CC BY
47
------------------------------ © О.А Юрченко, А В. Петренко,
2011
О.А. Юрченко, А В. Петренко
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОДЪЕМА ГОРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ С АСИНХРОННЫМ ПРИВОДОМ
Рассмотрена система подъема оборудована асинхронным приводом с выпрямителем и АИН (фазовекторное управление).
Ключевые слова: преобразовательная техника, система подъема, электротехнические комплексы, энергопотребление.
~П настоящее время в связи с повсеместным распростране-
-Я-М нием преобразовательной техники, ростом единичных мощностей преобразователей и повышением в целом доли нелинейной нагрузки проблемы обеспечении качества электроэнергии и энергосбережения стали приобретать значение приоритетных, требующих первоочередного решения. Требования международных стандартов, таких как IEC 61000-3, IEEE 519, к качеству энергопотребления с годами постоянно усиливались. Темпы внедрения подобных стандартов в России до недавнего времени существенно отставали от международных, однако в последние годы ситуация в значительной степени изменилась. Пересмотрены не только требования, предъявляемые к показателям качества электроэнергии ГОСТ 13109-97, но и введены новые показатели качества ГОСТ Р 51317.3.2.-99. Поэтому проблема преобразовательной техники превращается в проблему электроэнергетики.
Решение указанных проблем средствами самой преобразовательной техники возможно, так как в настоящее время за счет создания и освоения промышленностью высокоэффективных силовых приборов и вычислительных устройств на базе программируемых микроконтроллеров существенно расширились функции силовых устройств. Реализация новых алгоритмов управления потоком электроэнергии от источника к приемнику и наоборот позволяет активно влиять на показатели качества электроэнергии.
Рассматриваемая система подъема оборудована асинхронным приводом с выпрямителем и АИН (фазовекторное управление). Электротехнические комплексы и системы на базе полупроводниковых преобразователей электрической энергии обычно разделя-
ются на две подсистемы: энергетическую и информационную. Энергетическая подсистема включает в себя силовые цепи источника питания, полупроводникового преобразователя и нагрузки и осуществляет двусторонний обмен энергией между первичным источником питания и нагрузкой определенными дозами, посредством модуляции того или иного вида. Информационная подсистема включает в себя систему управления полупроводниковым преобразователем с информационно-измерительной частью и осуществляет управление потоком электрической энергии между первичным источником питания и, как правило, нелинейной нагрузкой. Решение задач обеспечения необходимых энергетических показателей и минимизации массогабаритных показателей сводится, в первую очередь, к определению составляющих полной мощности энергетической подсистемы.
При проектировании как питающих сетей, так и электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями необходимо не только правильно учитывать и разделять все составляющие полной или кажущейся мощности, но и закладывать мероприятия по уменьшению мощностей обменного характера. Следует отметить, что эти мероприятия требуют трудоемкого расчета во временной и частотной областях. В этой связи в последнее время появилась практика проведения исследований в специализированных интегрированных пакетах. В данной работе задача решается с использованием пакета MATLAB/Simulink и его приложения Sim PowerSystems.
Известно, что мгновенная мощность любой энергетической подсистемы определяется произведением мгновенных значений напряжения и тока на ее входе, равна скорости поступления электромагнитной энергии в данный момент времени и в общем случае изменяется в течение периода переменного тока по амплитуде и знаку.
Активная мощность P равна среднему значению мгновенной мощности за период питающего напряжения и определяет количество электромагнитной энергии, необратимо преобразующейся в другие формы энергии. Активная мощность характеризует полезную работу в нагрузке, включая полезную мощность и мощность потерь в установке. Коэффициент полезного действия (к.п.д.) любой энергетической подсистемы, характеризующий потери активной составляющей полной или кажущейся мощности S, определя-
ется как отношение активной мощности отдаваемой в нагрузку P3 к потребляемой активной мощности от сети PG.
Полная, или кажущаяся, мощность S всегда больше фактически передаваемой нагрузке активной мощности из-за существования неактивных составляющих мощности, которые, не создавая полезного эффекта, приводят в то же время к увеличению потерь в питающей сети. Известны три неактивные составляющие полной мощности: реактивная мощность Q, или мощность сдвига, мощность искажения T и мощность несимметрии H. Реактивную мощность или мощность сдвига Q, связывают со сдвигом по фазе основной гармоники тока относительно напряжения питающей сети. Вследствие сдвига основной гармоники тока появляется реактивная составляющая тока, которая не участвует в передаче активной мощности нагрузке, так как среднее значение мгновенной мощности за период, обусловленное этой составляющей тока, равно нулю. Ряд специалистов по преобразовательной технике, считают мощность искажения T составляющей реактивной мощности, обусловленной высшими гармониками тока. Среднее значение мгновенной мощности, связанной с этими гармониками, за период также равно нулю, однако и они вызывают дополнительные потери энергии в сети. Мощность не симметрии H учитывает дополнительные потери энергии, связанные с неравномерным распределением тока по фазам многофазной цепи. В однофазных и многофазных симметричных системах мощность не симметрии равна нулю.
Для измерения активной мощности в трехфазной системе без нейтрального линии как при симметричном, так и при несимметричном режимах эффективнее всего использовать способ двух ваттметров, аналогично для измерения реактивной мощности следует использовать два варметра. Сумма показаний двух ваттметров (варметров) при этом определяет активную (реактивную) мощность всей системы независимо от того, звездой или треугольником соединена нагрузка. В соответствии с указанным способом в пакете MATLAB/ Simulink была разработана измерительная схема Three-Phase Active & Reactive Power. Для измерения активной и реактивной мощности в схеме используется стандартный блок Active & Reactive Power, входящий в раздел SimPowerSystems \ ExtraLibrary \ Measurements. Для измерения полной мощности трехфазной симметричной системы и мощно-
сти искажения была разработана измерительная схема Symmetric Three-Phase Power Measurement.
Эти измерительные схемы могут применяться независимо от способа соединения нагрузки. Среди стандартных блоков приложения SimPowerSystems раздела Extra Library имеются блоки Discrete 3-phase Total Power и Discrete 3-phase Positive-Sequence Active & Reactive Power, измеряющие составляющие полной мощности в трехфазной системе. Полученные при моделировании результаты показали, что величины составляющих полной мощности, измеренные разработанной схемой и стандартными блоками, совпадают в квазиустановившемся режиме. Известно, что при симметричном режиме реактивную мощность можно измерить одним ваттметром. Апробация используемого подхода производилась на моделях и показала достоверность получаемых результатов. Относительная погрешность измерения активной мощности системы на модели не превышала 1-2 %.
В настоящее время актуально использование силовых схем, которые позволяют наиболее перспективно решать проблемы повышения энергетической эффективности и экономичности использования электрической энергии в полупроводниковых преобразователях. Энергетическая подсистема с нагрузкой без противо -э.д.с., реализуется по классической структуре: сеть переменного тока — неуправляемый выпрямитель — силовой фильтр — нагрузка. Наиболее эффективным способов улучшения кривой потребляемого из сети переменного тока является способ, основанный на введении в схему неуправляемого выпрямителя дополнительного силового блока. В простейшем случае дополнительный блок выполняется по схеме импульсного повышающего регулятора, в состав которого входят токоограничивающий дроссель, ключевой прибор VT и отсекающий диод VD. Входной ток может быть получен близким к синусоидальному при неизменной длительности включенного состояния ключевого прибора, что существенно упрощает систему управления. Схемы, построенные по такому принципу, находят широкое применение благодаря простоте их реализации в электротехнических комплексах и системах, не требующих работы нагрузки в генераторном режиме.
Для систем полупроводниковых преобразователей и регулируемых электроприводов как постоянного, так и переменного тока с обратимым характером энергопотребления, в силовых схемах по-
вышение энергетической эффективности достигается за счет применения полностью управляемых полупроводниковых приборов и импульсно-модуляционных алгоритмов управления, реализуемых на современных микроконтроллерных средствах вычислительной техники. Использование этого принципа позволяет при минимизации на достижимом уровне потерь в силовых полупроводниковых преобразователях активно влиять на их энергетическую и электромагнитную совместимость с питающей сетью. Схемы, построенные по такому принципу, носят в отечественной литературе название активных преобразователей (АП), а в англоязычной литературе используется термин преобразователь переменного/постоянного тока (AC/DC Converter). Управляемые силовые модули, на базе которых строится преобразователь, могут иметь разное исполнение, обеспечивая полную управляемость преобразователем в режиме потребления нагрузкой энергии и (или) рекуперации энергии в сеть.
Для обмена реактивной мощностью, включающей мощность высших гармоник, между сетью переменного тока и АП со стороны постоянного тока к нему необходимо подключить накопитель реактивной мощности - индуктивный или емкостной. АП с емкостным накопителем энергии получили большее распространение по сравнению со схемами с индуктивным накопителем энергии. В зарубежной литературе преобразователь переменного/постоянного тока, использующийся непосредственно для преобразования (выпрямления), именуется ШИМ (активный) выпрямитель (АВ). ШИМ выпрямитель с емкостным фильтром или ШИМ (активный) выпрямитель напряжения, обеспечивающий двухсторонний обмен энергией между питающей сетью и нагрузкой, представляет собой обращенное относительно зажимов питания и нагрузки подключение схемы автономного инвертора напряжения к выпрямителю.
Для регулирования качества электроэнергии традиционно использовались компенсаторы реактивной мощности и пассивные фильтры. Создание и освоение промышленностью высокоэффективных силовых приборов: биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и запираемых тиристоров с интегрированным блоком управления (IGCT) позволило существенно расширить функции силовых устройств. Достоинством активного преобразователя является то, что он может работать в режиме активного силового фильтра (АСФ), компенсируя мощность основной гармо-
ники и подавляя высшие гармоники, создаваемые не только их непосредственным потребителем, но и сторонним нелинейным потребителем. Активный силовой фильтр, по сути, представляет собой активный преобразователь, на который возложена функция регулирования качества энергопотребления в Основой любого активного преобразователя является полупроводниковый коммутатор. Одна из возможных схем исполнения полупроводникового коммутатора для трехфазного активного преобразователя разработана в пакете MATLAB. Используемые в схеме силовые модули обеспечивают полную управляемость преобразователем в генераторном режиме.
Пример энергетической подсистемы на базе трехфазного ШИМ — выпрямителя напряжения с RL нагрузкой, шунтированной конденсатором фильтра C , использовался при оценке энергетической эффективности подъемника. Преобразователь полагаем симметричным, представляющим собой в квазиустановившемся режиме симметричную нагрузку, что позволяет использовать при моделировании разработанные измерительные схемы. АП в режиме АСФ может подключаться параллельно или последовательно нелинейному потребителю. Основным недостатком АП в режиме АСФ является относительно большая установленная мощность.
В этом отношении более перспективными являются гибридные фильтры. Последние являются компромиссным техническим решением, сочетающим достоинства традиционных пассивных фильтров из реактивных элементов и АСФ сравнительно малой мощности. Среди способов управления активными преобразователями следует выделить основные на базе: стандартных векторных алгоритмов; прогнозирующего релейно-векторного управления; нечеткого или фаззи-регулирова-ния; нейро-сетевого управления. Прогнозирующее релейно-векторное управление демонстрирует лучшее динамическое поведение, так же как фаззирегулирование согласно, чем стандартные методы управления. При реализации различных алгоритмов управления в пакете MATLAB/Simulink для преобразования координат удобно применять стандартные блоки приложения SimPowerSystems раздел Extra Library, для реализации нечеткого регулятора следует использовать Fuzzy Logic Toolbox, при использовании нейро-сетевых технологий целесообразно применять Neural NetworkBlockset.
Основой любого активного преобразователя является полупроводниковый коммутатор. Одна из возможных схем исполнения полупроводникового коммутатора для трехфазного активного преобразователя разработана в пакете MATLAB. Используемые в схеме силовые модули обеспечивают полную управляемость преобразователем в генераторном режиме.
Пример энергетической подсистемы на базе трехфазного ШИМ — выпрямителя напряжения с двигательной нагрузкой, использовался при оценке энергетической эффективности подъемника. Преобразователь выбран симметричным, представляющим собой в квазиустано-вившемся режиме симметричную нагрузку, что позволяет использовать при моделировании разработанные измерительные схемы.
В модели используется алгоритм управления с одноконтурной структурой регулирования и стабилизации выходного напряжения, который обеспечивает нормальную работу ШИМ - выпрямителя в случае не симметрии источника. Управление силовыми ключами осуществляется с двухсторонней ШИМ при частоте коммутации &ом = 5 кГц. Включение выпрямителя в питающую сеть является наиболее тяжелым режимом работы и, как правило, сопровождается увеличением электромагнитных нагрузок на элементы энергетической подсистемы. Для гашения переходного процесса при пуске выпрямителя используют цепь запуска, включающую в себя гасящий резистор и тиристор. Тиристор цепи запуска включается, когда напряжение на конденсаторе силового фильтра достигнет заданного значения, и шунтирует гасящий резистор. Были получены при моделировании величины составляющих полной (кажущейся) мощности и показателей качества энергопотребления, которые соответствовали данным натурных экспериментов.
Модель трехфазного мостового ШИМ коммутатора
В заключение можно отметить, что в пакете МАТЬАВ/ Simulink используя стандартные или разработанные измерительные схемы можно решать следующие задачи: - определять и анализировать составляющие полной (кажущейся) мощности и показатели качества потребляемой электроэнергии в трехфазных симметричных системах подъема; - реализуя различные алгоритмы управления полупроводниковым преобразователем, решать вопросы нахождения энергетически оптимального алгоритма управления подъемником; - на основании результатов, полученных в ходе моделирования, определять зависимости массогабаритных показателей энергетической подсистемы от составляющих полной мощности для квазистатического режима работы подъема, пгсге
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------
Юрченко О.А. - доцент кафедры ЭСЭМ МПТИ, Петренко А.В. - аспирант.
Якутский государственный университет, sekretar@sitc.ru
248
