CC BY
13
The paper presents the results of experimental studies of noise immunity to electromagnetic influences of the speed control channel, the CAN bus of a modern car and the electronic relay of direction indicators.
Key words: car; onboard electrical complex; electromagnetic compatibility.
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, Kozlovskiy- 76@mail. ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Nikolaev Pavel Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, npa690@yandex. ru, Russia, Togliatti, PJSC «AVTOVAZ»,
Podgorny Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, zxcvbnm8920 7@yandex. ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Debelov Vladimir Valentinovich, candidate of technical sciences, head of department, debe-lovvladimirayahoo. com, Russia, Moscow, SSC RF FSUE «NAMI»,
Saksonov Alexander Sergeevich, postgraduate, alex_electrician@,mail. ru, Russia, Samara, Samara State Technical University
УДК 621.314.5
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПЛЕКСА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ГОРНОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ
В.С. Климаш, М.А. Соколовский
Рассмотрена проблема значительного энергопотребления и искажения тока питающей сети комплексом частотно-регулируемых электроприводов технологических электроустановок промышленного предприятия. Предложен способ переключения диодного выпрямителя с активным фильтром тока на транзисторный выпрямитель, для формирования синусоидального тока в питающей сети, а также для двухстороннего обмена энергией, между комплексом электроприводов и сетью.
Ключевые слова: частотно-регулируемый электропривод, выпрямительно-инверторный преобразователь, искажения тока сети, активный фильтр тока сети, транзисторный выпрямитель, комплекс электроприводов.
Современные горноперерабатывающие предприятия отличаются высокой энергоемкостью и непрерывностью производственного процесса, а также наличием большого количества мощного высокотехнологичного оборудования с современным частотно-регулируемым электроприводом, в состав которого входят диодный выпрямитель, транзисторный автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией и звено постоянного напряжения. Используемые в производственных процессах электроприводы насосов и вентиляторов со скалярным управлением, конвейеры и подъемные краны с векторным управлением и динамическим торможением, составляют комплекс технологических электроустановок промышленного предприятия.
К недостаткам существующего комплекса электроприводов технологического оборудования предприятия, следует отнести низкую энергетическую эффективность, вызванную потерями электрической энергии в комплексе частотно-регулируемых электроприводов при динамическом торможении асинхронных машин и значительное искажение тока сети диодными выпрямителями, которые вместе с реактивной мощностью силового трансформатора подстанции создают дополнительные потери в распределительных сетях.
Для комплексов частотно-регулируемых электроприводов, существует ряд технических решений для рационального использования генерируемой асинхронными машинами энергии. Одно из перспективных решений в этой области - система электроснабжения автономных инверторов напряжения от сети постоянного напряжения объединяющей не только потребителей электрической энергии, но и источники постоянного напряжения. Такие системы получили широкое распространение не только в промышленности [1-3], но и на транспорте [4, 5].
Недостатки такой системы - это высокий уровень вносимых выпрямителем в трехфазную питающую сеть гармонических искажений тока и обязательное наличие устройств защиты звена постоянного напряжения от перенапряжения.
Для снижения потерь электрической энергии в комплексе электроприводов при динамическом торможении асинхронных машин, а также снижении искажений тока в питающей сети разработан выпрямительно-инверторный преобразователь [6, 7], изображенный на рис. 1. В публикациях подробно рассмотрены конструкция устройства и математическая модель системы управления. В отличие от известных технических решений, в разработанном устройстве применяется один комплект силовых элементов, с общей системой управления. Питание выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) осуществляется от силового трансформатора (ТС). Электроприводы технологических электроустановок, подключенные к шинам постоянного напряжения преобразователя, состоят из автономного инвертора напряжения (АИН) и асинхронного двигателя (АД).
ЛД
^НЗ)
ЛИНт] ЛДп
Рис. 1. Структурная схема выпрямительно-инверторного преобразователя
Исследование физических процессов, протекающих в ВИП выявило нестабильность работы преобразователя в выпрямительном и инверторном режимах вызванной излишней коммутацией элементов при величине тока диодного выпрямителя близкой к нулю. Как следствие, включение в это время инверторного режима преобразователя, привело к низкой эффективности использования энергии генераторного торможения электроприводов.
Для повышения стабильности работы устройства при двухстороннем обмене электрической энергией между комплексом частотно-регулируемых электроприводов и питающей сетью с низким уровнем искажений тока сети, разработан способ коммутации элементов преобразователя, который предусматривает три режима работы: выпрямительный, инверторный и режим накопления электрической энергии. Блок-схема операций способа изображена на рис. 2.
Рис. 2. Блок-схема операций способа переключения режимов выпрямительно-инверторного преобразователя
В выпрямительном режиме преобразователя, осуществляется питание электроприводов, подключённых к шинам постоянного напряжения от диодного выпрямителя (Д). При этом величина тока (/ос) на выходе выпрямителя больше нуля, а элементы схемы находятся в следующем состоянии: К1 - замкнут, К2 - разомкнут, система управления (СУ) транзисторного коммутатора (Т) - работает в режиме активного фильтра тока (АФТ) (блок 1 на рис. 2).
Когда частотно-регулируемый электропривод переходит в режим генераторного торможения, на шины увеличивается поступление электрической энергии, которую потребляют электроприводы, функционирующие в двигательном режиме, при этом ток диодного выпрямителя начинает снижаться, а напряжение на шинах (Цос) находится в пределах заданного значения (Це). При снижении значения тока на выходе выпрямителя до нуля, потребление электрической энергии из питающей сети прекращается, напряжение на шинах остается меньше заданного значения и преобразователь переключается в режим накопителя электрической энергии (блок 2 на рис. 2). Для накопления поступающей на шины энергии генераторного торможения в конденсаторах фильтров каждого электропривода, транзисторный коммутатор переводится в непроводящее состояние, а конденсатор С1, при помощи коммутатора К2, подключается к шинам постоянного напряжения, выполняя функцию дополнительного накопителя.
Когда генерируемой энергии становится больше чем потребляется, напряжение на шинах становится выше заданного значения, а ток выпрямителя остается равным нулю. При этом преобразователь переводится в инверторный режим, с соответствующим переключением элементов (блок 3 на рис. 2), а транзисторный коммутатор работает как активный выпрямитель напряжения (АВН). Для правильного функционирования транзисторного коммутатора в соответствующих режимах работы выпрямительно-инверторного преобразователя, при помощи трехфазного ключа К1 производится изменение величины трехфазной индуктивности, образованной элементами Ь1 и Ь2, подключенных к выходу коммутатора.
Осциллограммы, полученные при помощи разработанной имитационной модели в среде имитационного моделирования 81шиНпк пакета МайаЬ и характеризующие процессы, протекающие во время работы преобразователя при коммутации элементов устройства по разработанному способу, изображены на рис. 3.
Общее время моделирования составляет 0,52 секунды и разбито на шесть интервалов. На первом интервале (от 0 до 0,08 с), питание шин постоянного напряжения осуществляется от диодного выпрямителя, при этом транзисторный коммутатор находится в закрытом состоянии, и компенсация искажений тока не производится. На втором интервале (от 0,08 до 0,17 с), выпрямительно-инверторный преобразователь переводится в выпрямительный режим. Транзисторный коммутатор генерирует антиискажения и суммарный ток сети преобразуется в синусоидальный. В начале третьего интервала (от 0,17 до 0,19 с), количество генерируемой энергии становится равным потребляемой и ток через диодный выпрямитель снижается до нуля. В это время количе-
ство генерируемой энергии продолжает расти и ВИП переключается в накопительный режим. На четвертом интервале (от 0,19 до 0,29 с), генерируемой энергии становится больше чем потребляется и выпрямительно-инверторный преобразователь переключается в инверторный режим. При этом транзисторный коммутатор работая как инвертор ведомый сетью осуществляет рекуперацию энергии в питающую сеть из звена постоянного напряжения. Во второй половине четвертого интервала, электропривод снижает интенсивность генераторного торможения. Когда в звене постоянного напряжения величина потребляемой энергии соразмерна генерируемой и рекуперация энергии в сеть прекращается, (на пятом интервале от 0,29 до 0,31 с), производится отключение транзисторного выпрямителя (рекуператора). При потреблении энергии из накопителя напряжение на конденсаторе снижается (шестой интервал от 0,31 с), вновь вступает в работу диодный выпрямитель и АФТ сети, комплекс электроприводов переходит в режим потребления энергии из сети.
30
Рис. 3. Осциллограммы величин в контрольных точках выпрямительно-инверторного преобразователя: а — фазный ток питающей сети; б — ток на выходе диодного выпрямителя; в — напряжение на шинах
Осциллограммы величин питающей сети характеризующие энергетические характеристики выпрямительно-инверторного преобразователя изображены на рис. 4.
Анализ осциллограммы коэффициента несинусоидальности тока питающей сети (рис. 4, б) показывает наличие искажений тока при переключениях режимов функционирования преобразователя, а также наличие искажений при накоплении энергии в сети постоянного напряжения, на третьем и пятом интервалах. Однако, ток питающей сети на третьем и пятом интервалах близок к нулю и не оказывает влияния на сеть. В установившихся режимах работы выпрямительно-инверторного преобразователя величина коэффициента несинусоидальности тока стремится к единице. Анализ осциллограммы коэффициента мощности питающей сети (рис. 4, в) показывает, что снижение величины коэффициента наблюдается при переключениях режимов функционирования преобразователя. В выпрямительном и инверторном режимах при сдвиге фаз напряжения и тока равным нулю, величина коэффициента мощности стремится к единице (к -1 в инверторном режиме). При увеличении угла, коэффициент мощности снижается.
б
Рис. 4. Осциллограммы величин питающей сети: а — фазный ток и напряжение питающей сети; б — коэффициент искажения тока; в — коэффициент мощности
Анализ результатов исследования физических процессов в комплексе частотно-регулируемых электроприводов технологических электроустановок при коммутации элементов выпрямительно-инверторного преобразователя в соответствии с разработанным способом, позволил сделать следующие выводы:
Численными экспериментами в среде Ма1!аЬ, на разработанной имитационной модели выпрямительно-инверторного преобразователя, установлены пределы прямого и обратного переключения диодного выпрямителя с активным фильтром тока сети и транзисторного выпрямителя для двухстороннего обмена энергией с формированием синусоидального тока сети.
Режим накопления электрической энергии, позволяет использовать конденсаторы входных фильтров каждого электропривода, подключенного к шинам постоянного напряжения в качестве дополнительного накопителя, при этом увеличивается эффективность использования энергии генераторного торможения. Кроме этого повысилась устойчивость работы преобразователя в выпрямительном и инверторном режимах за счет исключения излишней коммутации элементов устройства.
Список литературы
1. Белов М.П., Новиков В. А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: учебник для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр "Академия", 2007. 576 с.
2. Ладыгин А.Н., Богаченко Д.Д., Ладыгин Н.А., Холин В.В. Энергосберегающий электропривод подъемного механизма с резервным питанием // Вестник Московского энергетического института. 2017. №6. С. 126-132. Б01: 10.24160/1993-6982-20176-125-132.
3. Патент 2519824 РФ. Система и способ распределения мощности / БО Ове. Опубл. 20.06.2014. Бюл. №17.
4. Гречишников В. А., Шаламай И.В., Власов С.П. Уменьшение потерь электроэнергии в тяговой сети за счет выравнивания напряжения на шинах тяговых подстанций постоянного тока // Электротехника. 2017. №9. С. 46-48.
в
5. Романовский В.В., Малышев В.А., Бежик А.С. Анализ схемных решений гребных электрических установок с распределенной шиной постоянного тока // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. 2019. Т. 11. № 1. С. 169-181. DOI: 10.21821/2309-5180-2019-11-1-169181.
6. Патент 2713493 РФ. Выпрямитель с активным фильтром / В.С. Климаш, М.А. Соколовский, А.В. Петухов. Опубл. 05.02.2020. Бюл. №4.
7. Климаш В.С., Соколовский М.А. Повышение энергетической эффективности комплекса подъемных кранов // Электротехнические системы и комплексы. 2020. № 1(46). С. 34-40. DOI: 10.18503/2311-8318-2020-1 (46)-34-40.
Климаш Владимир Степанович, д-р техн. наук, проф., профессор кафедры, [email protected], Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет,
Соколовский Михаил Александрович, аспирант, [email protected], Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет.
INCREASED EFFICIENCY OF ELECTRIC DRIVE COMPLEX OF PROCESS EQUIPMENT
OF MINING PROCESSING PLANT
V.S. Klimash, M.A. Sokolovskii
The problem of significant power consumption and current distortion of the supply network by a complex of frequency-controlled electric drives of technological electric installations of an industrial enterprise is considered. Disclosed is a method of switching a diode rectifier with an active current filter to a transistor rectifier, for generating a sinusoidal current in a supply network, as well as for two-sided energy exchange, between a complex of electric drives and a network.
Key words: frequency-controlled electric drive, rectifier-inverter converter, mains current distortion, active mains current filter, transistor rectifier, electric drive complex.
Klimash Vladimir Stepanovich, doctor of technical sciences, professor, professor of the department, klimash@yandex. ru, Russia, Komsomolsk-na-Amure, Komsomolsk-na-Amure State University,
Sokolovskii Mikhail Aleksandrovich, postgraduate, [email protected], Russia, Komso-molsk-na-Amure, Komsomolsk-na-Amure State University
