Моделирование влияния на питающую сеть установки с двумя регулируемыми электроприводами

Хацевский Константин Владимирович; Шагаров Александр Анатольевич; Шагаров Дмитрий Анатольевич

Библиографический список

1. Теплотехника / А. М. Архаров [и др.]. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. — 712 с.

2. Селивёрстов, В. М. Утилизация тепла в судовых дизельных установках / В. М. Селивёрстов. — Л. : Судостроение, 1973. - 256 с.

3. Hutter, J. Energy efficiency in compressors and compressed air systems, International Rotating Equipment Conference 2008, Dusseldorf [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.boge.com/en/artikel/en/Effektiv/HRC.jsp?msf = = 250&switchlang = en (дата обращения: 20.01.2013).

4. Пластинин, П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчет / П. И. Пластинин. — М. : Колос, 2002. — 456 с.

5. Serrano J., Dolz V., Novella R., Garc A. HD Diesel engine equipped with a bottoming Rankine cycle as a waste heat recovery system. Part 2: Evaluation of alternative solutions. Applied Thermal Engineering 2012; 36(0): 279 — 87.

6. Тимофеевский, Л. О. Холодильные машины / Л. О. Тимо-феевский. — Спб. : Политехника, 1997. — 992 с.

7. Скакун, И. А. Винтовые компрессоры / И. А. Скакун. — Л. : Машиностроение, 1970. — 400 с.

ЮША Владимир Леонидович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Холодильная и компрессорная техника и технология».

БОЛШТЯНСКИЙ Александр Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Гидромеханика и транспортные машины».

ЧЕРНОВ Герман Игоревич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».

МАРЧЕНКО Елена Викторовна, магистрант группы ХТМ-513.

ГОРАЙ Максим Францевич, аспирант кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».

Адрес для переписки: yusha@omgtu.ru

Статья поступила в редакцию 09.10.2013 г.

Е. В. Марченко, М. Ф. Горай

УДК 621.313-333-07 К. В. ХАЦЕВСКИЙ

А. А. ШАГАРОВ Д. А. ШАГАРОВ

Омский государственный технический университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НА ПИТАЮЩУЮ СЕТЬ УСТАНОВКИ С ДВУМЯ РЕГУЛИРУЕМЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ________________________________________________________

В статье выполнены исследования влияния переходных процессов в электроприводе на питающую сеть методами математического моделирования в программном пакете MATLAB. Получены осциллограммы токов и напряжений на элементах схемы, диаграммы спектрального состава сетевого тока.

Ключевые слова: асинхронные электродвигатели, полупроводниковые частотные преобразователи, электропривод, питающая сеть, ток фазы, фазное напряжение.

В России все большее количество предприятий жидкости. Кроме того, обеспечивается надежный

пищевой промышленности переходит на комплекс- плавный пуск электропривода при токах ниже но-

ное автоматизированное производство. Это нужно минального, снижение аварийности питающей сети

для уменьшения потерь при производстве, увеличе- и механического передаточного механизма и, следо-

ния количества выпускаемой продукции и уменьше- вательно, увеличение межремонтного периода.

ния времени, затрачиваемого на это производство, Большинство явлений, происходящих в электри-

что делает предприятие конкурентоспособным на ческих сетях и ухудшающих качество электриче-

внутреннем и внешнем рынках. ской энергии, происходит в связи с особенностями

В пищевой промышленности применяется огром- совместной работы электроприемников и электри-

ное количество насосов для перекачки различных ческой сети [1].

жидкостей, мойки оборудования, а также смешения Полупроводниковые преобразователи имеют неразличных компонентов. Для приведения в действие линейную вольт-амперную характеристику, следо-

насосов, в большинстве случаев, используют асин- вательно, потребляют ток, форма кривой которого

хронные электродвигатели. При автоматизации отличается от синусоидальной. А протекание такого

производства управление работой электроприводов тока по элементам электрической сети создает на

насосов осуществляют при помощи полупроводни- них падение напряжения, отличное от синусоидаль-

ковых частотных преобразователей, что дает воз- ного, это и является причиной искажения синусои-

можность регулирования потока перекачиваемой дальной формы кривой напряжения. Деформация

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013

Т»{М-т)

£|дпя(!

ЭУ РШ Сепега1^г1

Т«(Ичп)

Рис. 1. Модель фруктопитателя в пакете Matlab/SimPowerSystem

Рис. 2. Графики скоростей электроприводов насосов фруктов (wm (RPM)) и основы (wm 1(RPM))

Рис. 3. График тока !с фазы

синусоиды напряжения приводит к увеличению потерь, а в крайних ситуациях даже к нарушениям работы машин и оборудования [2, 3].

Круг вопросов, посвященных проблеме высших гармоник в электрических сетях, состоит в следующем:

— в оценке электромагнитной совместимости источников высших гармоник и других нагрузок, т. е. влиянии гармоник на электроустановки;

— в оценке возникающего при этом экономического ущерба;

— в количественной оценке высших гармоник тока, генерируемых различными нелинейными нагрузками;

— в прогнозировании значений высших гармоник тока и напряжения, а также снижении уровня гармонических составляющих [4].

Рис. 4. График фазного напряжения Uc

а)

б)

Рис. 5. Графики спектрально анализа тока ^ (а) и напряжения Ц. (б) питающей сети в момент разгона электроприводов

Станция дозирования фруктов (фруктопитатель) используется на многих молочных предприятиях для смешения молочного (кисломолочного) продукта (основы) с фруктовым вареньем, при этом получается продукт с фруктовым наполнителем. Система управления станции является сложным аппаратно-программным комплексом, включающим в свой состав программируемый логический контроллер и графическую панель оператора. Кроме того, в состав системы входят регулируемые электроприводы насосов, электромагнитные и массовые расходомеры, а также отсечные клапаны. Основа и фрукты смешиваются в определенной пропорции, задаваемой оператором с панели оператора. Подача основы и фруктов регулируется скоростью вращения насосов подачи и контролируется расходомерами. Принцип работы станции дозирования фруктов заключается в следующем: на машине розлива имеется продуктовый бачок, определенного объема. При запуске машины розлива и фруктопитателя контроллер станции дает сигнал на запуск насосов. Насосы запускаются и начинают смешивать основу с фруктами в нужной пропорции. В зависимости от

заданной пропорции контроллер рассчитывает частоту вращения каждого насоса. После наполнения продуктового бачка и срабатывания верхнего уровня в бачке насосы останавливаются. Когда уровень в бачке опускается до среднего уровня, насосы снова запускаются, тем самым уровень в бачке постоянно поддерживается.

В данной статье рассмотрим влияние работы полупроводниковых преобразователей электроприводов, станции дозирования фруктов, на питающую сеть. На рис. 1 изображена упрощенная модель фруктопитателя. В данной модели представлены источник питания, генерирующий синусоидальное трехфазное напряжение 3B0 В (50 Гц), два асинхронных электродвигателя на 1,1 кВ (фрукты) и 3 кВ (основа) и два полупроводниковых преобразователя (1 и 2), с открытым контуром регулирования скорости асинхронного двигателя.

Влияние станции на питающую сеть будем оценивать по гармоническому составу тока фазы Ic и фазного напряжения Uc сети, на основании анализа суммарного гармонического искажения — Total Harmonic Distortion (THD) [5]. Анализ будем прово-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013

*

30 FwdmiMUl (5СНг)«7.67, №20.16%

‘ 1 i I I 1 1 1 1 1 1

18 - -

16 - -

- 14 - -

1 ,г 1 10

18 - -

* 6 - -

1 - -

2 I I I x -

-■all . 1

0 2 4 Б a io 12 Harmonic order 14 16 1Б 20

а)

б)

Рис. 6. Графики спектрально анализа тока 1с (а) и напряжения ис (б) питающей сети при работе электроприводов на заданных скоростях

б)

Рис. 7. Графики спектрально анализа тока 1с (а) и напряжения ис (б) питающей сети в момент торможения электроприводов

дить для трех режимов работы электроприводов: разгон, работа на заданной скорости, торможение.

Нагрузка электроприводов является насосной, для этого в модели созданы блоки Te и Te1 (рис. 1) учитывающие данный характер нагрузки, согласно формуле Mc = рмех-ю2 [6].

В соответствии с принципом действия станции для задания частоты вращения насосов в модели имеются блоки Speed Setpoint (RPM) и Speed Setpoint (RPM) 1 (рис. 1).

Для анализа работы станции смоделируем рабочую ситуацию — электроприводу фруктов устано-

вим скорость 850 об/мин, основы — 1225 об/мин, после 1,5 сек работы электроприводы остановятся (рис. 2).

Из графиков скоростей видно, что разгон произошел с 0 до 0,15 с, работа на заданной скорости — с 0,15 с до 1,5 с, торможение — с 1,5 с до 1,54 с.

Полученные графики тока 1с и напряжения ис представлены соответственно на рис. 3 и рис. 4.

В соответствии с графиками скоростей были проведены спектральные анализы тока 1с и напряжения ис питающей сети. Полученные графики представлены на рис. 5, 6, 7.

Проанализировав полученные графики (рис. 5, 6, 7) мы видим, что, независимо от режима работы электроприводов, в гармоническом составе тока 1с и напряжения ис питающей сети помимо первой (основной) гармоники, также присутствуют высшие гармоники. При этом: 5-я гармоника (250 Гц) присутствует при всех режимах работы; 7-я, 11-я, 13-я, 17-я, 19-я гармоники (350, 550, 650, 850, 950 Гц соответственно) присутствуют при разгоне и работе на заданной скорости. Также видим, что в гармоническом составе отсутствуют гармоники, кратные трем, так как электроприводы являются симметричной нагрузкой, соединенной по схеме «звезда».

В ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» указано предельно допустимое значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в сетях 0,38 кВ, равное 12 %. В нашем случае при работе электроприводов фрук-топитателя коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения значительно больше 12 %, а в некоторые моменты времени достигал 23,3 %. В ГОСТ 13109-97 также указаны нормально допустимые значения коэффициента п-ой гармонической составляющей напряжения, которые в нашем случае тоже значительно превышены.

Из графика фазного напряжения ис видно, что в момент разгона в сети происходит падение напряжения, что может сказаться на работе другого оборудования, подключенного к данной сети.

Выводы. Проведя моделирование работы фрук-топитателя, мы увидели, что происходит негативное влияние на питающую сеть, выраженное в падении напряжения при пуске, а также значительное превышение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения.

Для борьбы с проблемами следует провести ряд мероприятий по разработке и внедрению системы подавления высших гармоник.

Библиографический список

1. Зиновьев, Г. С. Основы силовой электроники / Г. С. Зиновьев. — Новосибирск : НГТУ, 2003. — 336 с.

2. Зиновьев, Г. С. Прямые методы расчета энергетических показателей вентильных преобразователей / Г. С. Зиновьев. — Новосибирск : НГТУ, 1990. — 220 с.

3. Вопросы моделирования устройств обеспечения качества электрической энергии / А. Г. Лютаревич [и др.] // Омский научный вестник. — 2013. — № 1 (117) — С. 168 — 173.

4. Хацевский, К. В. Анализ причин несинусоидальной формы напряжения в системах электроснабжения / К. В. Хацевский, А. А. Шагаров // Применение инновационных технологий в научных исследованиях : сб. науч. ст. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. — Курск, 2011. — С. 69.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Черных, И. В. SIMULINK: среда создания инженерных приложений / И. В. Черных. — М. : ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. — 496 с.

6. Герман-Галкин, С. Г. Модельное исследование основных характеристик силовых полупроводниковых преобразователей. Моделирование устройств силовой электроники / С. Г. Герман-Галкин // Силовая электроника. — 2008. — № 1. — С. 92-99.

ХАЦЕВСКИЙ Константин Владимирович, кандидат технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий». ШАГАРОВ Александр Анатольевич, аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

ШАГАРОВ Дмитрий Анатольевич, магистрант группы РЗА-612.

Адрес для переписки: xkv-post@rambler.ru

Статья поступила в редакцию 11.09.2013 г.

Книжная полка

621.3/Ф33

Фёдоров, В. К. Математические методы анализа электрических цепей и систем : учеб. электрон. изд. локального распространения : учеб. пособие / В. К. Фёдоров, Л. Д. Фёдорова ; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2013. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).

В учебном электронном издании освещены вопросы, касающиеся теоретических основ прямого метода анализа стационарных режимов сложных схем замещения электрических цепей с позиций системных функций сопротивления на основе матриц коэффициентов распределения задающих токов. Рассмотрен новый топологический метод определения коэффициентов токораспределения на основе деревьев графа сложной схемы электрической цепи, уделено внимание анализу и синтезу электрических цепей на основе системных функций сопротивления. Предназначено для магистрантов направлений 140400.68 «Электроэнергетика и электротехника» (дисциплина «Дополнительные главы математики») и 210100.68 «Электроника и наноэлектроника» (дисциплина «Методы математического моделирования»).

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

Modeling of impact on the supply network installation with two adjustable electric drives

Текст научной работы на тему «Моделирование влияния на питающую сеть установки с двумя регулируемыми электроприводами»