CC BY
7
DOI 10.36622/^Ти.2021.17.2.005 УДК 621.316.722.076.12
АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМИ РЕГУЛЯТОРАМИ МОЩНОСТИ АВТОКЛАВНЫХ УСТАНОВОК
В.Л. Бурковский1, Ю.В. Нефедов1, Ань Ту Ха1, В.Н. Крысанов2
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2ООО ПКФ «Современные Технологии», г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается вопрос комплексного принципа управления силовыми тиристорными регуляторами мощности автоклавных установок по производству полимерно-композитного материала. Для повышения уровня энергосбережения в асинхронных двигателях оборудования автоклава предлагается оригинальный алгоритм коммутации тиристорных ключей типового регулятора мощности на основе дополнительного использования системы импуль-сно-фазового управления, существенно снижающей токовую перегрузку. Для оценки эффективности предложенного алгоритма был определен уровень дополнительных потерь электроэнергии в асинхронных двигателях на основе сравнительного анализа повышенных значений его фазных токов во время переходного процесса. Разработанная имитационная модель автоматизированной системы управления автоклавом показала возможности данного алгоритма обеспечить требуемое демпфирование нежелательных переходных процессов в асинхронных двигателях, вызванных параллельной работой мощных термоэлектрических нагревателей и, как следствие, снижение дополнительных потерь электроэнергии. Разработанный алгоритм управления типового регулятора мощности автоклава позволяет обеспечить повышение уровня энергосбережения при постоянном контроле и корректировке гармонического состава напряжения электрооборудования установки. На основании результатов проведенного имитационного моделирования определены значения снижения среднецикловых дополнительных потерь электроэнергии в асинхронном двигателе вентилятора автоклава при поддержании требуемого уровня электромагнитной совместимости силового оборудования
Ключевые слова: управление, алгоритм, регулятор мощности, высшие гармоники, автоклавная установка, имитационное моделирование
Введение
Российская Федерация, более чем какое-либо другое развитое государство мира, заинтересовано в интенсивном развитии выпуска товаров и разнообразной продукции собственного производства, максимальной независимости от импортных поставок, особенно в ряде стратегических направлений. Политическая ситуация после 2014 г. на международном уровне показала крайне опасные тенденции для РФ с финансовой и промышленной точки зрения из-за импортной зависимости. В результате были приняты меры на законодательном уровне в виде вступления в силу закона о промышленной политике в РФ (К 488-Ф от 31 декабря 2014 г.). И уже с 2015 года началось создание правительственных комиссий по импорт замещению во многих отраслях РФ. Данная тема приобретает особую актуальность именно сейчас для стратегических материалов и технологий. Одно из ведущих мест этого списка занимают композиционные материалы из углепластика, позволяющие создавать легкие детали, по прочности превосходящие металлические. Они широко применя-
© Бурковский В.Л., Нефедов Ю.В., Ань Ту Ха, Крысанов В.Н., 2021
ются в авиационной, космической, военной промышленности, а также в перспективных технологических разработках народного хозяйства. Для производства полимерно-композитных материалов (ПКМ) используются разнообразные по производительности и конструкциям автоклавные установки. Однако с учетом жесткой технологии им всем присущ характерный структурный состав обязательного оборудования: нагревательные элементы, электрические вентиляторы и компрессоры, задача которых - создание равномерного теплового поля и определенной конкретным рецептом среды внутри автоклава. В производстве зачастую используются установки автоклава импортного производства европейских компаний, но есть и успешные отечественные модели. Например, уникальный автоклав, созданный компанией «Курганхиммаш». Можно отметить, что конструкция и материалы всех автоклавов созданы с учетом важности вопросов снижения потерь тепла во время процесса реакции. Вопросы энергосбережения в автоклавных установках крайне важны, т.к. доля затрат на используемую электроэнергию (ЭЭ) при производстве ПКМ составляет большую часть себестоимости готовой продукции. В связи с чем важно совершенствовать не только технологию производства ПКМ, но и реализовывать со-
временные аппаратные решения и принципы управления установками по снижению дополнительных потерь ЭЭ при работе автоклавов.
Постановка задачи
Как было отмечено выше, основными элементами автоклава являются мощные термоэлектрические нагреватели (ТЭН), полупроводниковые устройства для регулирования их мощности, вентиляторы с регулируемым электроприводом (как правило, с асинхронным двигателем АД) и система управления всем электрическим оборудованием. Обычно электрическая мощность потребляемая ТЭН в 5-7 раз превышает суммарную электрическую мощность, потребляемую всеми остальными элементами автоклава. С точки зрения энергосбережения вопросы экономии ЭЭ потребляемой ТЭН лежат в плоскости обеспечения максимальной теплоизоляции емкости автоклава. А вот для снижения потерь ЭЭ в асинхронном электроприводе мощных вентиляторов автоклавной установки необходимо максимально оптимизировать работу системы управления как ТЭН, так и АД по критерию снижения потерь ЭЭ. Эта задача многофакторная, и многие вопросы уже нашли свое решение [1-4]. В данной работе будет рассмотрен вопрос повышения уровня энергосбережения типовых автоклавных установок на основе снижения отрицательного влияния работы полупроводниковых регуляторов мощности ТЭН на дополнительные потери ЭЭ в АД вентиляторов.
Анализ работы автоклавных установок среднего класса (для мелкосерийного производства ПКМ, мощность ТЭН Р=550 кВт, мощность двух АД вентиляторов Р=90 кВт) показал особенность их работы, заключающуюся в существенном влиянии полупроводникового регулятора мощности (ПРМ) на входное напряжение АД вентилятора. Это явление связано с принципом работы ПРМ. Напряжение, подаваемое на ТЭН, регулируется с помощью изменения количества включенных интервалов тири-сторных ключей, т.е. реализуется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) напряжения, питающего ТЭН. В свою очередь, при такой модуляции напряжения в моменты подключения ТЭН к сети наблюдается значительная просадка напряжения на АД вентилятора, который сидит на одной шине с нагревателями. Необходимо отметить, что двигатель, включенный параллельно мощным ТЭН и при постоянных ко-
лебаниях регулируемого напряжения с субчастотой в f = 2-5 Гц, находится в режиме периодических переходных процессов напряжения на АД фазных токов. А в соответствии с типовой и-образной характеристикой АД (рис. 1) это сопровождается и подобными переходными процессами фазных токов [5].
Рис. 1. Зависимость фазного тока АД от напряжения питания
Эффект постоянного колебания напряжения будет тем значительней, чем меньше запас по установленной мощности имеет цеховой питающий трансформатор. Для такого случая на рис. 2 показаны графики напряжения и тока имитационной модели ТЭН и АД при работе ПРМ в режиме ШИМ.
Рис. 2. Токи и напряжения имитационной модели автоклавной установки
Как видно из полученных диаграмм имитационной модели автоклавной установки, периодические подъемы напряжения сопровождаются большим увеличением фазных токов АД и в соответствии с теорией электропривода данные переходные процессы будут характеризоваться существенными дополнительными пусковыми потерями ЭЭ [6, 7].
Это связано с физикой электромеханического преобразования энергии в АД, когда во время указанных переходных процессах реализуются динамические нагрузки, увеличение момента двигателя, кратковременные перегрузки двигателя, вызывающие значительное увеличение интегральных потерь энергии в двигателе и снижение его КПД. Для количественного учета влияния переходных процессов в АД на нагрев двигателя требуется расчет энергии потерь в двигателе и его цепях за время переходного процесса, с учетом его каталожных данных. Далее будет проведена качественная оценка дополнительных потерь ЭЭ в АД на основе сравнительного анализа повышенных значений его фазных токов во время переходного процесса.
Учитывая, что в соответствии с технологией автоклавного производства ПКМ (по нагреву и вентиляции) ПРМ и АД практически постоянно включены в период работы установки, то целесообразно предусмотреть дополнительные схемотехнические и алгоритмические решения для снижения этих дополнительных потерь в АД вентиляторов.
Решение сформулированной задачи
Для решения сформулированной выше задачи, предложен новый алгоритм управления тиристорными группами ПРМ, при реализации которого могут быть существенно снижены значения фазных токов АД (и соответственно -дополнительные потери ЭЭ) в моменты отключения ТЭН.
Как было отмечено выше, типовой ПРМ обеспечивает регулирование мощности нагрева ТЭН путем ШИМ напряжения питания. Подключение ТЭН к сети сопровождается просадкой напряжения на обмотках АД вентилятора, а отключение ТЭН от сети сопровождается резким подъемом напряжения на обмотках АД вентилятора и, как следствие, переходным процессом с увеличенными фазными токами. Для снижения их уровня представляется целесообразным реализовать плавное понижение напряжения на выходе ПРМ как минимум в двух - трех периодах питающего напряжения, следующих после отключения ТЭН. Такое плавное снижение уровня напряжения питания АД возможно реализовать без применения дополнительной силовой аппаратуры на базе штатного ПРМ, применив лишь модернизированный алгоритм работы тиристорных ключей (ТК) с использованием импульсно-фазового управления ИФУ (рис. 3).
Установить задание ^ , пТБИ
Обнуление счетчика датчика ^
Прием аналогового сигнала датчика ^
Аналогово-цифровое преобразование сигнала датчика ^
Вычисление кол-ва интервалов ИФУ
Уменьшить на один содержимое счетчика датчика
Вычисление кол-ва интервалов включения ТК
^^ TDH?
Да
Отображение значения Ртен, TDH
Увеличить на один содержимое счетчика датчика
Прием аналогового сигнала датчика ^
Рис. 3. Алгоритм работы системы управления ПРМ автоклава
В штатной системе управления ПРМ поддержание требуемой температуры в емкости автоклава реализуется за счет задания в начале цикла уставки параметра температуры, а также предельно допустимого уровня высших гармонических (пТБИ). Далее сигнал задания сравнивается с оцифрованным сигналом реальной температуры в автоклаве и вырабатывается сигнал управления на требуемую мощность (количество интервалов включенного состояния ТК) электрических нагревателей. Параллельно включается АД вентилятора, создавая равномерный нагрев изделий. Как было отмечено выше, для снижения дополнительных потерь в АД от переходных процессов при отключении ТЭН каждый рабочий интервал включения нагревателей оканчивается несколькими полупериодами работы ТК в режиме ИФУ с нарастающей величиной угла открытия силовых тиристоров. Это демпфирует переходные процессы фазных токов. Однако при задании малых температур (режим понижения температуры) возможна ситуация, когда количество полупериодов работы ТК в режиме широтной модуляции сравнимо или меньше количества полупериодов работы ТК в режиме ИФУ. В этом случае значения ТБИ будут превышать уровни, нормируемые ГОСТом [8]. Для поддержания
заданного уровня пТБИ, предложенный алгоритм уменьшает количество полупериодов работы ТК в режиме ИФУ. После отработки циклов формирования оптимального, по критерию заданной температуры и заданного уровня пТБИ, режима энергосберегающего управления ТК (с малым перерегулированием фазных токов АД в переходных процессах) параметры текущих значений мощности нагрева ТЭН и уровня ТБИ напряжения на АД выводятся на дисплей управляющего комплекса автоклава. При снятии сиг-
нала задания по температуре все счетчики обнуляются, сигналы управления снимаются с ТК и вентилятора - происходит остановка работы оборудования нагрева автоклава.
Для подтверждения эффективности предложенного принципа энергоэффективного управления ПРМ было проведено имитационное моделирование основных элементов силового электрического оборудования автоклавной установки в программной среде МаЛаЬ Simulink [9-11] (рис. 4).
Рис. 4. Имитационная модель электрической части автоклавной установки
Основными элементами модели являются система цехового электроснабжения в виде генератора и согласующего силового трансформатора (S = 630 кВА), регулятор мощности ТРН, ТЭН (Р = 550 кВт, обозначены RLC Load), АД вентилятора (Р = 2х45 кВт), измерители тока и напряжения АД и ТЭН, а также уровня искажения формы напряжения на выходе полупроводникового регулятора мощности ТРН (измеряется суммарный коэффициент гармоник TDH типовым программным блоком Fast fourier transform, обозначенный на рис. 4 «измеритель»). Указанный блок «измеритель» выполняет необходимую функцию ограничения количества полупериодов и величины углов отпирания тиристорных ключей ПРМ в случае, когда величина TDH начинает превышать установленный ГОСТом уровень 8% в предложенном режиме энергосберегающего управления [8, 12].
В ходе имитационного моделирования режимов работы автоклава были реализованы различные вариации таких параметров, как задаваемая выходная мощность ТЭН, соотношения мощностей ТЭН, АД и питающего транс-
форматора, тактовая частота ШИМ ПРМ, количество полупериодов и величины углов отпирания тиристорных ключей ПРМ при переводе его на импульсно-фазовое управление. Результаты моделирования переводились в графический формат диаграмм токов и напряжений контрольных точек ТЭН и АД. Для примера на рис. 5 представлены диаграммы фазных токов и напряжений ТЭН и АД для варианта плавного снижения напряжения на выходе ПРМ в течение трех периодов после отключения ТЭН.
В данном случае были установлены углы отпирания тиристорных ключей: 50,120,150 эл. градусов (такая вариация оптимальна с точки зрения уровня действующего значения напряжения и уровня искажения его формы). Реализация такого принципа управления ключами сопровождается более плавным переходным процессом напряжения питания АД и, как следствие, не наблюдается значительное увеличение кратности его фазных токов. Сравнение переходных процессов предложенного и исходного принципов управления (например, по диаграммам рис. 4 и рис. 5) позволяет оценить уровень снижения
средней величины кратности фазных токов АД на 25-47%. Усреднено при десятипериодном тактовом интервале работы ПРМ такое снижение уровня переходных токов позволит снизить дополнительные потери ЭЭ в АД на 39-53%.
Рис. 5. Переходные процессы токов и напряжений имитационной модели автоклавной установки в режиме энергосберегающего управления
Выводы
1. На основании анализа основных энергетических параметров силового оборудования типового автоклава выявлено наличие субгармонических колебаний напряжения АД электропривода вентилятора, приводящих к дополнительным потерям электроэнергии.
2. Для повышения уровня энергосбережения АД автоклава предложен принцип демпфирования нежелательных переходных процессов в АД при работе тиристорного регулятора мощности автоклавной установки в режиме широтно-импульсного управления.
3. Разработан специальный алгоритм работы системы управления тиристорного регулятора мощности с использованием импульс-но-фазового управления.
4. Определен (39-53 %) уровень снижения дополнительных потерь электроэнергии в АД вентилятора автоклава при гарантированном поддержании нормируемого ГОСТом предельно допустимого значения суммарного коэффициента гармоник.
Литература
1. Нефедов Ю.В., Хайченко И.А., Бабенко В.В. Концептуальные вопросы энергосбережения в автоклавных установках производства полимерно-композитных материалов // Энергобезопасность и энергосбережения. 2020. № 4. С. 20-23.
2. Беляевский Р.В. Анализ влияния коэффициента загрузки асинхронных двигателей на потребление реактивной мощности // Вестник Кузбасского гос. тех. унив. 2010. № 6. С. 66 - 69.
3. Optimization of Electric Energy in Three-Phase Induction Motor by Balancing of Torque and Flux Dependent Losses / N. T. Hung, N. C. Thien, T. P. Nguyen, V. S. Le, D. A. Tuan // AETA 2013: Recent Advances in Electrical Engineering and Related Sciences. 2013. Рр. 497-507.
4. Хайченко И.А., Бабенко В.В., Нефедов Ю.В. Практические вопросы эксплуатации статических преобразователей для объектов промышленности // Технические науки: проблемы и решения: сб. материалов XXXVIII междунар. науч.-практ. конф. М., 2020. С. 89-99.
5. Sun D.S. Research on Voltage-Chopping and Energy-Saving Controlling Technology for Three-Phase AC Asynchronous Motor // Advanced Materials Research. 2012. Рр. 1033-1037.
6. Москаленко В.В. Электрический привод: учебник для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2007. 368 с.
7. Ключев В.И. Теория электропривода: учебник для вузов. М.: Энерго-атомиздат, 1985. 560 с.
8. ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». М.: Стандартинформ, 2014. 16 с.
9. Терёхин В.Б. Моделирование электропривода в SIMULINK (MATLAB 7.0.1). Томск: НИТПУ, 2010. 110 с.
10. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. СПб: КОРОНА принт, 2001. С. 320.
11. Atif Iqbal, Haitham Abu-Rub, Jaroslaw Guzinski. High Performance Control of AC Drives with Matlab // Sim-ulink Models WILEY. 2018. P. 502.
12. Крысанов В.Н., Нефедов Ю.В., Романов А.В. Контроль параметров электромагнитной совместимости модернизированного оборудования автоклавной установки // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т. 15. № 2. С. 77-81.
Поступила 01.02.2021; принята к публикации 15.04.2021 Информация об авторах
Бурковский Виктор Леонидович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, 20-летия Октября, 84), e-mail: bvl@vorstu.ru, тел. 8-(473) 255-77-25
Нефедов Юрий Васильевич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, 20-летия Октября, 84), e-mail: nefedowjurij@yandex,ru, тел. 8906-673-44-40
Ань Ту Ха - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, 20-летия Октября, 84), e-mail: haanhtu2509ru@gmail.com, тел. 8951-850-41-66
Крысанов Валерий Николаевич - канд. техн. наук, директор, ООО ПКФ «Современные технологии» (394026, Россия, г. Воронеж, проспект Труда, д. 65, корпус 4), e-mail: sovteh2000@mail.ru, тел. 8920-228-56-06, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1111-8402
ALGORITHMIZATION OF ENERGY-SAVING CONTROL OF THYRISTOR POWER REGULATORS OF AUTOCLAVE PLANTS
V.L. Burkovskiy1, Yu.V. Nefedov1, An Tu Ha1, V.N. Krysanov2
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2LC "Modern Technologies", Voronezh, Russia
Abstract: the article discusses the issue of the complex principle of thyristor power control of autoclave units for the production of polymer-composite material. To increase the level of energy saving in asynchronous motors of the autoclave equipment, we offer an original algorithm for switching thyristor keys of a typical power regulator based on the additional use of a pulse-phase control system that significantly reduces current overload. To evaluate the efficiency of the proposed algorithm, we determined the level of additional power losses in asynchronous motors based on a comparative analysis of the increased values of its phase currents during the transition process. The developed simulation model of the automated autoclave control system showed the capabilities of this algorithm to provide the required damping of undesirable transients in asynchronous motors caused by the parallel operation of powerful thermoelectric heaters and, as a result, reducing additional power losses. The developed control algorithm of a typical autoclave power regulator allows us to ensure an increase in the level of energy saving with constant monitoring and correction of the harmonic composition of the voltage of the electrical equipment of the plant. Based on results of simulated simulation, we determined values of reduction of average cycle additional losses of electric power in asynchronous motor of autoclave fan while maintaining required level of electromagnetic compatibility of power equipment
Key words: control, algorithm, power regulator, higher harmonics, autoclave installation, simulation
References
1. Nefedov Yu.V., Khaychenko I.A., Babenko V.V. "Conceptual issues of energy conservation in autoclave installations for the production of polymer-composite materials", Energy Security and Energy Conservation (Energobezopasnost' i ener-gosberezheniya), 2020, no. 4, pp. 20-23
2. Belyaevskiy R.V. "Analysis of the effect of the load factor of asynchronous motors on reactive power consumption", Bulletin of Kuzbass State Technical university (Vestnik Kuzbasskogo gos. tekh. univ.), 2010, no. 6, pp. 66-69
3. Hung N.T., Thien N.C., Nguyen T.P., Le V.S., Tuan D.A. "Optimization of electric energy in three-phase induction motor by balancing of torque and flux dependent losses", AETA 2013: Recent Advances in Electrical Engineering and Related Sciences, pp. 497-507.
4. Khaychenko I.A., Babenko V.V., Nefedov Yu.V. "Practical issues of operation of static converters for industrial facilities", Proc. of the XXXVIII Int. Sci. and Practical Conf.: Technical Sciences: Problems and Solutions (Tekhni-cheskie nauki: problemy i resheniya: sb. materialovXXXVIIImezhdunar. nauch.-prakt. konf.), Moscow, 2020, pp. 89-99
5. Sun D.S. "Research on voltage-chopping and energy-saving controlling technology for three-phase AC asynchronous motor", Advanced Materials Research, 2012, pp. 1033-1037. doi: 10.4028/www.scientific.net/amr.433-440.1033
6. Moskalenko V.V. "Electric drive" ("Elektricheskiy privod"), Moscow, Akademiya, 2007, 368 p.
7. Klyuchev V.I. "Theory of electric drive" ("Teoriya elektroprivoda"), Moscow, Energoatomizdat, 1985, 560 p.
8. GOST 32144-2013 "Electrical power. Compatibility of technical means is electromagnetic. Standards for the quality of electric energy in general-purpose power supply systems", Moscow, Standantinform, 2014, 16 p.
9. Teryokhin V.B. "Modeling of the electric drive in SIMULINK (MATLAB 7.0.1 )" ("Modelirovanie elektroprivoda v SIM-ULINK (MATLAB 7.0.1)"), Tomsk, NITPU, 2010, 110 p.
10. German-Galkin S.G. "Computer modeling of semiconductor systems in MATLAB 6.0" ("Komp'yuternoe modelirovanie poluprovodnikovykh sistem v MATLAB 6.0"), St. Petersburg, CORONA print, 2001, 320 p.
11. Atif Iqbal, Haitham Abu-Rub, Jaroslaw Guzinski "High performance control of AC drives with Matlab", Simulink Models WILEY, 2018, 502 p.
12. Krysanov V.N., Nefedov Yu.V., Romanov A.V. "Control of electromagnetic compatibility parameters of modernized autoclave installation equipment", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnich-eskogo universiteta), 2019, vol. 15, no. 2, pp. 77-81.
Submitted 01.02.2021; revised 15.04.2021
Information about the authors
Viktor L. Burkovskiy, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: bvl@vorstu.ru
Yuriy V. Nefedov, Graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: nefedowjurij@yandex.ru, tel. +7906-673-44-40
An Tu Ha, Graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: haanhtu2509ru@gmail.com, tel. +7951-850-41-66
Valeriy N. Krysanov, Cand. Sc. (Technical), director, LC "Modern Technologies" (56, b. 4 Truda prospect, Voronezh 394026, Russia), e-mail: sovteh2000@mail.ru, tel. +7920-228-56-06, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1111-8402
