CC BY-NC
15
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-2-S-I-53-59 УДК: 681.51:62-83
А.В. Вынгра1, А.С. Соболев1 , С.Г. Черный1'2
1 ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет», Керчь, Россия
2 ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова», Санкт-Петербург, Россия
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ С ИНТЕГРАЦИЕЙ ПРОГРАММИРУЕМЫХ РЕЛЕ И АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ
В работе рассмотрены актуальные вопросы модернизации систем управления, произведен обзор областей применения новых программируемых реле ОВЕН ПР103, обеспечивающих непрерывную передачу информации по протоколу Ethernet. Также рассмотрен вопрос интеграции силовых активных фильтров в цепи питания электроприводом при модернизации автоматических систем управления.
Произведен анализ областей применения активных фильтров, спроектирована тестовая система, включающая электроприводы компрессоров и автоматизированную многоканальную систему управления с интегрированными активными фильтрами. Произведены испытания, результаты которых показали повышение эффективности работы систем автоматики за счет обеспечения высоких параметров тока нагрузки электропривода и обеспечения связи с программируемыми логическими контроллерами ОВЕН ПЛК110.
Произведен лабораторный эксперимент интеграции активного силового фильтра интергармонических составляющих тока и многоканальной системы управления электроприводами на базе новейшего программируемого реле ОВЕН ПР103. Результаты исследования будут полезны при модернизации промыслового флота Российской Федерации, а также при проектировании и разработках новейших судов.
Ключевые слова: программируемое реле, активный фильтр, судовой электропривод. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-2-S-I-53-59 UDC: 681.51:62-83
A. Vyngra1, A. Sobolev1 , S. Chernyi1-2
1 Kerch State Marine Technological University, Kerch, Russia
2 Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping, St. Petersburg, Russia
AUTOMATED CONTROL SYSTEM FOR ELECTRIC DRIVES WITH INTEGRATION OF PROGRAMMABLE RELAYS AND ACTIVE FILTERS
This paper discusses relevant challenges in upgrade of control systems and reviews possible applications of new programmable relays OVEN PR10 for non-stop Ethernet data transmission. It also discusses integration of active power filters in feeding circuits of electric drives with upgraded automatic control systems.
The study analyses the applications of active filters and suggests a testing system that consists of electric compressor drives and automated multi-channel control system with integrated active filters. The tests performed under this study have shown that automatic systems work more efficiently if they are fed by high-quality loading current from their electric drives and are governed by OVEN PLC110 programmable logic controllers.
Для цитирования: Вынгра А.В., Соболев А.С., Черный С.Г. Автоматизированная система управления электроприводами с интеграцией программируемых реле и активных фильтров. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; Специальный выпуск 2: 53-59.
For citations: Vyngra A., Sobolev A., Chernyi S. Automated control system for electric drives with integration of programmable relays and active filters. Transactions of Krylov State Research Centre. 2021; Special Issue 2: 53-59 (in Russian).
This paper also describes a case study: laboratory experiment on integrating active power filter for interharmonic current components with multi-channel drive control system based on cutting-edge programmable relay OVEN PR103. The results of this study could be useful for the upgrade of Russian fishing fleet, as well as for design and development of innovative ships.
Keywords: programmable relay, active filter, marine electric drive.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Introduction
При проектировании многоканальных систем управления с большим количеством исполнительных механизмов возникает проблема обеспечения безотказности работы автоматики и высокого качества передачи управляющих сигналов. Причиной появления описанной проблемы является понижение качества напряжения при коммутации исполнительных механизмов. В настоящей работе предложено решение в виде внедрения в силовые цепи исполнительных механизмов силового активного фильтра, который позволит повысить качество синусоиды напряжения посредством компенсации гармонических составляющих тока, возникающих при неравномерной нагрузке и в пусковых режимах.
Увеличение количества и мощности нелинейных нагрузок связано с быстрым развитием современной электроники. С точки зрения экономии силовая электроника сделала использование энергии более эффективным. Однако электронные устройства и электроприводы с переменной нагрузкой, применяемые на судах, привели к проблемам с качеством электросети. Избежать нелинейной нагрузки в энергосистеме невозможно, поэтому перспективным решением этой проблемы является использование активных силовых фильтров. Применение таких устройств необходимо для взаимосвязей между генераторами и потребителями в будущем.
Научный задел исследования
Scientific background
В статье [1] рассмотрен пример реализации программы для схемы приоритетов, подключения программируемых реле и организации связи между ними. Авторы работы [2] на основе математических моделей спроектировали автоматизированную систему управления уровнем жидкости, обеспечивающую демонстрацию функциональных возможностей программно-технических средств ОВЕН. В статье [3] рассматриваются особенности организации лабораторного комплекса для изучения базовых типовых средств автоматизации: промышленных логических
контроллеров, операторных панелей, регуляторов. Предлагаются подходы, обеспечивающие комплексность изучения технических средств, наглядность представления результатов, придание учебным работам исследовательского характера.
В части интеграции активных фильтров в многоканальную систему управления электроприводами компрессоров авторами работы [2] предложено применение активных фильтров для повышения качества электроэнергии на судне. Приведена структурная схема активного фильтра. Изучены методики проектирования силовых электронных устройств. Спроектировано устройство преобразования постоянного напряжения в переменное синусоидальное напряжение на платформе отладочной платы STM32F4. Устройство способно генерировать сигнал заданной частоты и амплитуды, включая интергармонические составляющие, что позволяет применить его в качестве активного фильтра тока для систем питания, применяемых на судах.
Обзор областей применения программируемого реле ОВЕН ПР103
Possible applications for OVEN PR103 programmable relay
ОВЕН ПР103 (рис. 1) - программируемое реле для управления вентиляцией, отоплением, насосами
.tiit:::isiiiääiis " Ч
ПР1Ш
Рис. 1. Программируемое реле ОВЕН ПР103 Fig. 1. Programmable relay OVEN PR103
Рис. 2. Система управления вентиляцией на базе ОВЕН ПР103 Fig. 2. Ventilation control system based on OVEN PR103 relays
и другим оборудованием. Главными преимуществами прибора являются широкий функционал и высокая плотность каналов ввода/вывода.
В корпусе 7DIN располагаются 40 аналоговых и дискретных входов/выходов. Для расширения собственных входов/выходов предусмотрено подключение по внутренней шине модулей расширения ПРМ. В ПР103 может быть до 2 интерфейсов RS-485 на борту: для управления устройствами по сети и передачи данных на верхний уровень.
Также большим нововведением является поддержка Ethemet-интерфейса, что значительно повышает универсальность и расширяет области применения. Написание алгоритма осуществляется пользователем на языке FBD с помощью бесплатной среды программирования OwenLogic. Загрузка алгоритма производится с помощью кабеля тюш^В.
Область применения такого программируемого реле весьма обширна: от создания автоматизированной системы вентиляции на производственных предприятиях до системы управления электроприводами на судах промыслового флота. На рис. 2 показан пример применения программируемого реле в системе управления вентиляцией.
На рис. 3 приведена структурная схема использования программируемого реле для управления насосными группами.
Исходя из вышеприведенных примеров видно, что зачастую программируемое реле применяется для управления различными системами с электроприводами. В настоящей работе рассматривается вопрос применения ОВЕН ПР103 для обеспечения многоканального управления компрессорами судовых систем.
Рис. 3. Система управления насосными группами на базе ОВЕН ПР103
Fig. 3. Pump group control system based on OVEN PR103 relays
1
ià
©
m
Назначение и области применения активных фильтров
Purpose and applications of active filters
Активным (силовым) фильтром (АФ) называется преобразователь переменного/постоянного тока с емкостным или индуктивным накопителем электрической энергии на стороне постоянного тока [4], формирующий методами импульсной модуляции усредненное значение тока (напряжения), равное разности нелинейного (фильтруемого) тока или напряжения и синусоидального тока (напряжения) его основной гармоники [5].
В зависимости от схемы и принципов управления АФ принято разделять на источники тока и источники напряжения. Для обеспечения синусоидальности напряжения на шинах нагрузки источника питания последовательно с источником питания включается активный фильтр в виде дополнительного источника напряжения. В настоящей работе для фильтрации помех и неравномерности нагрузки электроприводов применяется активный фильтр как источник компенсационного тока, работающий по возмущению реального сигнала относительно эталонного [6].
Проектирование автоматизированной многоканальной системы управления электроприводами компрессоров
Design of automatic multi-channel control system for electric compressor drives При работе сложных судовых систем, в которых используется большое количество электроприводов, большую роль играет автоматизация их работы с возможностью удаленного контроля всех узлов данной системы. Благодаря использованию программируемого реле ОВЕН ПР103 данную задачу можно значительно упростить, удешевить, а также добавить большое количество функций.
На рис. 4 показана схема подключения ряда магнитных пускателей электроприводов к программируемому реле ПР103. Таким образом, появляется возможность концентрировать систему управления в одном устройстве. Коммутационных возможностей дискретных выводов типа «Р» полностью хватает для управления магнитным пускателем. Также большим плюсом является наличие аналоговых входов, что позволяет автоматизировать систему защиты электроприводов, к примеру, по параметрам температуры либо по току нагрузки вдобавок к классическому тепловому реле.
Рис. 4. Принципиальная схема подключения электроприводов и их системы управления к ОВЕН ПР103
Fig. 4. Wiring diagram for OVEN PR103 connection with electric drives and their control system
Также большим плюсом является добавление в ОВЕН ПР103 технологии Ethernet. Такое решение позволяет крайне удобно и без лишних затрат и сложностей реализовать централизованную систему управления на судах, так как исчезает надобность в прокладке большого количества проводов для синхронизации различных систем между собой. Наряду с этим появляется возможность реализации системы управления, которая будет работать удаленно, при этом отслеживая все параметры контролируемой системы судовых электроприводов в реальном времени. Такое решение значительно приблизит идею реализации судов с дистанционным управлением, так как все параметры будут контролироваться удаленно, а благодаря использованию сетевых концентраторов можно будет синхронизировать между собой большое количество сложных судовых систем, при этом не используя большого количества различного оборудования и сложных систем синхронизации между ними.
Особенностью спроектированной схемы автоматизированного управления является добавление многоканального автономного активного фильтра, работающего по возмущению [7]. Данное устройство позволяет компенсировать интергармонические и гармонические составляющие тока электроприводов, тем самым повышая надежность и безотказность работы автоматизированной системы на ОВЕН ПР103.
Лабораторные исследования многоканального управления электроприводом с применением программируемого реле ПР103 ОВЕН и добавлением активного фильтра
Laboratory studies of multi-channel control over an electric drive by means of OVEN PR103 programmable relay with active filter
Исследования производились на лабораторной установке (рис. 5). По результатам тестирования ОВЕН ПР103 можно заключить, что данное устройство повысит универсальность судовых систем управления благодаря добавлению технологии Ethernet, с применением которой для синхронизации всего оборудования появилась возможность использовать единый протокол обмена данными. Это позволит отказаться от большого количества оборудования, что значительно понизит
Рис. 5. Лабораторная установка для исследования совместной работы программируемого реле и активных фильтров
Fig. 5. Laboratory test rig to study joint operation of programmable relay and active filters
стоимость реализации судовых систем управления, а также повысит их надежность.
Экспериментальное введение дополнительных помех в сеть для имитации неравномерности нагрузки и несинусоидальности тока показало высокую эффективность работы активного фильтра [8, 9]. В результате активной компенсации помех стало возможным организовать безотказность работы многоканальной системы. Также за счет обеспечения высоких параметров тока нагрузки электропривода и связи с программируемыми логическими контроллерами ОВЕН ПЛК110 система позволила эффективно управлять более чем 10 электроприводами различной мощности.
Выводы
Conclusion
Произведен лабораторный эксперимент интеграции активного силового фильтра интергармонических составляющих тока и многоканальной системы управления электроприводами на базе новейшего программируемого реле ОВЕН ПР103. Результаты показали повышение эффективности работы систем автоматики за счет обеспечения высоких параметров тока нагрузки электропривода и связи с программируемыми логическими контроллерами ОВЕН ПЛК110.
Список использованной литературы
1. Лабораторный стенд на основе программируемого реле ОВЕН ПР200 / И.А. Крючкина, Н.С. Демин, А.Е. Гловацкий, С.С. Юрищев // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: труды Всероссийской
научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. 16-18 мая 2017. Новокузнецк: Сибирский государственный индустриальный университет, 2017. С. 53-57.
2. Решетников В.О., Огурцов С.Н. Автоматизированная система управления уровнем жидкости на основе оборудования программно-технического комплекса ОВЕН // Международная научно -техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова: труды. 1-20 мая 2019. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2019. С. 2820-2824.
3. Шишов О.В., Троянский А.В. Комплексное изучение типовых технических средств промышленной автоматизации // Приборостроение и автоматизированный электропривод в топливно-энергетическом комплексе и жилищно-коммунальном хозяйстве: сборник материалов III Поволжской научно-практической конференции: [в 2 т.]. 7-8 декабря 2017. Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2017. С. 326-332.
4. A novel active damping control based on grid-side current feedback for LCL-filter active power filter / G. Tingting, L. Yanqiang, C. Dongdong, X. Long // 2020 7th International Conference on Power and Energy Systems Engineering: Energy Reports. 26 -29 September 2020, Fukuoka, Japan. P. 1318-1324. DOI: 10.1016/j.egyr.2020.11.027.
5. Gabe I.J., Montagner V.F., Pinheiro H. Design and implementation of a Robust Current Controller for VSI Connected to the Grid Through an LCL filter // IEEE Trans Power Electronics. 2009. Vol. 24(6). P. 1444-1452. DOI: 10.1109/TPEL.2009.2016097
6. Shen X., Gao G., Wu Y. Improvement of power quality in EAST power supply system based on hybrid active filter // Fusion Engineering and Design. Vol. 161. P. 1-9. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2020.112076.
7. Wan B.N., Xu G.S. Experimental advanced superconducting tokamak // Chinese Journal: Chinese Sci. Bull. 2015. Vol. 60 (23). P. 2157-2168. DOI: 10.1360/ N972014- 01235.
8. Sliding mode control of an active power filter with photovoltaic maximum power tracking / Cortajarena J. A., Barambones O., Alkorta P., Cortajarena J. // International Journal of Electrical Power and Energy Systems. 2019. Vol. 110. P. 747-758. DOI: 10.1016/j.ijepes.2019.03.070.
9. Вынгра А.В., Черный С.Г. Идентификация настройки пи-регулятора на платформе нейросетевой структуры // Датчики и системы. 2020. № 8(250). С. 20-26. DOI: 10.25728/datsys.2020.8.3.
References
1. Laboratory test rig based on OVEN PR200 programmable relay / I. Kryuchkina, N. Demin, A. Glovatsky, S. Yurishev // Science and Youth: challenges, searches, solutions. Transactions of All-Russian scientific conference of students, post-graduates and young scientists. May 16-18, 2017. Novokuznetsk. Siberian State Industrial University, 2017. P. 53-57 (in Russian).
2. Reshetnikov V., Ogurtsov S. Automated fluid level control system based on OVEN programmable hardware // Transactions of International Scientific & Technical Conference of Young Scientists. V. Shukhov Belgorod State Technical University, May 1-20, 2019. P. 2820-2824 (in Russian).
3. Shishov O., Troyansky A. Integrated study on standard industrial automation tools // Instrument making industry and automated electric drive for fuel & power and municipal housing sectors. Transactions of the 3rd Volga Scientific Conference & Seminar. In 2 Vol. December 7-8, 2017. Kazan State Power Engineering University, 2017. P. 326-332 (in Russian).
4. A novel active damping control based on grid-side current feedback for LCL-filter active power filter / G. Tingting, L. Yanqiang, C. Dongdong, X. Long // 2020 7th International Conference on Power and Energy Systems Engineering: Energy Reports. 26-29 September 2020, Fukuoka, Japan. P. 1318-1324. DOI: 10.1016/j.egyr.2020.11.027.
5. Gabe I.J., Montagner V.F., Pinheiro H. Design and implementation of a Robust Current Controller for VSI Connected to the Grid Through an LCL filter // IEEE Trans Power Electronics. 2009. Vol. 24(6). P. 1444-1452. DOI: 10.1109/TPEL.2009.2016097
6. Shen X., Gao G., Wu Y. Improvement of power quality in EAST power supply system based on hybrid active filter // Fusion Engineering and Design. Vol. 161. P. 1 -9. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2020.112076.
7. Wan B.N., Xu G.S. Experimental advanced superconducting tokamak // Chinese Journal: Chinese Sci. Bull. 2015. Vol. 60 (23). P. 2157-2168. DOI: 10.1360/N972014- 01235.
8. Sliding mode control of an active power filter with photovoltaic maximum power tracking / Cortajarena J. A., Barambones O., Alkorta P., Cortajarena J. // International Journal of Electrical Power and Energy Systems. 2019. Vol. 110. P. 747-758. DOI: 10.1016/j.ijepes.2019.03.070.
9. Vyngra A., Chernyi S. Identification of PI controller settings on a neural network platform // Sensors & Systems. 2020. No. 8(250). P. 20-26 (in Russian). DOI: 10.25728/datsys.2020.8.3.
Сведения об авторах
Вынгра Алексей Викторович, ассистент кафедры электрооборудования судов и автоматизации производства ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет». Адрес: 298300, Россия, Керчь, ул. Орджоникидзе, д. 82. E-mail: elag1995@gmail.com. Соболев Александр Сергеевич, ассистент кафедры электрооборудования судов и автоматизации производства ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет». Адрес: 298300, Россия, Керчь, ул. Орджоникидзе, д. 82. E-mail: sobolev.alexandr1496@gmail.com. https://orcid.org/0000-0003-3453-9349. Черный Сергей Григорьевич, к.т.н., доцент кафедры электрооборудования судов и автоматизации производства ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет». Адрес: 298300, Россия, Керчь, ул. Орджоникидзе, д. 82. E-mail: sergiiblack@gmail.com.
About the authors
Alexey V. Vyngra, Assistant, Department of "Operation of ship electrical equipment and automation", Kerch State Maritime Technological University. Address: 82, st. Ordzhonikidze, Kerch, Republic of Crimea, post code 298309. E-mail: elag1995@gmail.com.
Alexander S. Sobolev, Assistant, Department of "Operation of ship electrical equipment and automation", Kerch State Maritime Technological University. Address: 82, st. Ordzho-nikidze, Kerch, Republic of Crimea, post code 298309. E-mail: sobolev.alexandr1496@gmail.com. https://or-cid.org/0000-0003-3453-9349.
Sergei G. Chernyi, Candidate of Sciences in Technology, Head of the Department of "Operation of ship electrical equipment and automation", Kerch State Maritime Technological University. Address: 82, st. Ordzhonikidze, Kerch, Republic of Crimea, post code 298309. E-mail: sergiiblack@gmail.com.
Поступила / Received: 15.11.21 Принята в печать / Accepted: 22.11.21 © Коллектив авторов, 2021
