CC BY
81
© Г.Г. Пивняк, В.И. Кириченко, В.В. Кириченко, Р.А Боровик, 2009
Г.Г. Пивняк, В.И. Кириченко, В.В. Кириченко,
Р.А. Боровик
ПЕРСПЕКТИВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ СОЗДАНИЯ МОЩНЫХ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С УЛУЧШЕННЫМИ ПУСКОВЫМИ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ
Разработаны алгоритмы программного управления источником питания обмоток синхронных двигателей с целью снижения динамических нагрузок и формирования желаемой формы электромагнитного момента.
Ключевые слова: энергоемкость промышленного производства, запуск синхронных двигателей, программное управление.
начительная энергоемкость промышленного производства ^ обусловлена рядом факторов, среди которых нерациональные режимы работы мощных синхронных двигателей. К тому же, значительные потери электроэнергии обусловлены неполным использованием установленной мощности двигателей в установившихся режимах. Для некоторых мощных механизмов, в частности горнорудной промышленности, запас установленной мощности нередко превышает 15-30%. Такая ситуация возникает вследствие дискретности существующей шкалы номинальных мощностей двигателей, что нередко влечет их несоответствие условиям использования конкретных механизмов, трудностями предварительного определения характера и уровня момента статической нагрузки, необходимостью обеспечения успешного самозапуска при перерывах питания. В результате недоиспользования двигателя по мощности его КПД нередко ниже номинального. С экономической точки зрения перечисленные обстоятельства предопределяют неоправданный рост стоимости как собственно электропривода и эксплуатационных расходов при его использовании, так и себестоимость готовой продукции. Весьма неблагоприятными факторами, влияющими на надежность мощных электроприводов и вообще их работоспособность являются: снижение напряжения сети питания на 10.. .15% в пусковых режимах, нестационарные резонансные явления при совпадении частоты переменной составляющей электромагнитного момента с частотой собственных колебаний системы
двигатель - рабочая машина с упругой связью, режимы синхронизации и самозапуска.
Основной метод запуска крупных синхронных двигателей -прямое подключение к сети питания или через реактор. Обмотка возбуждения в асинхронном режиме замыкается на внешний резистор. В режимах синхронизации и установившихся питание обмотки возбуждения - постоянным током от возбудителя. Обычно это статические тиристорные возбудители, которые обеспечивают не только успешный асинхронный пуск, синхронизацию и регулирование тока возбуждения, но и гашение поля и защиту двигателя. Запуск с помощью частотных преобразователей широкого применения не нашел из-за их высокой стоимости и трудности перевода двигателя на сеть питания.
При кратковременных перерывах в питании существует проблема обеспечения успешной ресинхронизации. Характерная особенность для мельничных приводов - значительные динамические нагрузки зубчатых элементов при синхронизации и ресинхронизации, которые при неблагоприятных условиях могут вывести из строя редукторы привода, а иногда - и сам двигатель. Поэтому задача обеспечения успешной синхронизации и ресинхронизации синхронных приводов при условии ограничения нагрузок зубчатых элементов весьма важна с точки зрения обеспечения надежности привода и мельниц в целом.
Рис. 1 иллюстрирует динамику прямого пуска и ресинхронизации двигателя СДМЗ-2-24-59-80-УХЛ4 номинальной мощностью 4 МВт, используемого в приводе мельницы ММС-90х30 со ступенчатой подачей напряжения возбуждения после перерыва питания.
Видно, что в режиме синхронизации упругий момент достигает уровня 3 о.е., что соответствует коэффициенту динамичности 3,61. При ресинхронизации коэффициент динамичности достигает 3,28. При этом в обоих режимах наблюдается опасное размыкание зазоров зацепления.
Среди известных направлений улучшения ситуации можно выделить несколько. Это, во-первых, более тщательное определение необходимой мощности двигателя. Во-вторых, для промышленных установок, где экспериментально установлены режимы использования, целесообразная разработка более рациональной шкалы серийных двигателей. Значительное внимание необходимо уделить разработке новых источников питания
І,
О. 0.
8.0
6.0
4.0
2.0
Рис. 1. Динамика прямого пуска и ресинхронизации с номинальным напряжением питания и запасом установленной мощности 17%: 1 - скорость двигателя; 2 - упругий момент; 3 - ток статора; 4 - напряжение обмотки возбуждения; 5 - напряжение обмотки статора; 6 - момент сопротивления
и методам управления ими, что даст возможность оптимизировать потери энергии в установившихся и динамических режимах мощных синхронных двигателей и повысить их надежность.
Для увеличения момента в режиме пуска применяют различные способы изменения величины сопротивления в цепи обмотки возбуждения: скачком в зависимости от частоты вращения [1]; плавно - для возможно большего среднего момента [2]; по определенному закону [3]. Повышают этот момент введением в цепь возбуждения дополнительного знакопеременного напряжения частоты скольжения (предложение проф. М.И. Соколова). Как и синусоидального с соответствующей фазой и амплитудой [4, 5]. Также известны методы форсирования напряжения: одноразового и циклического с гашением поля путем включения разрядного сопротивления.
На сегодня известны разработки, которые направлены на более эффективное использование существующих нереверсивных возбудителей путем применения циклического управления [6], однако при этом не учитываются динамические нагрузки электромеханической системы. Более перспективно внедрение программного управления комбинированным источником питания обмоток двигателя [7, 8], реализуемого с помощью микропроцессорных
средств. При этом его мощность составляет всего 5.10% от номинальной мощности двигателя.
В Национальном горном университете выполнен объем работ по обоснованию алгоритмов программного управления источником питания обмоток синхронных двигателей с целью снижения динамических нагрузок и формирования желаемой формы электромагнитного момента. Разработанные алгоритмы обеспечивают повышение средней при одновременном ограничении амплитуды периодической составляющей момента. Последнее особенно важно в случае двухмассовой системы с жесткостью.
Для обеспечения надежной синхронизации наиболее эффективным является алгоритм программного управления направленный на максимальное увеличение средней составляющей электромагнитного момента при минимизации амплитуды периодической составляющей. При этом добавка средней составляющей прямо пропорционально зависит от уровня форсировки напряжения возбудителя, а напряжение питания статора должно быть максимальным.
Влияние программного управления на форму статической пусковой характеристики синхронного двигателя СДМЗ-2-24-59-80-УХЛ4 видно из построений на рис. 2. Можно заключить, что этот метод эффективен лишь в зоне малых скольжений (б=0...0,3), когда его использование обеспечивает достаточный момент для плавного вхождения двигателя в синхронизм без подачи скачком постоянного напряжения на обмотку возбуждения. В зоне значительных скольжений ^>0,3) ощутимого повышения момента двигателя с помощью такого управления достичь не удается.
Рис. 3 иллюстрирует динамику пуска и ресинхронизации двигателя СДМЗ-2-24-59-80-УХЛ4 привода мельницы ММС-90х30 с использованием разработанного алгоритма управления возбудителем. Видно, что формирование напряжения обмотки возбуждения с помощью нового алгоритма позволило снизить коэффициент динамичности упругого момента при ресинхронизации до уровня 1,73. Колебания упругого момента в режиме ресинхронизации снизились (хотя уровень первого пика остался практически неизменным). Положительный эффект от программного управления и в том, что в обоих режимах размыкания зазоров в зубчатом зацеплении нет.
Для ограничения нагрузок в режиме ресинхронизации одновременно с программным формированием напряжения возбудителя целесообразно применить регулирование напряжение на обмотке статора. Это исключит ударное приложение электромагнитного момента и ограничит скорость наростания и амплитуду колебаний упругого момента.
Рис. 4 иллюстрирует динамику привода с использованием одновременного регулирования напряжения на обмотках возбуждения и статора в режиме ресинхронизации. В алгоритме управления использована информация от датчика упругого момента. Анализ полученных зависимостей позволяет заключить, что введение в схему управления двигателем программно управляемого регулятора напряжения статора позволяет формировать практически без ограничений требуемое качество динамики ресинхронизации. В том числе ограничивать первый пик упругого момента на заданном уровне (в примере требуемый коэффициент динамичности для упругого момента принят равным 2). В силу того, что в момент возобновления напряжения питания средняя составляющая электромагнитного момента двигателя
Рис. 2. Влияние программного управления при добавочном сопротивлении 3,2 Ом, коэффициенте форсирования напряжения возбудителя 1,75 и ограничении среднего момента двигателя на уровне 1,3 от номинального: 1 - амплитуда результирующей переменной составляющей момента; 2 - суммарная средняя составляющая момента; 3 - амплитуда переменной составляющей момента от питания статора; 4 - средняя составляющая момента от питания статора; 5 - расчетный угол двигателя; 6 -угол управления; 7 - необходимый коэффициент форсирования напряжения возбудителя
І,
о. е.
8.0
6.0
4.0
2.0
Рис. 3. Динамика прямого пуска и ресинхронизации с номинальным напряжением питания, запасом установленной мощности двигателя 17% и с использованием программного управления при добавочном сопротивлении 3,2 Ом, коэффициенте форсирования возбуждения 3,5 и минимальным средним моментом на уровне 1,3 от номинального: 1 - скорость двигателя; 2 - упругий момент; 3 - ток статора; 4 - напряжение возбудителя; 5 - напряжения статора; 6 - момент нагрузки.
I,
о. е.
8.0
6.0
4.0
2.0
-2.0
Рис. 4. Динамика прямого пуска и ресинхронизации СДМЗ-2-24-59-80-УХЛ4 с запасом установленной мощности 17% и использованием программного управления обоими напряжениями питания при добавочном сопротивлении в цепи возбуждения 3,2 Ом, коэффициенте форсирования напряжения возбудителя 3,5 и минимальном средним моментом 1,3 от номинального: 1 - скорость двигателя; 2 - упругий момент; 3 - ток статора; 4 - напряжение возбудителя; 5 - напряжение обмотки статора; 6 - момент нагрузки
пропорциональна квадрату напряжения на статоре, то достаточно управления им лишь на небольшом промежутке времени.
Рассмотренные примеры свидетельствуют о перспективности программного управления источниками питания обмоток статора и возбуждения. Однако остается не решенной проблема обеспечения надежного пуска двигателя с номинальной нагрузкой при использовании пусковых реакторов (для уменьшения пускового тока, который для мощных двигателей достигает 5.9 и больше). Чрезвычайно важным обстоятельством является то, что при этом уровень напряжения питания обмотки статора снижается на 10.15% с соответствующим снижением пускового момента двигателя и делает невозможным успешный запуск двигателя с номинальной нагрузкой. К тому же, после длительного простоя мельницы без предварительной выработки сырья из барабана, возможен неудачный запуск двигателя. Нередко эти обстоятельства приводят к соответствующему повышению запаса установленной мощности двигателя или его работу в установившихся режимах не в номинальном режиме.
Перспективным направлением в обеспечении надежного пуска мощных приводов с синхронными двигателями является сочетание возможностей программного управления напряжениями статора и возбуждения при повышенном пусковом моменте двигателя. При этом паспортный пусковой момент следует обеспечивать при сниженном на 10.15% напряжении статора. При обычном управлении синхронным двигателем это снизит его входной момент и пусковой ток, однако в предложенном варианте (благодаря программному формированию напряжений питания обмоток двигателя, которое наиболее эффективно в зоне малых скольжений) снижение входного момента не сказывается на условиях синхронизации и ресинхронизации. Такое проектирование, в сочетании с возможностями программного формирования напряжения возбудителя, обеспечивает средний момент двигателя, достаточный для его надежного плавного разгона до синхронной скорости включительно.
На рис. 5 приведены результаты исследования динамики пуска мельницы ММС-90-30 со сниженным на 15% напряжением питания при минимальном среднем моменте двигателя 1,5 Мн.
Видно, что даже в этих условиях двигатель успешно синхронизировался. Это позволяет заключить, что использование программно управляемого комбинированного источника напряжений
І,
О. 0.
6.0
6.0
Л.О
2.0
-2.0
Рис. 5. Динамика прямого пуска со сниженным на 15% напряжением питания, увеличенным паспортным пусковым моментом двигателя, нагрузке 1,1 Мн с использованием программного управления при добавочном сопротивлении 3,2 Ом, коэффициенте форсирования возбуждения 5 и ограничении минимального среднего момента уровнем 1,5 Мн: 1 - скорость двигателя; 2 - упругий момент; 3 - ток статора; 4 - напряжение возбудителя; 5 - напряжение обмотки статора; 6 - момент нагрузки
питания синхронного двигателя с повышенным пусковым моментом обеспечило успешный разгон и синхронизацию двигателя даже при таком снижении напряжения питания и нагрузке, существенно большей номинальной. Это особенно важно горно-обогатительных комбинатов, поскольку обычно при плановых или внеплановых остановках мельниц их предварительно «выхаживают» в течении 0,25.0,35 часа с соответствующей потерей продукции. Последнее связано с необходимостью исключения «слеживаемости» внутримельничной загрузки, что часто приводит к невозможности успешного запуска привода мельницы и необходимости ее разгрузки из барабана. Таким образом, благодаря новому методу управления двигателем, создаются условия успешного запуска мельничного привода без выхаживания мельницы даже при номинальной загрузке с соответствующими экономическими преимуществами. Одновременно для тяжелых условий запуска с номинальной нагрузкой это позволяет выбирать мощность двигателя с минимальным запасом, что на практике означает снижение цены двигателя на 10.20% и обеспечивает его роботу в установившихся режимах с номинальным КПД.
Выводы
1. В режимах самозапуска после перерыва в питании коэффициент динамичности момента в зубчатом зацеплении двухмассовой системы мельница-синхронный двигатель с упругой связью и вязкостью достигает опасных значений. Эффективное снижение динамических нагрузок обеспечивает программное формирование питающих напряжений двигателя.
2. Для ограничения первого пика упругого момента в режимах самозапуска следует использовать комбинированный програмно управляемый источник питания обмоток возбуждения и статора синхронного двигателя.
3. В условиях снижения напряжения сети надежный пуск мощных синхронных приводов с номинальной нагрузкой обеспечивают программное управление напряжением возбудителя и повышенный паспортный момент двигателя.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абрамович Б.Н., Круглый А.А. Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных двигателей. - Л.: Энергоавтоматиздат. Ленинградское отделение, 1983. - 128 с.
2. Fisher I. Sunchronons motors move widely used. - Electrical times, 1981, Febryary 6, №4598, p.10.
3. Пэк Ен Чер. Исследование влияния знакопеременного регулирования возбуждения синхронных машин на процесс вхождения в синхронизм. - Изд. вузов, Энергетика. - 1958, № 10. - с. 1-8.
4. Соколов Н.И., Сумцов И.А., Кременецкий А.М. Ресинхронизация синхронных двигателей многократной форсировкой возбуждения. - Электричество, 1975. - № 5. - с.43-48.
5. Урусов И.Д. Линейная теория колебаний синхронной машины. М.- Л., Изд. АН СССР. - 1960.
6. Промышленные испытания устройства циклической ресинхронизации на синхронном двигателе газового компрессора / А.М. Кременецкий, Т.И. Жучки-на, С.Н. Станкевич и др. // Промышленная энергетика. - 1982. - №7. - С.38-40.
7. Пивняк Г.Г., Школа Н.И., Кириченко В.В. Роль программного управления в обеспечении надежности многомассовых систем с синхронными электроприводами // Металлургическая и горно-обогатительная промышленность. - 2002.
- №3. - C. 81-87.
8. Півняк Г.Г., Кириченко В.В., Боровик Р.О. Програмне керування синхронним двигуном з важкими умовами запуску // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету (технічні науки). Тематичний випуск «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика» / Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2007 - С. 146-148. ЕШ
Pivnyak G.G., Kirichenko V.I., Borovik R.A.
PERSPECTIVE APPROACH TO BUILDING OF POWERFUL SYNCHRONOUS ELECTRODRIVES WITH IMPROVED STARTABILITY AND OPERATING PROPERTIES
The algorithms ofprogram control ofpower supply of cables of synchronous electrodrives for decreasing dynamic loads and formation of required form of electromagnetic torque are developed.
Key words: energy consumption of industrial production, start of synchronous electrodrives, program controlling.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------
Пивняк Г.Г. - академик Национальной академии наук Украины, ректор Национального горного университета, заведующий кафедрой систем электроснабжения, доктор технических наук, профессор,
Кириченко В.И. - профессор кафедры электропривода Национального горного университета, доктор технических наук,
Кириченко В.В. - доцент кафедры систем электроснабжения Национального горного университета, кандидат технических наук,
Боровик Р.А. - старший научный сотрудник кафедры электропривода Национального горного университета.
E-mail: [email protected]
