CC BY
20
УДК 621.313.321
В. А. Кандаев, Ю. Н. Кликушин, В. Н. Сорокин
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИЛОВОГО КАНАЛА СТАНЦИИ УПРАВЛЕНИЯ В СОСТАВЕ УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ
Рассматривается подход к моделированию силового канала станции управления в составе установок электроцентробежных насосов, который позволяет определять параметры силового канала, что важно при расчете потерь электрической энергии, вызванных наличием высших гармоник в напряжениях и токах силового канала преобразования энергии, и энергетических параметров установки.
Сопутствующим эффектом при внедрении полупроводниковых статических преобразователей частоты (СПЧ) станций управления (СУ) установками электроцентробежных насо-сов (УЭЦН) является снижение качества электроэнергии за счет появления высших гармонических составляющий в токах и напряжениях элементов электрооборудования силового канала преобразования электрической энергии. Такие установки широко применяются в хозяйстве железнодорожных станций, в электротехнологических установках нефтедобычи и т. д. Особенно актуальной названная проблема стала при внедрении современных статических преобразователей частоты на базе транзисторных автономных инверторов напряжения (АИНов) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) с несущей частотой модуляции 1,5 -16 кГц. Специалистами было установлено, что применение такого рода АИНов вызывает опасное повышение напряжения U на погружном асинхронном электродвигателе (ПЭДе) вследствие высоких значений производных dU/dt, достигающих величин до 7500 В/мкс и более, - возникают явления отраженных от зажимов электродвигателя электромагнитных волн резонанса на высших гармониках, поверхностного эффекта, короны; увеличивается вибрация конструкций, возникают дополнительные потери электрической энергии [1, 2]. Для исследования указанных процессов необходимо рассмотреть подходы к моделированию силового канала станции управления в составе УЭЦН (рисунок 1).
Рисунок 1 - Схема силового канала станции управления в составе УЭЦН
Транспортная энергетика
Для построения естественных характеристик станций управления используем уравнения четырехполюсникав форме А [3]:
и 1СУ ^СУ^СУ ^ Всу 7~2су ,
Лсу ссуигсу ^ ^су -^гсу ,
(1) (2)
которые взаимосвязывают напряжение й1СУ и ток 11СУ холостого хода станции управления с напряжением Ц/2СУ и током /2СУ станции управления в рабочих режимах установок электро-
центробежных насосов. Асу, Всу, Ссу, ¿)су - комплексные параметры четырехполюсника -комплексные параметры станции управления, объединяемые параметрической матрицей М_:
Мсу =
^СУ ВСУ 1 ГСУ
с 4У 0 1
(3)
В выражении для параметрической матрицы станции управления (3) учтено, что для используемых в настоящее время станций управления с инверторами напряжения на ЮВТ-транзисторах реактивная составляющая внутренних потерь незначительна и ее обычно в энергетических расчетах не учитывают. В связи с этим рассматриваются только активные потери станции управления, на основании которых внутренние свойства станции управления характеризуются внутренним активным сопротивлением гсу .
Методика определения параметра гсу сводится к последовательному применению следующих уравнений.
1. Пиковое значение выходного тока /вых1 автономного инвертора напряжения (равное пиковому значению тока коллектора 1С):
4« 1 = "1и1
вых1 :
(4)
где кх - коэффициент увеличения амплитуды с учетом мгновенной пульсации выходного тока; к2 - коэффициент прибавки амплитуды тока для учета дополнительных потерь мощности от действия токов высших гармоник с учетом частотного спектра выходных токов и напряжений АИНа; Z - модуль сопротивления нагрузки фазы станции управления, соответствующий номинальному выходному току СУ 2 = 2ехр/'^; Р = /вых1 / /вых1ном - коэффициент загрузки СУ по выходному току.
2. Потери проводимости в АИНах:
Р = 0 251 I
1и8 ВЫХ1
( т Л ( т л
исЕЗ (а) 0,125 + — СОБ^ + ир (а) 0,125--СОБ^
3^ 1 I 3^
(5)
V у ч
где исЕ8 , ир , а = 1вых1 / М - напряжение насыщения ЮВТ и снижение напряжения на антипараллельном диоде при токе а ; ¡1Т - число ЮВТ-транзисторов в АИНах; М - число параллельно включенных модулей в одном плече АИНа; т - коэффициент модуляции синусоидальной широтно-импульсной модуляции, изменяющийся в диапазоне от 0 до 1. 3. Коммутационные потери в АИНах:
3
Р =
1 тш
П
42
4x1^ ( ^ ^ ш ^ + (с ^ОРР ^ +
(6)
где - номинальное напряжение на шине постоянного тока; Е - номинальная тактовая
№ 2(10) 2012
частота ШИМ коммутации ЮБТ-транзисторов; 1С^ и 1С^ - время включения и выключения ЮБТ по цепи коллектора; - время восстановления антипараллельного диода.
Коммутационные потери пропорциональны тактовой частоте ШИМ сигналов управления и зависят от энергии потерь на включение и выключение ЮБТ, приведенной к пиковому значению выходного тока и напряжению питания инвертора.
4. Потери мощности в снабберах АИНов:
й 1 " ^ ) 1 ^2
где Аи - коммутационный выброс напряжения на коллекторе ЮБТ за счет паразитных ин-дуктивностей подводящих проводов и выводов конденсаторов, не превышающий в рассматриваемых станциях управления 0,1ий; С1 - емкость конденсатора снабберной ЯС-цепи;
С2 - емкость конденсатора снабберной ЯОС-цепи
5. Дополнительные потери мощности на управление ЮБТ ключами АИНов:
PSN = It 0,5 F C (Ud + AU )2 + C2 AU:
(7)
P
UPR
¡tMUgeF
C + C
IES RES
U
1 +
V
U
GE J
(8)
где иОЕ - напряжение на затворе при включенном состоянии ЮБТ; С1Е8, Сш8, С{
входная, проходная и выходная емкости ЮБТ.
6. Коэффициент полезного действия инвертора:
^АИН _ РсУ ^ рАИН ,
'OES
(9)
где Р2АИН, Р2СУ - входная и выходная мощность автономного инвертора напряжения соответственно:
p2Cy = UBbIxi^z" cos^;
(10)
рАИН = UL^Z "wp + 3RI^, (11)
гдеR - сопротивление инвертора, которое рассчитывается по уравнению:
R = 3 (PUS + PUSW + PSN + PUPR ) 1вь2гх1 • (12)
7. Средневыпрямленный ток на шине постоянного тока преобразователя частоты (ПЧ):
Id = [UB2bKl^Z "1cos^ + 3R IB2bK1 ] u;1. (13)
8. Статические потеримощностив управляемом тиристорном выпрямителе:
Pbs = ¡vrKSId uto + Ir ) + (Id / Idr)2 Pdr, (14)
где kVS - схемный коэффициент для мостовой трехфазной схемы; rT - динамическое сопротивление тиристорного ключа во включенном состоянии; Idr - номинальный ток дросселя; Pdr - потеРи в дросселе.
9. Коммутационные потери мощности в управляемом тиристорном выпрямителе:
PBSW 150kCCUdIdtSw
(15)
где кСС - схемный коэффициент для мостовой трехфазной схемы [4], - время коммутации
тиристорного модуля.
Транспортная энергетика
10. Коэффициент полезного действия управляемого тиристорного выпрямителя:
^ =(Р2СУ + 3/^ ) / (РАИН + IX ) , (16)
11. Коэффициент полезного действия преобразователя частоты в целом:
^ПЧ _ P2CY / (рАИН + ^Б/с1 + РРЗТ ) , (17)
где Рр8т - потери на охлаждение силовых полупроводниковых ключей и мощность, потребляемая служебными источниками электрической энергии.
12. Внутреннее сопротивление станции управления
гсу _ UicyАСУ о Лсу ) cos^icy ,
(18)
согласно которому, а также выражению для параметрической матрицы (3) уравнения математической модели станции управления (1), (2) принимают вид:
U = U + r I •
^1СУ 2СУ СУ 2СУ '
Асу ^СУ •
(19)
(20)
В качестве примера применения разработанной методики рассматривается определение параметра гсу (17) для станции управления - «Электон 05-160». Применительно к рассматриваемой станции управления параметры и коэффициенты, необходимые для применения расчетной методики, принимают следующие значения: кх = 1,1, к2 = 1,25, ¡1т = 6,
m = 0,95, t
C (ON )
500 не, t
C (OFF )
350 не, t
RR
250
не,
CIES = 80 пФ, CRES = 16 пФ,
RES
исЕ = 15 В, к¥Б = 0,577, ксс = 1,045. Потери в дросселе станции управления «Электон 05160» Раг составляют 200 Вт.
Результаты расчета представлены на рисунках 2, 3.
0,90
rСУ
о.е. 0,54 0,36 0,18 О
L 1 2^3
4 5 6
О 0,2
0,4
Р -
0,6
0,8
о.е.
1,2
Рисунок 2 - Зависимость внутреннего сопротивления Гсу станции управления «Электон 05-160» от коэффициента ее загрузки по току Д для различных коэффициентов мощности нагрузки: 1 - сОБ(Ф) - 0,85; 2 - 0,8; 3 - 0,75; 4 - 0,7; 5 - 0,65; 6 - 0,6
№ 2(10) 2012
1,00
о.е.
0.90
Пия 0,85
0,80
о.е.
Р
Рисунок 3 - Зависимость коэффициента полезного действия ^су станции управления «Электон 05-160» от коэффициента ее загрузки по току Д для различных коэффициентов мощности нагрузки: 1 - Соб(Ф) - 0,85; 2 - 0,8; 3 - 0,75; 4 - 0,7; 5 - 0,65; 6 - 0,6
Характеристики станции управления «Электон 05-160» (см. рисунки 2, 3) представляют собой естественные характеристики станции управления и определяют ее свойства как инди-видуального изделия без учета влияния той системы, в которую она включена. Независимо от коэффициента мощности нагрузки и сопротивления, на которое нагружена станция управления в реальном диапазоне изменения коэффициента загрузки /3 = 0,5 - 1,2, коэффициент полезного действия сохраняет свое значение почти неизменным и составляет величину порядка 93,98 - 94,8 %. Сопротивление гсу резко изменяется в зависимости от коэффициента загрузки по току /3, однако в рабочем диапазоне его значений это изменение не столь значительно и составляет величину среднего значения госу = 0,21 - 0,28 Ом.
Данный подход к моделированию силового канала станции управления в составе УЭЦН позволяет получить параметры станции управления, необходимые для дальнейшего исследования экономичных режимов работы УЭЦН, что является одним из направлений применения энергосберегающих технологий в хозяйстве железнодорожных станций, в электротехнологических установках нефтедобычи и т. д.
Список литературы
1. Хиббард, Дж. Предотвращение аварий двигателя при его удаленном подключении к преобразователю частоты на ЮБТ [Текст]/ Дж. Хиббард, X. Николас // Электротехнический рынок. - 2007. - № 9 (15). - С.1 - 8.
2. Павленко, В. А. Сравнительный анализ электромагнитных процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей промышленности [Текст]/ В. А. Павленко, В. С. Климов, И. В. Климов // Силовая электроника. - 2010. - № 31. - С.1 - 16.
3. Ковалев, А. Ю. Электротехнологические установки насосной эксплуатации скважин: Монография [Текст] / А. Ю. Ковалев, Ю. 3. Ковалев, А. С. Солодянкин / Нижневартовский гос. гуманитарный ун-т. - Нижневартовск, 2010. - 105 с.
4. Электротехнический справочник: В 4 т. Т. 4. Использование электрической энергии [Текст] / Под общ. ред. В. Г. Герасимова / МЭН. - М., 2002. - 696 с.
