллограммы координат системы ПЧ-СД при пуске.

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, ограничение темпов разгона и торможения приводов, стабилизация давления в выходном трубопроводе насосной станции с точностью не менее 98 % от установившегося значения. Про блема обеспечения ЭМС элементов электропривода решалась экспери ментальным исследованием ЭМО в районе их расположения в системах управления возбуждением СД. Для ее оценки использовался разработан ный комплект устройств анализа спектра напряженностей электрического и магнитного полей, датчики которых были тарированы в эталонных маг нитном и электрическом полях соответственно.

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

В рабочем режиме тиристорного возбудителя напряженность элек трического поля в указанных точках достигала 80 и 78 В/м при частотах 1050 и 400 Гц. В диапазоне частот 1700…7000 Гц наблюдалась напряжен ность 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 соот ветственно 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 Определены технологические особенности и обобщены допус 1.

тимые режимы работающих в группе электроприводов турбомеханизмов на примере насосных агрегатов насосной станции и обоснованы техноло гические и эксплуатационные требования к их синхронным частотно регулируемым электроприводам.

Рассмотрены способы регулирования производительности на 2.

сосной станции, методика определения ожидаемого экономического и тех нологического эффектов от частотного регулирования скорости насосов.

Предложена функциональная схема электропривода насосной станции в соответствии с технологическим алгоритмом его работы.

Определены логические взаимосвязи между входными и вы 3.

ходными сигналами управления электроприводами насосной станции и на их основе предложен алгоритм управления работой группы n-го количест ва электроприводов турбомеханизмов при работе на одну выходную маги страль.

Разработана и апробирована в программе PSim математическая 4.

модель синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением в ре жимах пуска, регулирования частоты вращения, переключения его питания с ПЧ на питающую сеть. Приведены результаты моделирования этих ре жимов, доказывающие адекватность применения рассмотренных матема тических моделей с целью исследования подобных режимов работы СД при проектировании систем электропривода на его основе.

На основе результатов моделирования предложен закон фор 5.

мирования амплитуды и частоты регулируемого напряжения статора, тока возбуждения при частотном пуске СД от ПЧ со скалярной структурой управления.

В результате моделирования режимов переключения питания 6.

СД от ПЧ на сеть определены допустимые значения рассогласования па раметров синхронизируемых напряжений (амплитуд напряжений и фазо вых сдвигов между ними) при подобных переключениях и уровень их рас согласований от режимов работы электропривода.

Обусловлено применение систем возбуждения синхронных 7.

двигателей с цифровым управлением в современном частотно регулируемом электроприводе, входящем в общую структуру АСУТП предприятия. Дан пример подобных систем с возможностью регулирова ния тока возбуждения по любому необходимому закону.

Предложен принцип формирования тока возбуждения по ми 8.

нимуму реактивной мощности СД и поддержания его коэффициента мощ ности вблизи единицы, рассмотрены варианты его технической реализа ции. При использовании рассмотренного принципа существует возмож ность компенсации реактивной мощности в диктующей точке питающей энергосистемы с помощью подключенного к ней синхронного двигателя.

Величина компенсируемой реактивной мощности будет обусловлена огра ничением тока статора СД и, соответственно, режимом работы технологи ческого процесса.

Экспериментально доказана применимость предложенного 9.

принципа формирования тока возбуждения в системах, как с прямым воз буждением, так и в бесщеточных во всех технологических и энергетиче ских режимах работы СД, обеспечивающего высокие энергетические пока затели.

Экспериментальные исследования синхронных частотно 10.

регулируемых электроприводов насосов станции ЧОС-2 подтвердили ра ботоспособность и высокое качество регулирования производительности насосной станции для разработанных алгоритмов и систем их управления.

Обеспечено: плавное регулирование скорости приводов во всем его диапа зоне, ограничение темпов разгона и торможения приводов, стабилизация давления в выходном трубопроводе насосной станции.

Предложенная система сбора, обработки и визуализации пере 11.

менных электропривода насосной станции показала свою эффективность в организации процесса регулирования производительности насосной стан ции. Разработанная система позволяет диагностировать штатные и аварий ные ситуации, текущее состояние электроприводов насосной станции и способствует повышению надежности их работы.

Предложено устройство для исследования ЭМО в районе рас 12.

положения основных элементов электропривода и на его основе определе ны спектральные характеристики напряженностей электрического и маг нитного полей в системах управления возбуждением СД, его силовых ка белей. Это позволило конструктивно определить области расположения проводников связи в цепях управления тиристорными возбудителями СД.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований апро бированы при внедрении высоковольтных синхронных частотно регулируемых электроприводов насосных станций Большекамского водо забора БКВ и Чусовских очистительных сооружений ЧОС-2 (г. Пермь), а также привода турбокомпрессора Нефтеперерабатывающего завода (г. Мо сква), 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 трубо проводах за счет стабилизации давления воды и плавности его регулиро вания. Повысилась энергоэффективность, и как следствие снизились рас ходы на перекачку чистой воды, уменьшилась ее себестоимость. Разрабо танная видеотерминальная станция и принципы диагностирования элек трооборудования насосной станции нашли применение и для вновь разра батываемых в ООО «Русэлпром-Мехатроника» (г. Москва) комплектах электроприводов турбомеханизмов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Иванов Г.М., Осипов О.И., Дронов А.С., Кузин К.А. «Проблемы и опыт модернизации высоковольтных синхронных электро приводов 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. «Видео терминальная станция электропривода резиносмесителя» // Из вестия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: Ч. 3, стр. 47. Тула:

изд-во ТулГУ, 2010.

3. Кузин К.А., Камнев А.М. «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 водоснабже ния» // Электропривод и системы управления // Труды МЭИ. Вып.

684. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009.

Осипов О.И., Кузин К.А., Мусин М.Д., Мельников Д.Н. «Анализатор 5.

электромагнитных полей в районе расположения элементов электро привода» // Электропривод и системы управления // Труды МЭИ.

Вып. 685– М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - стр. 29-32.

Кузин К.А., Осипов О.И. «Алгоритмы логического управления ре 6.

жимами работы электроприводов насосной станции» // Электротех нические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. – стр. 122-127.

Кузин К.А. «Анализатор электромагнитных полей в районе распо 7.

ложения элементов электропривода» // Радиоэлектроника, электро техника 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.

Осипов О.И., Кузин К.А., «Моделирование переключения синхрон 8.

ного двигателя от преобразователя частоты на сеть» // Электропри вод и системы управления // Труды МЭИ. Вып. 687– М.: Издатель ский дом МЭИ, 2011. - стр. 4-8.