CC BY
83
Malikov Andrey Andreevich, dоctor of technical sciences, professor, head of chair, andrej-malikov@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sidorkin Andrey Victrovich, candidate of technical sciences, docent, alan-a@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 602.17
ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОЙ РАБОТЫ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ПРИВОДА ШАХТНОЙ ПОДЪЕМНОЙ УСТАНОВКИ ПРИ ПРОВАЛАХ НАПРЯЖЕНИЯ
Т. С. Иванова, О.Б. Шонин
Построена имитационная модель электрической сети, электропривода шахтной подъемной установки, исследованы процессы в приводе в нормальном режиме и при провалах напряжения. Приводятся результаты моделирования пусковых и стационарных режимов, режима работы активного выпрямителя с единичным значением коэффициента мощности. Для обеспечения работы привода при провалах напряжения предложен источник бесперебойного питания на основе батарей суперконденсаторов, а также быстродействующие реле. Результаты компьютерного моделирования показали работоспособность системы обнаружения и компенсации провалов напряжения с наиболее характерной длительностью 100 мс.
Ключевые слова: источник бесперебойного питания, провал напряжения, суперконденсатор, активный выпрямитель, частотно регулируемый привод.
В современной электроэнергетике существует ряд важных проблем. К таким проблемам относятся несоответствие режима генерации и потребления энергии, влияющее на устойчивость энергосистем, ухудшение качества энергии из-за влияния нелинейной нагрузки на параметры напряжения в относительно слабых сетях, недостаточная надежность передачи и распределения энергии, приводящая к перерывам в электроснабжении и нарушению непрерывности технологических процессов.
Для решения указанных проблем в последнее время интенсивно ведутся работы в области альтернативных источников энергии, эффективных накопителей энергии, релейной защиты и противоаварийной автоматики для сетей с распределенными источниками. Разрабатываемые устройства способны обеспечивать генерирование дополнительной энергии в часы пиков графиков нагрузки и накапливать энергию в часы минимального
спроса, обеспечивать непрерывность подачи энергии при кратковременных провалах напряжения вследствие аварий в передающих и распределительных линиях, а также решать другие вопросы повышения качества энергии.
Статистика говорит о 20-30 провалах в год, которые приводят к дорогостоящим экономическим ущербам, даже если их длительность составляет миллисекунды. [1]
Электродвигатели, включая изделия с регулируемым приводом, особенно уязвимы перед провалами напряжения, поскольку нагрузка все еще требует энергии, которой, за исключением инерции движущихся частей, уже недостаточно.
Цель проекта - построить имитационную модель привода для обеспечения безаварийной работы надшахтной подъемной установки, применяемой на руднике в уранодобывающем Приаргунском горно-химическом объединении, во время провалов напряжения с помощью ИБП на базе накопителей энергии в виде суперконденсаторов.
Подъемная установка северного ствола оборудуется подъемной машиной (ПМ) 1В2520 (рис. 1). Скорость движения подъемных сосудов в стволе достигает 6...20 м/сек (54...72 км/час). Оценка предельно допустимых значений снижения скорости движения клети производится с помощью формулы требуемой частоты вращения вала двигателя
60 • а • Гтах (1)
n = ■ max
я-Эб ,
где ip, Vmax - соответственно передаточное число редуктора и максимальная скорость движения сосуда; D6 - диаметр навивки окружности барабана, м.
Минимально допустимое значение частоты вращения ротора для обеспечения требуемых режимных параметров приводного механизма с учетом передаточного отношения редуктора i = 3,5
пдв = пб • i = 36,3 • 3,6 = 127,05 об/мин. (2)
По производственному расчету подобран асинхронный двигатель фирмы ABB мощностью 315 кВт, напряжением питания 380 В, 50 Гц. В электрическую часть подъемной машины входят силовой трансформатор, частотный преобразователь для машин переменного тока, система управления. В общем случае двухзвенный электрический преобразователь частоты состоит из выпрямителя, фильтра — промежуточного накопителя энергии, блока гашения энергии и инвертора.
Ниже представлена структура имитационных блоков (рис. 2). В данном блоке источника реализуется имитация 1 - подача номинального уровня переменного трехфазного напряжения сети (модулем 310 В, частота 50 Гц), 2 - спад до 90 % от номинального уровня по модулю, 3 - провал напряжения до нуля.
Рис. 1. Модель электропривода подъемной установки с асинхронным короткозамкнутым двигателем
Рис. 2. Имитационная модель блока питающей сети
переменного тока
В грузоподъемных механизмах, работающих длительное время в режиме генераторного торможения, целесообразно использование двух-звенного преобразователя частоты с активным выпрямителем (АВ) для рекуперации энергии в питающую сеть, которая возможна при замедляющим моменте двигателя, например, во время подхода поднимаемого сосуда к
поверхности. АВ является энергосберегающим, позволяет получить выходное напряжение, большее, чем при использовании диодного выпрямителя, не потребляя реактивной мощности и уменьшая гармонические искажения на выходе, обеспечивая коэффициент мощности, близкий к единице (рис. 3). Особенность выбранной системы управления заключается в регулировании фазы входного тока как в двигательном режиме, так и в режиме генераторного торможения.
Современный АВ способен обеспечивать подачу номинального уровня напряжении самостоятельно при его падении до уровня 70 % от номинального. При понижении напряжения для поддержания мощности растет ток. Для ЮВТ-модулей существует ограничение по току, поэтому необходимо обеспечить сохранность АВ и непрерывность работы системы. Устанавливаемый в распределительных щитах анализатор сети закрывает ключи АВ при превышении током установленного значения и включает режим работы ИБП. Способ осуществления этого процесса будет рассмотрен ниже.
Рис. 3. Блок системы управления активным выпрямителем
В данном блоке входы - это сигналы уровня фазных токов и напряжений сети переменного тока с датчиков, напряжения цепи постоянного тока и сигнал кз для запирания ключей через блок ШИМ АВ при превышении уровня тока, безопасного для работы системы.
Выходами являются импульсы с блока ШИМ для открытия ЮВТ ключей АВ, КТ1 - сигнал подключения резистора, КТ2(уровень активного тока) и КТ3(уровень напряжения) - сигналы, подающиеся в БУ ввода ИБП.
Сигнал КТ1 обусловлен уровнем активного тока в цепи, резистор является токоограничивающим и переводит электрическую энергию тока в тепловую, сохраняя цепь от повреждений.
56
При торможении двигателя и, как следствие, превышении напряжения на ЗПТ преобразователя частоты выше определенного уровня каскад ЮВТ транзисторов ПЧ генерирует ШИМ-сигнал в сторону сети, осуществляется автоматическая рекуперация энергии в сеть. Рассмотрим, как внутренние блоки СУ АВ реализуют вышеперечисленные качества (рис. 4).
Рис. 4. Схема активного выпрямителя
Силовую часть схемы АВ можно описать математически:
dI S.
US = Uinvert + R • JS + L dU0
C
dt
dt '
Sala + Sblb + Sclc - !0 •
(3)
Распишем первое уравнение в проекциях обобщающих векторов на координатные оси
Usd = R • 1 sd + L
d1 sd dt
v k •L ± sq + Ud i
invert. ?
U sq = R • ! sq + L
dI sq T T TT
—+ v k ' L •1 sd + U q invert• •
(4)
В данном случае оси координат привязаны к вектору напряжения и Тогда выразим проекции вектора напряжения инвертора на оси ё, q, считая, что сопротивление Я (рис. 5) равно нулю:
Ud
Ur.
invert.
= - L+ L • 1q + U
-L-
dt dl
sq
sm'
(5)
sq
ШL • !sd •
д гтеП. ^
Чтобы регулировать напряжение на выходе АВ (и^ Usq) согласно скалярным уравнениям силовой части АВ, нужно регулировать токи ,1 щ?. Они регулируются отдельно с помощью ПИ-регуляторов: заданное I ^ определяется требуемым выходных напряжением и зависит от тока нагрузки, его значение снимается с регулятора напряжения; ток I должен
быть равен нулю согласно векторной диаграмме (рис. 5).
57
q
a
Рис. 5. Векторная диаграмма
Чтобы реализовать вышеперечисленные условия, нужно знать угловое положение вектора сети у, что можно сделать, найдя проекции век тора на оси а и р , измерив значения линейных напряжений:
иа= (2иаЬ + иЪс )/3;
и b=yÍ3Ubc/3.
(6)
Тогда направляющие cos g, sin g, которые нужны для вычисления проекций вектора на оси d, q, определяются путем вычисления модуля вектора:
Usm =\IUa + Up;
(7)
СОБ у= и а / и8т; вт у = ир/ ит;
Эти преобразования происходят в блоке «соббш», изображенном на рис. 6. Полученное значение модуля вектора напряжения сети поступает на выход КТ3, далее - на вход блока управления ИБП (1п2), где сравнивается с опорным значением (работа БУ ИБП рассмотрена ниже). В случае, если напряжение сети становится слишком низким (ниже 280 В в имитационном моделировании) или слишком высоким, блок анализа сети корректирует величину напряжения, переключаясь на суперконденсатор.
Находим проекции вектора тока на оси а, р, затем вычисляем проекции вектора тока на оси ё, q в блоке «С1агкеТгапв&гтайоп» (рис. 6):
/а = (21а - 1Ъ - 1с)/3;
1р=^3(/ъ - /с)/з /ё=Vсо8 у+/р- у; /д=/р-со§ у- V у;
58
Далее вычисляются проекции вектора напряжения инвертора на оси d, q. Проекции этого вектора на оси a, p вычисляются по формулам
Ua invert = Ud ■ cos g - Uq ■ sin g;
(9)
Up invert. = Ud ■ Sin g + Uq ■ COS g.
Преобразованные из двухфазных в трехфазные напряжения поступают на входы управления ШИМ-инвертора:
Ua invert. = Ua invert.;
Ub invert. = ' Ub invert. — Ua invert.) / 2; (10)
Uc invert. = (—^' Ub invert. — Ua invert.) / 2
Полученное значение активного тока сети Id в блоке «ParkTransformation» поступает на выход KT2, после сравнивается с опорным значением тока работы IGBT-модулей АВ, поступая в блок управления ИБП (In1), граничное значение определяется способностью ключей выдерживать высокие токи. В данной имитационной модели граница установлена 2000 А (работа блока управления ИБП рассмотрена ниже). Если ток превышает 2000 А, то блок анализа сети переключает систему режима работы на суперконденсатор.
Конденсатор, установленный в звене постоянного тока, необходим для снижения перенапряжений, вызванных коммутацией силовых ключей инвертора при работе на активно-индуктивную или индуктивную нагрузку, которые могут привести к отказу силовых модулей из-за превышения допустимого уровня напряжения (пробой по напряжению); низкочастотных пульсаций напряжения, что повышает качество формируемого напряжения на выходе инвертора. Если конденсатор используется как накопитель энергии двигателя, передающейся в аварийном режиме через обратный диодный мост в ЦПТ , то его емкость рассчитывается по формуле
где L1n - переходная индуктивность обмотки статора.
Используя этот метод при Udon = 0,15, Udc0=93 В, Т=0,002 с, получаем наибольшее время разряда конденсатора и наименьший коэффициент пульсаций при емкости конденсатора C=0.0071525 Ф.
Для управления асинхронным двигателем выбрана векторная система управления, которая обеспечивает независимое и практически безынерционное регулирование частоты вращения момента на валу, высокую точность регулирования скорости в широком диапазоне.
Инвертор формирует необходимую форму напряжения обмоток статора посредством регулирования скважности импульсов на управляющих электродах полупроводниковых IGBT-ключей.
59
На схеме СУ представлен набор блоков (рис. 6), реализующих классический алгоритм векторного управления двигателем переменного тока. Ориентирование вращающейся системы координат происходит по вектору потокосцепления ротора.
Рис. 6. Блок ВСУ частотным преобразователем асинхронного
двигателя
Логика СУ ввода ИБП приведена на рис. 7.
Рис. 7. Блок САУ подключения ИБП как ЗПТ
Логическая единица на выходе ОиИ замыкает ключ подключения ИБП. Это происходит в двух случаях: когда поступает сигнал со входа активного выпрямителя (АВ) об уровне напряжения ниже заданного (в данном случае моделирования ниже 250 Вольт - 80 % от номинального), когда модуль тока на входе АВ выше тока, на который рассчитана работа ЮВТ-транзисторов в АВ. Сигнал с выхода кз, состояние которого в противофазе с выходом ОиИ, отключает АВ, подавая логический ноль ШИМ-ключей в блоке управления АВ.
Осциллограммы переходных процессов двигателя приведена на
рис. 8.
¡/Я1ШШШ
Изменение скорости во время пуска
-V__
плектромжгднтный момент
Рис. 8. Осциллограммы переходных процессов двигателя
Из осциллограммы видно, что двигатель разгоняется до номинальной скорости за время t=2 с и выходит в стационарный режим.
Существуют различные способы накопления энергии в кинетической, потенциальной, тепловой и электрической формах. Для обеспечения работы привода при провалах напряжения предложен источник бесперебойного питания на основе батарей суперконденсаторов, для которых характерны высокая удельная емкость до 250 фарад на грамм и большая мощность в импульсе, превышающая аналогичную величину для остальных накопителей более чем в 10 раз.
Техническая реализация представляет собой элементарную ячейку (элементарный суперконденсатор рис. 9, 10), состоящую из двух последовательно соединенных суперконденсаторов, причем соединение происходит по электрическим слоям в электролите, а заряд снимается с электрических слоев. Последовательное соединение суперконденсаторов реализуется путем использования общего электролита, разделенного сепаратором, фактически являющимся баллоном для электролита [2]:
Л7~12
¿Ъ\0~и\м 5* 2500—- (12)
грамм
в = 0,99 - 3,35 - относительная диэлектрическая постоянная среды;
12
в0 - диэлектрическая постоянная в вакууме, в0 = 8,86 * 10- , Ф/м; ё - расстояние между электрическими слоями, соответствует дебаевской длине свободного пробега электронов; 8дс - площадь поверхности двойного электрического слоя [8], м .
С= 8-8,86-Ю"12 —
а
АКТИВИРОВАННЫЙ УГОЛЬ ПОДЛОЖКА СЕПАРАТОР ТОКОСЪЕМНИК
ПОРИСТЫИ МАТЕРИАЛ
ЭЛЕКТРОЛИТ
ПОДЛОЖКА СЕПАРАТОР ТОКОСЪЕМНИК
- активированным уголь толщинои 0,1 - 5,0 мм, размеры частиц 1 — 30 мкм, размер пор 0,7 — 10 нм
- 30% раствор КОН, ионная жидкость [ МеБи-1ш] БР4
- асбест, арамид толщиной 20 — 30 мкм
- асбест, арамид толщиной 20 — 30 мкм
- стальная фольга толщиной 50 мкм
Рис. 9. Схема элементарного суперконденсатора
Для создания мощных высоковольтных систем в основном используется суперконденсаторы наборной технологии. Создается единый модуль путем набора последовательно-параллельно соединенных элементарных ячеек необходимого количества:
W =
Си' 2
= N ■ t
Ж = | E ■ dq 0
С
Я
Аи
е/4Р
(13)
Подключив батареи параллельно количеством в несколько штук, получаем необходимую мощность на требуемый промежуток времени для компенсации кратковременного провала питания нагрузки
Рис. 10. Суперконденсатор
Суперконденсатор применяется: 1) в качестве бортового источника импульсной мощности в таких областях, как гибридный транспорт, в области железнодорожного транспорта, в электропоездах метро для экстренного открывания дверей; 2) в качестве буферного накопителя энергии.
В России промышленное производство суперконденсаторов осуществляется на: ЗАО "ЭСМА" (г.Троицк), ЗАО "ЭЛИТ" (г. Курск), ООО "Технокор" (г.Москва), НПО "ЭКОНД" г.Москва), ОАО "Элеконд" (г. Сарапул). Более 90 % всей продукции идет на экспорт.
62
Проанализировав предложения рынка на сегодняшний день, была выбрана установка ИКЭ 36/700 "ЭКОНД". Напряжение заряда и=700 В; электрическая емкость С=0,15 Ф; энергия А=36,8 кДж. Соединив батареи в единый блок параллельно количеством 9 штук, получаем нужную мощность (рис. 11).
Параметры подобранной установки согласуются с нужной мощностью привода и временем провала, таким образом, в течение провала длительностью 100 мс ИБП способен питать привод мощностью 315 кВт, что показывает расчет требуемой энергии:
А = N■ t = 315000 Вт ■ 0,1 с = 31,5 кДж. (14)
Рис. 11. Внутренняя структура модуля батареи суперконденсатора
Модуль напряжением 700 В включает в себя элементарные ячейки из суперконденсаторов на 3 В, соединенные последовательно.
Длительность устраняемого провала напряжения в любой точке присоединения к электрическим сетям определяется выдержками времени релейной защиты и автоматики. Для переключения ИБП с режима работы от сети на режим работы от суперконденсатора используются быстродействующие реле. Время срабатывания реле составляет 2...4 мс, полное время реакции на сбой электрической сети занимает менее четверти периода синусоиды напряжения: 3.5 мс, включая время обнаружения сбоя. Блок анализа напряжения контролирует форму и амплитуду напряжения сети. [9]
В ходе проведения работы были получены графики, демонстрирующие реакцию конденсатора (рис. 12 - 15). Результаты компьютерного моделирования показали работоспособность системы обнаружения и компенсации провалов напряжения с наиболее характерной длительностью 100 мс, когда питание восстанавливается, СУ ИБП отключает его от цепи постоянного тока, двигатель продолжает работать в номинальном режиме.
К моменту провала двигатель должен выйти в номинальный режим работы. Выделим участок постоянной скорости в номинальном режиме.
-г и у ^иму! | -._:. ¡А)>
1 1 1
г\ Г / \
/ \ / / \
г V
Ток обмоток статора
Время провала
ЮОмс
Скорость врашешш ротора не снижается
_1_
«Е1к1<птэдпе!|г 1огф# Те
Электромагнитный момент
)лектпо
Рис. 12. Осциллограмма переходных процессов с вводом ИБП
Как видно ток, скорость, момент поддерживаются на нормальном уровне. Задержка во времени при переходе с одного источника питания на другой составляет около 3 мс. На рис. 13 показано состояние ЦПТ.
Рис. 13. Поддержание уровня напряжения в ЦПТ суперконденсатором
Сравним с изменениями показателей работы двигателя без ввода накопителя в действие (рис. 14).
Двигатель разгоняется, после этого в момент времени 1=2 с напряжение в сети падает до 70 % от номинального, в момент времени 1=2,5 напряжение падает до нуля.
Рис. 14. Осциллограмма переходных процессов без ввода накопителя энергии
При понижении напряжения уровень тока в сети становится выше номинального, автоматический выключатель, снабженный специальным отключающим реле максимального тока, отключает защищаемый участок цепи от повреждения воздействием высокого тока. Частота вращения ротора двигателя падает ниже 120 об/мин, падает частота вращения барабана ПУ, что не допустимо для обеспечения ее работы согласно произведенным расчетам (смотри раздел расчета параметров работы ПУ) (рис.
15).
Рис. 15. Влияние провала напряжения в сети источника
на состояние ЦПТ
65
Как видно, система управления ввода суперконденсатора в качестве ИБП реагирует на провал и поддерживает напряжение на должном уровне (600 В), в то время как отсутствие ввода ИБП приводит к падению напряжения до нуля.
По полученным графикам работы системы с ИБП и по технико-экономическим расчетам можно сделать вывод, что предложенная авторами система способна обеспечить: надежность работы подъемной установки, безопасность работы в шахте и увеличить срок службы оборудования, а также сокращение эксплуатационных затрат и экономии электроэнергии. Подобрана топология ЧРП со звеном ИБП, обеспечивающим нагрузку мощностью 315 кВт в течение 100 мс. Система имеет задержку в реакции, что связано с работой электромагнитных реле.
Список литературы
1. Пупин В.М., Егорова М.С. Электроснабжение Оскольского электрометаллургического комбината и повышение надежности электрообеспечения основных потребителей // Электрика. 2008. № 3. С. 21-32.
2. Denshchikov K. Stacked Supercapacitor Technology - New Perspectives & Chances, Supercaps Europe - European Meeting on Supercapacitors: Development and Implementation in Energy and Transportation Techniques. Berlin, Germany, Nov.2005.
3. New Generation of Stacked Supercapacitors / K.K. Denshchikov, A.Z. Zhuk, M.Y. Izmaylova, A.F. Gerasimov // First International Symposium on Enhanced Electrochemical Capacitors. Universite de Nantes, France, June 30th - July 2nd 2009.
4. Петрович В.П., Воронина Н.А., Глазачев А.В. Силовые преобразователи электрической энергии. 2009.
5. Колпаков А. Инверторная платформа Semicube // Новости электроники. 2010.
6. Колб А. А. К расчету накопительных конденсаторов в системах группового питания электроприводов. Днепропетровск: Национальный горный университет, 2004.
7. Pietilainen K., Harnefors L., Petersson A. DC - link stabilization and voltage sag ride through of inverter drive. Industrial Electronics // IEEE Transactions. 2006. Р.1261-1268.
8. Официальная страница компании "Система технического консультирования". [Электронный ресурс]. URL: http://cons-systems.ru/ (дата обращения: 15.06.2017).
9. Официальная страница компании "Maxwell" [Электронный ресурс]. URL: www.maxwell.com (дата обращения: 15.06.2017).
66
Иванова Татьяна Сергеевна, студентка, ragnhice@,list.т, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский минерально-сырьевой университет «Горный»
Шонин Олег Борисович, д-р техн. наук, проф., ninosh_eltech@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский минерально-сырьевой университет ««Горный»
PROVIDING THE SUSTAINABLE WORKING OF FREQUENCY CONTROLLED DRIVE OF MINE LIFTING INSTALLATION AT BLACKOUT
O.B. Shonin, T.S. Ivanova
A simulation model of an electrical network was constructed, the electric drive of Mine lifting installation, the processes in the drive in the normal mode and in the case of voltage failures are investigated. The are given results of simulation of starting and stationary modes, operating mode of the active rectifier with a single value of the power factor. To ensure the operation of the drive in case of voltage failures an uninterruptible power supply, based on the batteries of supercapacitors, and a high-speed relays was proposed. The results of computer simulation showed the efficiency of the system for detecting and compensating for voltage dips with the most characteristic duration of 100 ms.
Key words: Uninterruptible power supply, voltage failure, blackout, supercapacitor, active rectifier, frequency-controlled drive
Ivanova Tatiana Sergeevna, student, ragnhice@,list. ru, Russia, St. Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Shonin Oleg Borisovich doctor of technical sciences, professor,
ninosh_eltech@mail. ru, Russia, St. Petersburg, Saint-Petersburg Mining University
