CC BY
7
м
Гульназ Ержановна Димукашева Gulnaz E. Dimukasheva
студент кафедры
«Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Булат Ринатович Зекрин Bulat R. Zekrin
студент кафедры
«Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Роман Вячеславович Кириллов Roman V Kirillov
доцент базовой кафедры «Электроэнергетика и электротехнологии» в составе «Электротехника и электрооборудование предприятий»,
Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Дмитрий Сергеевич Стрельников Dmitry S. Strelnikov
студент кафедры
«Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Регина Тагировна Хазиева Regina T. Khazieva
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
УДК 620.92
DOI: 10.17122/1999-5458-2022-18-3-4-13-22
АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ПРИВОДА МАГИСТРАЛЬНОГО НАСОСНОГО АГРЕГАТА
Актуальность
Актуальной и значимой становится в наши дни проблема экономии потребления электроэнергии. Большое количество электродвигателей эксплуатируются нерационально ввиду малоэффективной системы регулирования или её отсутствия. Большинство из этих двигателей используются для магистральных насосных агрегатов. Использование современных технологий частотно-регулируемого электропривода позволяет сэкономить не менее 20 % электроэнергии по сравнению с классическими методами регулирования и повысить устойчивость электродвигателя.
Цель исследования
В данной статье анализируется устойчивость частотно-регулируемого магистрального насосного агрегата при провалах питающего напряжения. Целью работы является анализ устойчивости при провалах напряжения и условий самозапуска электродвигателя при восстановлении напряжения. Для достижения цели произведена оценка статической и динамической устойчивости асинхронного двигателя, влияния напряжения питания асинхронного двигателя на его устойчивость по результатам математического моделирования.
Методы исследования
В данном исследовании были использованы следующие методы: изучение научной литературы, компьютерное моделирование, выполненное в программном комплексе Matlab/Simulink.
Результаты
Авторами осуществляется анализ устойчивости частотно-регулируемого асинхронного привода магистрального насосного агрегата, где в процессе исследования показано, что устойчивость работы преобразователя частоты и привода чувствительна к провалам напряжения в сети питания. Компьютерная модель исследуемого объекта разработана в программном комплексе Matlab/Simulink. В результате моделирования получены осциллограммы угловой скорости ротора.
Ключевые слова: электропривод, магистральный насос, асинхронный двигатель, частотное регулирование, преобразователь частоты, математическая модель, коэффициент полезного действия
ANALYSIS OF STABILITY OF A THE VARIABLE-FREQUENCY DRIVES OF THE MAIN PUMPS
Relevance
The problem of saving electricity consumption is becoming a topical and important issue nowadays. A large number of electric motors are operated irrationally due to inefficient or non-existent control systems. Most of these motors are used for mainline pumping units. The use of modern technologies of frequency-controlled electric drive makes it possible to save at least 20% of electric power in comparison with classical methods of regulation and increase the electric motor stability.
Aim of research
The stability of a frequency-controlled main pumping unit in case of supply voltage failures is analyzed. The aim of the work is to analyze the stability in case of voltage dips and the conditions for self-starting of the electric motor during voltage recovery. To achieve this aim, there was made an assessment of the static and dynamic stability of an asynchronous motor, the influence of the supply voltage of an asynchronous motor on its stability according to the results of mathematical modeling.
Research methods
In this study, the following methods were used: a study of the scientific literature, computer simulation performed in the Matlab/Simulink software package.
Results
The authors analyze the stability of the frequency-controlled asynchronous drive of the main pump unit, where in the process of research it is shown that the stability of the frequency converter and drive is sensitive to voltage dips in the supply network. The computer model of the investigated object was developed in the Matlab/Simulink software package. As a result of modeling the oscillograms of angular velocity of the rotor were obtained.
Keywords: electric drive, main pump, induction motor, frequency regulation, frequency converter, mathematical model, efficiency
14 -
Electrical and data processing facilities and systems. № 3-4, v. 18, 2022
Асинхронные электродвигатели (АД), составляющие большую часть электрических машин на сегодняшний день, используются как основные преобразователи электрической энергии в механическую. Доля асинхронных двигателей составляет большую часть от числа всех электродвигателей, выпускаемых промышленностью, также они составляют подавляющую часть промышленной нагрузки. Из-за своих высоких механических и эксплуатационных характеристик, больших значений КПД и низкой стоимости асинхронные электродвигатели получили такое широкое распространение. Большое практическое значение имеет анализ условий для поддержания стабильной работы электропривода [1].
Из-за нарушений устойчивой работы электрических машин нарушается работа технологических процессов. Это приводит к тяжелым последствиям, устранение которых занимает много времени и сил оперативного персонала. Поэтому вопросу обеспечения достаточного уровня устойчивости при проектировании и при их эксплуатации необходимо уделять большое внимание.
Актуальной и значимой становится в наши дни проблема экономии потребления электроэнергии. Большое количество электродвигателей эксплуатируются нерационально ввиду малоэффективной системы регулирования или её отсутствия. Большинство из этих двигателей используются для магистральных насосных агрегатов. Использование современных технологий частотно-регулируемого электропривода позволяет сэкономить не менее 20 % электроэнергии по сравнению с классическими методами регулирования [2].
В данной статье рассматривается поведение частотно-регулируемого магистрального насосного агрегата при возмущениях в системе электроснабжения и
определение параметров электропривода, влияющих на устойчивость работы.
В работе поставлена цель исследовать статическую и динамическую устойчивость АД магистрального насосного агрегата и влияние напряжения на устойчивость АД.
Для достижения цели решаются задачи:
— исследование и анализ статической и динамической устойчивости АД;
— исследование влияния частоты питающего напряжения на характер изменения скорости вращения, электромагнитного момента и тока одной фазы статора электродвигателя при снижении напряжения в питающей сети.
Для исследования устойчивости был рассмотрен режим работы электропривода с частотой f = 50 Гц.
Модель частотно-регулируемого асинхронного электропривода магистрального насосного агрегата, построенная в среде Simulink пакета MatLab [3], с помощью которой была исследована устойчивость при исчезновении напряжения, изображена на рисунке 1.
Модель содержит: трехфазный программируемый источник напряжения, неуправляемый выпрямитель, низкочастотный фильтр — LC фильтр, IGBT инвертор, управляющийся ШИМ-генератором импульсов, модель электродвигателя и блок, в котором реализована модель насоса относительно момента сопротивления на валу приводного двигателя [4].
Модель насоса относительно создаваемого им момента сопротивления на валу приводного двигателя представлена на рисунке 2.
В окне настроек блока Three-Phase Programmable Voltage Source был задан период исчезновения напряжения U = 0 c 10 по 16 с с последующим его восстановлением до значения 0,5^^.
Рисунок 1. Модель высоковольтного частотно-регулируемого асинхронного
электропривода
Figure 1. Model of high voltage frequency-controlled asynchronous electric drive
Рисунок 2. Модель насоса относительно момента сопротивления
Figure 2. Model of the pump with respect to the drag torque
Скалярный — это принцип управления, который изменяет значения амплитуды и питающего напряжения по следу-
В окне настройки данных блока Block Parameters: Asynchronous Machine SI Units были заданы параметры, которые были получены в результате расчетов схемы замещения асинхронной машины, схема замещения приведена на рисунке 3 [5].
Существуют два принципа, позволяющих управлять частотными преобразователями — скалярный и векторный.
ющему закону: и
— = const,
fn '
(1)
где п>1.
Преимущества данного способа — это доступность и простота в реализации частотного управления.
Рисунок 3. Т-образная схема замещения асинхронного двигателя Figure 3. T-chart of asynchronous motor substitution
Векторный принцип — это принцип, который позволяет максимально приблизить параметры асинхронного электропривода к характеристикам привода постоянного тока. Достигается данная особенность благодаря разделению каналов регулирования потокосцепления и скорости вращения электродвигателя.
Для регулирования скорости АД используется скалярное частотное регулирование, которое является наиболее целесообразным, эффективным и перспективным способом регулирования для турбомеханизмов. При частотном регулировании, с целью поддержания постоянства магнитного потока, при одновременном изменении частоты необходимо изменять напряжение в следующем соотношении U/f = const (закон частотного управления для вентиляторной нагрузки).
Механическая характеристика магистрального насоса имеет сложную форму с падающим участком. Рабочий участок механической характеристики магистрального насоса может быть описан уравнением:
2
Мс = Мсо + (МСном - Мсо) , (2)
где МС.ном — момент сопротивления производственного механизма при номинальной угловой скорости вращения вала;
МС0 — момент сопротивления от трения в движущихся частях производственного механизма;
ю — угловая скорость турбомеханизма;
юном — номинальная угловая скорость вращения вала [6].
Асинхронный двигатель при медленно изменяющемся возмущении постепенно нагружается до значения опрокидывающего момента.
Предельное снижение скорости вращения электродвигателей — до границы опрокидывания — может определяться величиной критического скольжения. В этом случае может быть применен обычный критерий устойчивости асинхронного электродвигателя:
dM,
ds
- > О при Мс = const
или
^д_^£>0приМс = Мс(п),
ds ds г L LV J
(3)
(4)
где Мд — вращающий момент электродвигателя;
Мг
сопротивление на валу электро-
двигателя.
Эти неравенства означают, что при снижении напряжения режим работы электродвигателя должен сохраняться на устойчивой части его механической характеристики.
Величина опрокидывающего момента асинхронного электродвигателя зависит от напряжения и частоты:
М,
max
(U,n = Mmax(?) , (5)
где Мтах — кратность опрокидывающего момента электродвигателя при номинальных значениях напряжения и частоты.
- 17
На основании этой зависимости и критерия устойчивости можно определить допустимый провал напряжения по условию сохранения устойчивой работы включенных электродвигателей:
<б)
где Мскр — момент сопротивления на валу электродвигателя при критическом скольжении для вентиляторного момента.
Указанный критерий определяет устойчивость работы всей электроустановки в целом, ибо если электродвигатели в процессе затормаживания достигнут критический скольжений, то полные их сопротивления и коэффициент мощности резко уменьшатся, и ток в цепи питания возрастет [7].
При быстром изменении возмущения динамический момент алгебраически складывается с электромагнитным моментом двигателя [8].
Инерция (запасенная системой энергия) также имеет большое влияние на работу привода.
Для анализа устойчивости и режима работы двигателя при возмущении в питающей сети сравниваются значения вращающего электромагнитного момента двигателя и тормозного статического момента механизма [9].
В случае если электромагнитный момент двигателя больше тормозного статического момента механизма, то возникает положительный динамический момент, что приведет к дальнейшему возрастанию скорости, пока не наступит установившийся режим.
В другом варианте, если электромагнитный момент двигателя меньше тормозного статического момента механизма, то возникает отрицательный динамический момент, он будет противодействовать движению привода, будет наблюдаться снижение скорости, и двигатель будет тормозить, пока не наступит установившийся режим [10].
Двигатель работает устойчиво, если он вернулся в изначальное состояние после прекращения возмущении в сети [11].
В начальный момент времени / = 0 с осуществляется запуск электродвигателя. При этом он плавно и быстро разгоняется до номинальной скорости вращения и в момент времени / = 4 с выходит на номинальный режим работы, который длится на промежутке времени с 4 по 10 с. В период времени ? = 10 с происходит исчезновение напряжения.
На рисунке 5 представлены полученные в результате моделирования осциллограммы угловой скорости ротора, электромагнитного момента и тока одной фазы статора при исчезновении напряжения с 10 по 16 с и с последующим его восстановлением до 50 % от номинального значения (рисунок 6).
Как видно из графика угловой скорости ротора (рисунок 5, а), при исчезновении питания в момент времени / = 10 с значение скорости снижается до нуля, так как появился тормозной момент, под действием которого двигатель начинает процесс торможения.
Электромагнитный момент сохраняет постоянство за счёт установившихся значений напряжения за исключением временного интервала электромагнитных переходных процессов (рисунок 5, Ь) и восстанавливается до значения 1 кНм в момент времени / = 16 с.
В результате исследования было выявлено, что при восстановлении напряжения до 0,5 ^ном в момент времени / = 16 с в АД происходят броски тока.
При исчезновении напряжения в момент времени / = 16 с случилось опрокидывание двигателя, потому что значение скольжения 5 при торможении оказалось больше значения предельного скольжения 5пр. Следовательно, момент сопротивления механизма стал больше максимального момента двигателя и появился отрицательный динамический момент — АМдин, само-
aj
t
эоо
PDÍÍ/c
200
IDO
о
щ
2
ИИ-н
t
м
-г
ej
t
зоос
А 2 ООО
1 ООО
о
■ 10ОО -2000 -зооо!
Rotor speed
1-1 -1 1 i
г
/
——
j 1
Ю f 15 20
EreclcomagneUc (arque
ío
t
гь
го
SlAior cufirent
10
15
£4
25
26
25 " ЗО
u 1 1 -:— L-1 1
w 1
r □ 1
1 i i i
30
F-1-f- -г-
J
1 í i
ЭО
Рисунок 5. Осциллограммы при исчезновении напряжения: угловой скорости ротора (a), электромагнитного момента (b), тока одной фазы статора (c)
Figure 5. Oscillograms when the voltage disappears: of rotor angular velocity (a), of electromagnetic torque (b), of current of one stator phase (c)
HOC
в
T *
у 'J006
4000 -íflí»
10
15
20
| i_ -- _ _;
1 i -í ,, _
25
30
Рисунок 6. Осциллограмма напряжения в сети 6 кВ при исчезновении напряжения
и его восстановления до 50 %
Figure 6. Oscillogram of voltage in 6 kV network during voltage loss and its recovery up to 50 %
запуск не был обеспечен. В реальных после прекращения воздействия, значит
условиях это могло бы привести к наруше- он работает неустойчиво.
нию технологического процесса. Дви- При выбеге возможно использование
гатель не вернулся в исходное состояние динамического торможения, которое в
- 19
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3-4, т. 18, 2022
отличие от режима свободного выбега, когда торможение осуществляется лишь за счет момента статического сопротивления, характеризуются появлением тормозных моментов, за счет которых остановка двигателя происходит за более короткое время [12-16]. Но в данной работе такой вид торможения не применяется и не рассматривается, так как целью данной работы является анализ устойчивости электродвигателя [17].
На рисунке 7 видно, что чем ниже частота напряжения, питающего электродвигатель, тем ниже относительное снижение скорости вращения двигателя за время исчезновения напряжения. Потери мощности при частотном регулировании невелики, поскольку не сопровождаются увеличением скольжения. Получаемые при этом механические характеристики
lnl Мп 1«л2 Рисунок 7. Механические характеристики асинхронного электродвигателя для нагрузки вентиляторного характера
Figure 7. Mechanical characteristics of asynchronous electric motor for fan load
Список источников
1. Белов МП., Новиков В.А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. М.: Академия, 2007. C. 101— 102.
2. Проектирование систем частотного регулирования: каталог. М.: Dandoss, 2012. 4 с.
20
обладают высокой жесткостью. Следовательно, преобразователь частоты повышает устойчивость работы электропривода и магистрального насоса, что является преимуществом при обеспечении бесперебойности технологического процесса.
Выводы
В процессе исследования показано, что устойчивость работы преобразователя частоты и привода чувствительна к провалам напряжения в сети питания. Устойчивость также зависит от режима работы привода, при котором происходит провал напряжения. С уменьшением потребляемой мощности возрастает устойчивость привода.
Был сделан вывод, что вопрос обеспечения устойчивости асинхронного двигателя имеет большое значение, так как нарушение технологического процесса по причине аварии, вызванное нарушением устойчивости работы электрических машин, приводит к серьёзным последствиям, на ликвидацию которых затрачивается большое количество времени. Также данный вопрос актуален не только для магистральных насосных агрегатов, но и для поршневых и газопоршневых насосов.
Восстановление напряжения должно быть таким, чтобы значение скольжения при затормаживании оказалось меньше значения предельного скольжения. Также следует не допускать появления отрицательного динамического момента, в таком случае будет обеспечен самозапуск электродвигателя.
3. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в МАТЬАВ, SimPower-Systems и ЗтиНпк. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.
4. Горюнов В.Н., Хацевский К.В., Шага-ров А.А., Шагаров Д.А. Исследование влияния полупроводниковых преобразователей на питающую сеть на основе математических моделей
// Омский научный вестник. 2013. № 2 (120). C. 125-126.
5. Радин В.И. Электрические машины: Асинхронные машины. М.: Высш. шк., 1988. С. 98-101.
6. Епифанов А.П. Основы электропривода. СПб.: Лань, 2009. 192 c.
7. Коломиец А.П. Электропривод и электрооборудование. М.: КолосС, 2007. 328 c.
8. Жданов П.С. Вопросы устойчивости электрических систем. М.: Энергия, 1979. 456 с.
9. Tong W. Mechanical Design of Electric Motors. Radford, CRC Press Publ., 2017. P. 321322.
10. Paul C., Oleg W., Scott D. Analysis of Electric Machinery and Drive Systems. Radford, Wiley-IEEE Press Publ., 2002. P. 407-408.
11. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода. М.: Энергоиздат, 1981. С. 32-33.
12. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод. М.: ACADEMA, 2004. 202 с.
13. Коломиец А.П. Электропривод и электрооборудование. М.: КолосС, 2007. 328 с.
14. Усольцев А.А. Современный асинхронный электропривод оптико-механических комплексов. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. 164 с.
15. Воронин П.А. Системы управления частотно-регулируемого асинхронного электропривода: методические указания по курсу «Системы управления электроприводов». Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2011. 51 с.
16. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: ACADEMA, 2006. 265 с.
17. Димукашева Г.Е., Стрельников Д.С., Зекрин Б.Р., Хазиева Р.Т. Изучение устойчивости работы частотно-регулируемого асинхронного электропривода магистрального насосного агрегата // Булатовские чтения: сб. ст. IV Междунар. науч.-практ. конф. 2020. С. 275-280.
References
1. Belov M.P., Novikov V.A., Rassu-dov L.N. Avtomatizirovannyi elektroprivod tipo-vykh proizvodstvennykh mekhanizmov i tekhno-logicheskikh kompleksov [Automated Electric Drive of Typical Production Mechanisms and Technological Complexes]. Moscow, Akademiya Publ., 2007, pp. 101-102. [in Russian].
2. Proektirovanie sistem chastotnogo regu-lirovaniya: catalog [Design of Frequency Control
Systems: Catalog]. Moscow, Dandoss Publ., 2012. 4 p. [in Russian].
3. Chernykh I.V. Modelirovanie elektro-tekhnicheskikh ustroistv v MATLAB, SimPower-Systems i Simulink [Modeling of Electrical Devices in MATLAB, SimPowerSystems and Simulink]. Moscow, DMK Press Publ.; Saint-Petersburg, Piter Publ., 2008. 288 p. [in Russian].
4. Goryunov V.N., Khatsevskii K.V., Shaga-rov A.A., Shagarov D.A. Issledovanie vliyaniya poluprovodnikovykh preobrazovatelei na pitayu-shchuyu set' na osnove matematicheskikh modelei [Investigation of the Effect of Semiconductor Converters on the Power Supply Network Based on Mathematical Models]. Omskii nauchnyi vestnik — Omsk Scientific Herald, 2013, No. 2 (120), pp. 125-126. [in Russian].
5. Radin V.I. Elektricheskie mashiny: Asinkhronnye mashiny [Electric Machines: Asynchronous Machines]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1988, pp. 98-101. [in Russian].
6. Epifanov A.P. Osnovy elektroprivoda [Fundamentals of Electric Drive]. Saint-Petersburg, Lan' Publ., 2009. 192 p. [in Russian].
7. Kolomiets A.P. Elektroprivod i elektro-oborudovanie [Electric Drive and Electrical Equipment]. Moscow, KolosS Publ., 2007. 328 p. [in Russian].
8. Zhdanov P.S. Voprosy ustoichivosti elektricheskikh system [Stability Issues of Electrical Systems]. Moscow, Energiya Publ., 1979. 456 p. [in Russian].
9. Tong W. Mechanical Design of Electric Motors. Radford, CRC Press Publ., 2017, pp. 321322.
10. Paul C., Oleg W., Scott D. Analysis of Electric Machinery and Drive Systems. Radford, Wiley-IEEE Press Publ., 2002. P. 407-408.
11. Chilikin M.G. Obshchii kurs elektroprivoda [General Course of Electric Drive]. Moscow, Energoizdat Publ., 1981, pp. 32-33. [in Russian].
12. Braslavskii I.Ya., Ishmatov Z.Sh., Polya-kov V.N. Energosberegayushchii asinkhronnyi elektroprivod [Energy-Saving Asynchronous Electric Drive]. Moscow, ACADEMA Publ., 2004. 202 p. [in Russian].
13. Kolomiets A.P. Elektroprivod i elektro-oborudovanie [Electric Drive and Electrical Equipment]. Moscow, KolosS Publ., 2007. 328 p. [in Russian].
14. Usol'tsev A.A. Sovremennyi asinkhronnyi elektroprivod optikomekhanicheskikh kompleksov [Modern Asynchronous Electric Drive of Optical-Mechanical Complexes]. Saint-Petersburg, SPbGU ITMO, 2011. 164 p. [in Russian].
15. Voronin P. A. Sistemy upravleniya chas-totnoreguliruemogo asinkhronnogo elektro-privoda: metodicheskie ukazaniya po kursu «Sistemy upravleniya elektroprivodov» [Control Systems of Frequency-Controlled Asynchronous Electric Drive: Methodological Guidelines for the Course «Control Systems of Electric Drives»]. Orenburg, IPK GOU OGU, 2011. 51 p. [in Russian].
16. Sokolovskii G.G. Elektroprivody pere-mennogo toka s chastotnym regulirovaniem [Alter-
nating Current Electric Drives with Frequency Control]. Moscow, ACADEMA Publ., 2006. 265 p. [in Russian].
17. Dimukasheva G.E., Strel'nikov D.S., Zekrin B.R., Khazieva R.T. Izuchenie ustoichivosti raboty chastotno-reguliruemogo asinkhronnogo elektroprivoda magistral'nogo nasosnogo agregata [Studying the Stability of the Operation of a Frequency-Controlled Asynchronous Electric Drive of the Main Pumping Unit]. Sbornik statei IV Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Bulatovskie chteniya» [Collection of Articles of the IV International Scientific and Practical Conference «Bulatov Readings»]. 2020, pp. 275-280. [in Russian].
