CC BY
121
5. Лихоманов А.М., Дмитриев Б.Ф. Анализ и синтез гармонического состава выходного напряжения однофазных инверторов с импульсной нагрузкой// Электричество. №7. 2009. С. 56-61.
6. Дмитриев Б.Ф. Анализ статических характеристик ступенчатого преобразователя напряжения// Электротехника. 2000. № 12. С. 26-30.
B. Dmitriev, A. Kalmy'kov, A. Senkov
Multilevel pulse-width voltage converters for ship electroenergy systems
Statical and power parameters of regulators of constant voltage on the basis of alllevel converters pulse-width modulation of voltage output is esteemed. The characteristic relations of figure of merits of output and input energy are resulted.
Keywords: technical means, electric energy, energy-savings, semiconductor converters.
Получено 06.07.10
УДК 629.9:502.14:62-83
Г.М. Иванов, д-р техн. наук, проф., директор, (495) 971-04-48, [email protected],
О.И. Осипов, д-р техн. наук, проф., ведущий науч. Сотр., (495) 971-04-48, [email protected],
А.С. Дронов, канд. техн.наук, зам. директора, (495) 971-04-48,
К. А. Кузин, инженер, (495) 971-04-48,
[email protected] (Россия, Москва, НПЦ «Русэлпром - Мехатроника»)
ПРОБЛЕМЫ И ОПЫТ МОДЕРНИЗАЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ
Рассматриваются основные проблемы и результаты модернизации высоковольтных синхронных электроприводов насосной станции.
Ключевые слова: возбудители синхронных двигателей, преобразователи частоты, электроприводы, СД, асинхронный пуск.
Замена нерегулируемых синхронных электродвигателей СД насосных станций на частотно-регулируемые электроприводы, обусловленная стремлением снижения энерго- и ресурсозатрат, наряду с общеизвестными проблемами модернизации асинхронного электропривода насосов имеет ряд дополнительных особенностей.
1. Синхронному электроприводу насосов, как правило, свойственны более высокие мощности и напряжения питания двигателей СД. И если для модернизации низковольтных приводов на рынке преобразователей частоты ПЧ имеется их большое количество, то для мощных высоковольтных синхронных приводов выбор ПЧ весьма ограничен.
2. Применение в современных ПЧ микропроцессорных систем управления требует для возбудителей синхронных двигателей ВСД соответствующей замены их технически устаревших аналоговых систем управления на цифровые. По условиям эксплуатационной надежности работы для приводов насосов должны сохраняться как регулируемые, так и нерегулируемые режимы работы, а также пуск привода за счет переключения питания статора СД либо на ПЧ, либо на промышленную сеть высокого напряжения. Отсюда алгоритмы управления ВСД должны обеспечивать:
- асинхронный пуск СД при питании его от сети;
- частотный пуск СД;
- регулирование энергетических показателей привода при питании СД от ПЧ;
- режимы питания СД в процессе его переключения от ПЧ к питающей сети и обратно.
3. Режимы выравнивания частоты, фазы и напряжения питания СД при работе от ПЧ с частотой, фазой и напряжением питающей сети при переключении двигателя от ПЧ к сети и обратно, предъявляют к системе управления ПЧ, работающего с СД более жесткие требования по точности и стабильности, чем для ПЧ, работающей на асинхронные двигатели.
Подобная многофункциональность работы синхронного привода насосов налагает дополнительные требования к системам их управления и взаимосвязи между собой СД, ПЧ и ВСД.
Решение ряда указанных проблем можно показать на примере модернизации электропривода насосной станции чусовских очистных сооружений (ЧОС-2) города Перми, выполненной сотрудниками НПЦ «Русэл-пром - Мехатроника». Схема силового питания и обмена информацией между элементами всего электротехнического комплекса станции с 6 насосными агрегатами и 6 высоковольтными синхронными двигателями насосов типа СДН2-16-49-6 У3 мощностью 1250 кВт приведена на рис.1. Для питания СД был выбран высоковольтный многоячеечный ПЧ типа Robicon Perfect Harmony, отличающийся высоким коэффициентом электрической мощности и близким к синусоиде выходным током без использования дополнительных выходных фильтров [1].
Шкаф видеотерминальной станции ШВТС содержит программируемый логический контроллер ПЛК для реализации алгоритмов управления электроприводами, включая режимы переключения питания двигателя с ПЧ на сеть; приема и обработки аналоговых и дискретных сигналов, поступающих от датчиков. Пульт управления ПУ и вспомогательное оборудование обеспечивают формирование и передачу управляющих сигналов преобразователю ПЧ по сети PROFIBUS, включая задание на скорость; сбор и обработку данных переменных, поступающих от ПЧ. Обработанные данные передаются на видеотерминальную станцию ВТС, предназначенную для управления и контроля готовности к работе электропривода, ви-
зуализации состояния и режима работы электропривода, архивации основных его координат. Все регистрируемые данные электропривода остаются доступными на персональном компьютере в течение 30 суток с момента записи. Шкаф управления электроприводом ШУЭП так же содержит ПЛК, который на основании данных от ШВТС по сети РКОБГОиЗ осуществляет управление силовой части привода. ШУЭП обеспечивает и световую индикацию состояния электроприводов насосов.
Рис. 1. Схема силового питания и обмена информацией между элементами всего электротехнического комплекса станции чусовских очистных сооружений (ЧОС-2) г. Перми
На рис. 1: ТУ - питающий трансформатор; 1.1-6.1 - ячейки питания 1-6 агрегатов от сети; ПЧ - преобразователь частоты; 1.2-6.2 - ячейки питания 1-6 агрегатов от ПЧ; Д1-Д6 синхронные двигатели; 1.3-6.3 - возбудители 1-6 синхронных двигателей; 1.4-6.4 - электроприводы задвижек на входе 1-6 агрегатов; 1.5-6.5 - электроприводы задвижек на выходе 1-6 агрегатов; 1.6-6.6 - датчики давления на выходе 1-6 агрегатов; 1.7-6.7 -датчики давления на входе 1-6 агрегатов; 7 и 8 - датчики давления на напорном коллекторе; Х1 - сигналы индикации и управления высоковольт-
88
ными ячейками; Х2 - сигналы от датчиков давления; Х3 - сигналы канала обмена информацией по сети PROFIBUS; Х4 - сигналы индикации и управления задвижками; Х5 - сигналы индикации и управления электроприводом насосов; Х6 - сигналы сети промышленного интернета.
К секции шин 6 кВ с частотой 50 Гц подключены ПЧ и электродвигатели (см. рис. 1). Выход ПЧ питает шину регулируемых напряжения от 0 до 6 кВ и частоты от 0 до 50 Гц. ПЧ обеспечивает плавный пуск и вывод из работы любого из 6 насосов и синхронизацию электродвигателя насоса с питающей сетью. При этом исключаются удары в гидравлической и электрической сетях. Регулирование давления происходит за счет изменения частоты вращения электродвигателя, питающегося от ПЧ. При выходе из строя ПЧ предусмотрен прямой пуск от сети любого из синхронных электродвигателей.
При модернизации синхронного электропривода все ранее работавшие ВСД с аналоговой системой управления были заменены на нереверсивные тиристорные возбудители серии Simoreg DC Master с микропроцессорной системой управления, совместимой с интерфейсами современных ПЧ и контроллеров. В составе ВСД (рис. 2): главный контактор ГК, ограничитель перенапряжений ОПН, коммутационный дроссель КД, выпрямительный мост ВМ, тиристорный ключ ТК и разрядный резистор РР [2]. Выпрямленный ток с ВМ через контактные кольца ротора ККР синхронного двигателя подаётся в обмотку его возбуждения ОВСД. Силовые согласующие трансформаторы питания прежнего ВСД и аппараты максимально-токовой защиты возбудителя при модернизации были сохранены.
Рис. 2. ВСД с нереверсивными тиристорными возбудителями
серии Simoreg DC Master
Для ВСД была предложен алгоритм управления по рис. 3. Здесь отмечены два управляющих воздействия: задание на ток возбуждения СД и команда на подключение резистора РР. Задание тока возбуждения формируется в функции режимов работы электропривода с питанием статора СД от ПЧ или от сети. При работе от ПЧ требуемая величина тока ротора вычисляется системой управления СУ ПЧ. При работе от сети задание тока возбуждения формируется системой управления ВСД на его свободных функциональных блоках. Соответствующие переключения осуществляются в блоках БП1, БП2.
Режим работы при питании от сети
Рис. 3. Алгоритм управления ВСД
При питании СД от сети задание тока возбуждения и команда на включение резистора РР от начала пуска до втягивания СД в синхронизм формируется в следующей последовательности. При пуске, когда скорость ротора находится в пределах от нуля до подсинхронной, узел прямого пуска (рис. 3) задаёт нулевой ток возбуждения и команду на включение резистора РР. При этом главный контактор ГК разомкнут, и управляющие импульсы СИФУ выпрямительного моста ВМ заблокированы. При достижении подсинхронной скорости узел прямого пуска отключает резистор РР от обмотки возбуждения СД. Далее разрешается подача управляющих импульсов СИФУ, включается контактор ГК и узлом прямого пуска форсируется задание тока возбуждения СД, способствуя, тем самым, втягиванию ротора в синхронизм. Затем узел прямого пуска прекращает работу, а задание тока возбуждения начинает формироваться узлом поддержания требуемого еоБф.
При аварийных режимах в ВСД вступает в действие узел их анализа, отслеживающий состояние электропривода в реальном времени и имеющий приоритет в формировании управляющих воздействий. Так, в синхронном режиме при перегрузке и перегреве СД этот узел выдает предупреждение обслуживающему персоналу и формирует задание еоБф = 1, а при выпадении СД из синхронизма он отключает напряжение питания статора, включает резистор РР, задает нулевой ток возбуждения, блокирует СИФУ и отключает контактор ГК. Алгоритмы управления ВСД технически реализованы на свободных функциональных блоках программного обеспечения преобразователя Simoreg DC Master.
Работоспособность предложенной системы управления ВСД электроприводов насосной станции ЧОС-2 подтверждена экспериментальными исследованиями при различных режимах их работы. Так на рис. 4 в относительных единицах представлены осциллограммы действующего значения тока статора 1с и мгновенного значения тока в обмотке возбуждения iв синхронного двигателя при прямом асинхронном его пуске. При пуске задвижка на стороне нагнетания насоса была закрыта.
б 5
4
3
2 -
1
О -
- t
V JCH= 139А
i
Рис. 4. Осциллограммы действующего значения тока статора 1с и мгновенного значения тока в обмотке возбуждения Ьв синхронного двигателя при прямом асинхронном его пуске
Асинхронный пуск СД осуществлялся в 4 этапа, используя параметры скольжения, тока статора, реактивной мощности двигателя, а также
текущие значения напряжения ротора и времени. Возможность одновременного применения нескольких принципов пуска обусловлена тем, что система управления ВСД реализована на быстродействующей микропроцессорной технике. Такой подход гарантирует правильное поведение системы управления ВСД при различных режимах работы СД и технологического оборудования.
В начальный момент первого этапа асинхронного пуска в высоковольтном распределительном устройстве включается вакуумный выключатель и на статор СД подаётся высокое напряжение. При этом ротор СД неподвижен и замкнут на низкоомный разрядный резистор РР (рис. 2). На первом этапе ротор СД разгоняется под действием асинхронного вращающего момента, обусловленного взаимодействием токов демпферной клетки ротора и токов обмотки статора. При достижении подсинхронной скорости вращения система управления ВСД отключает разрядный резистор от обмотки ротора СД, заканчивая первый этап асинхронного пуска СД.
Второй этап асинхронного пуска СД характеризуется устойчивым вращением ротора на подсинхронной скорости с разомкнутой обмоткой возбуждения. При этом система управления производит непрерывную диагностику режима работы СД по нескольким независимым критериям, в числе которых амплитуда и частота ЭДС, наводимой на зажимах ОВСД, величина тока статора и время с момента пуска. Целью диагностики является принятие решения о возможности и момента подачи тока возбуждения в обмотку ротора СД.
Третий этап асинхронного пуска СД начинается с момента подачи тока возбуждения. Форма кривой тока возбуждения в начале этого этапа (рис. 4) существенно зависит от того, каким образом сориентированы полюса обмотки возбуждения относительно потока машины в момент подачи тока. Тем не менее, ни для СД, ни для ВСД, ни для технологического процесса нет никакой разницы, какова эта форма. Важным является то, что третий этап по своей сути является форсировкой возбуждения, предназначенной для гарантированного втягивания СД в синхронизм. Во время третьего этапа ВСД выполняет два действия: подаёт большой ток возбуждения и диагностирует втягивание СД в синхронизм. Третий этап (форси-ровка возбуждения) намеренно затянут и заканчивается с выдержкой времени после момента диагностирования синхронного вращения СД.
Четвёртый этап асинхронного пуска характеризуется синхронным вращением ротора СД и поддержанием системой управления ВСД заданного коэффициента мощности СД (на рис. 4 показан случай с поддержанием единичного коэффициента мощности). В сущности, четвёртый этап к асинхронному пуску не относится, поскольку является нормальным режимом работы СД при питании статора от сети.
При работе ВСД в составе частотно-регулируемого привода структура системы управления возбудителя существенно отличается от структу-
ры, которая работает при питании статора от промышленной сети высокого напряжения. Управление и защиты СД при этом переносятся в ПЧ, а ВСД выполняет роль управляемого источника тока.
Для исключения аварийных режимов работы ВСД и СД в систему управления возбудителя были введены функции диагностики этих режимов с одновременным применением большого числа критериев диагностики и доступных измерению переменных (токов, напряжений, коэффициента мощности и т.п.) в цепях ротора и статора СД, а также в цепях высоковольтного распределительного устройства. Однако многочисленные алгоритмы диагностики в ряде случаев приводили к существенным перестраховкам в работе системы. Так, например, из рис. 4 видно, что на принятие решения о подаче тока возбуждения (этап 2 асинхронного пуска СД) система управления ВСД тратит времени больше, чем занимает собственно прямой пуск (этап 1 асинхронного пуска СД). При этом следует отметить, что время, затрачиваемое на этап 2, не является жестко детерминированной величиной и в зависимости от настроек системы управления, электромеханических свойств СД и характеристик механизма может варьироваться в пределах 1.. .7 секунд.
Особенность системы управления ВСД в возможности ее работы как при питании СД от сети, так и при его питании от ПЧ. Гибкость в перенастройке системы управления и ее согласовании с релейно-контакторной системой и блокировками в ранее действующих и сохраненных системах управления как низковольтной, так и высоковольтной частями синхронного электропривода насосных станций позволяют повысить надежность и оперативность модернизации подобных электроприводов. Опыт эксплуатации насосных агрегатов с СД и предложенной системы управления ВСД подтвердило их работоспособность СД как в нерегулируемых, так и в регулируемых электроприводах.
При вводе в эксплуатацию частотно-регулируемого электропривода с помощью ВТС были зафиксированы основные переменные электропривода (рис. 5) при начальном пуске насоса и его работе с закрытой задвижкой водовода. После команды «Пуск» в промежуток времени с ^ до ¿2 происходит предварительное намагничивание СД, при котором в системе управления ПЧ блокируется задание скорости двигателя. С момента ¿2 скорость двигателя п нарастает по линейному закону. Напряжение и, активная составляющая тока I статора и мощность Р двигателя увеличиваются по мере увеличения нагрузки. При ¿3 происходит выход СД на установившийся режим. Ток возбуждения /в при пуске остается постоянным. При частотном пуске происходит плавное изменение координат двигателя и ограничение его пусковых токов, обеспечивая щадящий режим эксплуатации привода насосов.
и, В I, А
6600 п 200
5775 -4950 -4125 -33002475 -1650825 -0 -
175
1 sons-100 75 ■ 5025
77. об/мин
г 1000
875
750
625
-500
-375
25.0
-125
М,Н-м 3600 2700 1800 900 О
Рис. 5. Основные переменные электропривода при начальном пуске насоса и его работе с закрытой задвижкой водовода
Система регулирования давления программно реализована в ПЛК с ПИ - регулятором давления РД. Текущее значение давления воды в напорном коллекторе, поступающее с датчиков давления (см. рис. 1), обрабатывается в ПЛК и поступает в канал отрицательной обратной связи. Значение необходимого давления воды задается в персональном компьютере, обрабатывается в ПЛК и подается на вход РД, выход которого задает скорость двигателя в соответствии с необходимым давлением воды в напорном коллекторе.
На рис. 6 представлены осциллограммы переменных электропривода в режиме стабилизации давления в напорном коллекторе. Небольшие колебания давления воды p в коллекторе обусловлены возмущающими воздействиями в системе водоподачи. Напряжения U, ток статора /с, момент M и скорость n ротора двигателя отражают процесс стабилизации давления. Ток возбуждения в период работы двигателя остается постоянным на уровне 120 А, обеспечивая единичный коэффициент мощности.
Преобразователь частоты Robicon Perfect Harmony имеет в своем программном обеспечении функцию перехода питания СД от ПЧ к питающей сети и обратно. Однако в процессе реализации этого перехода приходится сталкиваться с проблемой нестационарного режима работы привода из-за возмущающих воздействий со стороны нагрузки. В итоге возникают противоречия между необходимостью поддерживать давление в напорном коллекторе за счет изменения скорости насоса, а значит изменения частоты и амплитуды выходного напряжения ПЧ, и стремлением их совместить по амплитуде, частоте и фазе с напряжением питающей сети. Поэтому приходится размыкать контур регулирования давления и стаби-
лизировать нагрузку на валу СД, например работой его на закрытую задвижку водовода. А это не всегда приемлемо и, соответственно, требует поиска иных решений.
Рис. 6. Осциллограммы переменных электропривода
в режиме стабилизации давления в напорном коллекторе
Итог модернизации высоковольтного синхронного привода насосной станции ЧОС-2 подтвердил высокую экономичность работы станции за счет поддержания требуемого ее режима и необходимого давления изменением, как частоты вращения насосов, так и количества работающих насосов. В результате модернизации удельный расход энергии на перекач-
3 3
ку воды снизился со 155 тыс. кВт-ч/м до 115 тыс. кВт-ч/м . При этом экономия энергии достигла 10 млн кВт-ч в год, что составило от 20 до 25 % общего энергопотребления насосной станции.
Список литературы
1. Приводы Perfect Harmony. Руководство по работе с приводами серии Robicon Perfect Harmony. USA. ASIRobicon. 2001.
2. Управление тиристорными возбудителями высоковольтных синхронных двигателей / О.И. Осипов [и др.] // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Сер. Энергетика. Челябинск. 2008. Вып.10., №26 (126). С. 56-60.
G. Ivanov, O. Osipov, A. Dronov, K. Kuzin
Problems and the experience of the modernization of the high-voltage synchronous drive of the pump plant
Basic problems and the results of the modernization of the high-voltage synchronous drive of the pump plant are reviewed.
Keywords: activators of synchronous engines, frequency converters, electric drives, SD, asynchronous start-up.
Получено 06.07.10
УДК 629.9:502.14:62-83
Д.А. Корев, инженер-системотехник, 8-903-577-05-29, [email protected] (Россия, Обнинск, ООО «Институт электропитания»), И.Л. Озерных, д-р техн. наук, гл. конструктор, 8-903-577-05-29, [email protected] (Россия, Обнинск, ООО «Институт электропитания»)
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЗАДАЧАХ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Рассмотрены принципы моделирования энерготехнологической системы в пространстве состояний. Представлена математическая модель в пространстве состояний для описания динамики энерготехнологической системы. Выделены необходимые для решения задачи.
Ключевые слова: баланс мощности, внутренние ресурсы, технологический процесс, энергоэффективное управление, энерготехнологическая система.
Развитие рыночных отношений в электроэнергетике обуславливает необходимость совершенствования технологии оперативного управления балансом мощности в электроэнергетических системах. В частности, возникает проблема нарушения планового баланса мощности, отпускаемой потребителю, с приобретаемой на оптовом рынке, что существенно ухудшает показатели бизнес-процессов субъектов розничного рынка.
Стохастический характер мощности потребителя, особенности тарифных систем и правила функционирования оптового и розничного рынков определяют целесообразность использования локальной балансирующей мощности. Фактически это превращает распределительную сеть в локальную электроэнергетическую систему. Такой подход позволяет наряду с планированием базового баланса мощности вести по данным наблюдений оперативное управление балансом мощности локальной системы, что снижает риски розничного рынка. Рассмотрим алгоритм управления динамикой баланса мощности в локальной системе на основе модели в пространстве состояний.
Принципы моделирования энерготехнологической системы в задачах автоматизации. Автоматизированную энерготехнологическую систему можно рассматривать как структуру, состоящую из технологического и
