CC BY
16
УДК 621.341.572
С.А.Ёрохов
ВЫБОР СПОСОБА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С АВТОНОМНЫМ ИСТОЧНИКОМ ЭНЕРГИИ
Рассмотрены способы обеспечения электромагнитной совместимости в системах электропривода с автономными источниками электроэнергии, их достоинства и недостатки. Обозначены особенности и проблемы, присущие системам с автономными источниками энергии. Даны рекомендации по выбору системы управления активным выпрямителем. Рассмотрены недостатки существующих систем управления. Приведена функциональная схема векторной системы управления активным выпрямителем. Определены перспективные направления в разработке новых систем управления активным выпрямителем.
Ключевые слова: электропривод, активный выпрямитель, система управления, автономный источник энергии.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-8-0-231-235
Сегодня основным приводом различных технологических механизмов, агрегатов, и машин является электропривод. В связи с этим целесообразным решением повышения технико-экономических показателей данного оборудования является разработка структуры и алгоритмов эффективного управления не только электроприводом, но и преобразователями частоты и автономными источниками электроэнергии данного оборудования.
В современном мире автономные системы электроснабжения находят применение в различных сферах добывающей промышленности таких, как горная и нефтедобывающая. Системы автономного электроснабжения обеспечивают энергией мотор-колеса карьерных самосвалов большой грузоподъемности, ме-
ханизмы карьерных экскаваторов, технологические комплексы морских буровых платформ. Основными элементами данной системы, независимо от сферы применения, являются дизель-генератор, преобразователь частоты, состоящий из выпрямителя и автономного инвертора напряжения,асинхронный или синхронный электродвигатель.
Автономная система электроснабжения обладает рядом особенностей, в связи с чем большое влияние на качество электроэнергии оказывают электромеханические и электромагнитные процессы в электроприводе. Поэтому в автономных системах электроснабжения является актуальным вопрос обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС).
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 8. С. 231-235. © С.А. Ёрохов. 2017.
При работе мощных преобразователей от источника энергии ограниченной мощности возникают негативные явления, снижающие показатели качества электроэнергии. В реальных условиях в системе электроснабжения присутствуют гармоники неканоничных порядков, изменяющие амплитудно-частотные спектры напряжений и токов на входе и выходе преобразователей. Причинами появления этих гармоник являются различные дестабилизирующие факторы, такие как: несимметрия напряжения сети, высокочастотные колебания, несимметрия управления, динамические режимы.
Значения фазы и амплитуды гармоник тока носят случайный характер, так как зависят от углов управления и коммутации, от нагрузки. Этот случайный характер гармоник токов и напряжений осложняет решение задачи электромагнитной совместимости. Также гармони-
ки, генерируемые в преобразователях электроэнергетической системы, приводят к потерям электроэнергии, ускоренному старению изоляции, снижению коэффициента мощности и вращающего момента на валу асинхронного электродвигателя.
Сегодня существует множество способов решения данного вопроса. Перечислим основные из них, а также укажем их достоинства и недостатки.
Самым распространенным способом решением является использование схем трехфазного выпрямителя, таких как схемы 6-пульсного и 12-пульсного выпрямителей. Однако из-за имеющихся недостатков 6-пульсной схемы зачастую реализуют 12-пульсную схему выпрямителя, которая улучшает форму кривой тока и гармонический состав тока (отсутствуют 5 и 7 гармоники). Однако данная схема обладает рядом недостатков, а именно: отсутствует возможность рекуперативно-
Функциональная схема системы реализующей векторное управление выпрямителем: 1 — датчики тока; 2 — датчики напряжения в каждой фазе; 3 — блок вычисления и преобразования трехфазных токов и напряжений в ортогональную систему координат; 4 — блок управления; 5 — блок ШИМ; 6 — активный выпрямитель напряжения; 7 — блок измерения напряжения в звене постоянного тока (ЗПТ); 8 — фильтр; 9 — конденсатор; 10 — нагрузка
го режима работы, а также сильно искажается форма кривой напряжения [1].
Также возможно применение фильт-ро-компенсирующих устройств (ФКУ). ФКУ представляет собой параллельно включенные фильтры, состоящие из LC-цепочек. В неавтономных питающих сетях используются резонансные фильтры. ФКУ позволяет получить нормативные показатели качества электроэнергии по отклонению напряжения и гармоническим составляющим благодаря компенсации реактивной мощности и фильтрации высших гармоник [2]. Однако данный тип устройств обладает одним недостатком: скачкообразное изменение компенсируемой мощности, влечет за собой скачкообразное изменение напряжения коэффициента мощности.
Перспективным с точки зрения обеспечения электромагнитной и электромеханической совместимости является активный выпрямитель напряжения (АВН) представляющий собой преобразователь, способный работать как в выпрямительном, так и в инверторном режиме.
Отличительной особенностью данного типа выпрямителей является плавное регулирования коэффициента мощности и поддержание его на уровне, а также поддержание стабильного постоянного напряжения и улучшение гармонического состава тока [3]. Кроме этого АВН позволяют осуществлять рекуперацию электроэнергии.
Однако, несмотря на все свои достоинства, активные выпрямители не так распространены, как другие способы решения проблем обеспечения ЭМС. Это вызвано увеличением стоимости преобразователей частоты, в состав которых входит активный выпрямитель. Для устранения этого недостатка предлагается более рациональная схема, подразумевающая наличие одного общего активного выпрямителя, так как это позволяет снизить издержки при сохране-
нии преимуществ, присущих схеме с индивидуальным активным выпрямителем для каждого преобразователя частоты.
На сегодняшний день наиболее распространенными являются системы векторного и гистерезисного управления активным выпрямителем. Гистерезисная система управления проста в настройке, обладает наилучшим быстродействием, но обладает худшими энергетическими показателями, чем система с векторным управлением, а также нестабильной частотой переключения [4].
Функциональная схема системы реализующей векторное управление выпрямителем (рисунок).
В приведенной схеме блок управления содержит два контура управления, внутренний контур подчиняется внешнему, т.е. представляет собой подчиненную систему регулирования. Данная система регулирования проста в настройке и наладке, имеется возможность ограничения промежуточных величин. Внутренний контур регулирует ток, внешний регулирует значение выходного напряжения выпрямителя, измеряемое на конденсаторе. Все это помогает эффективно управлять активным выпрямителем и своевременно изменять требуемые показатели для обеспечения ЭМС.
Однако, несмотря на то, что данная система управления имеет наилучшие энергетические показатели, она не обладает максимально возможным быстродействием. Поэтому перспективным направлением исследований является разработка структур и алгоритмов векторного управления, повышающих быстродействие системы, а также разработка систем гистерезисного управления с постоянной частотой переключения и их дальнейшее моделирование в составе автономных электроэнергетических систем.
Таким образом, был проведен анализ существующих способов обеспечения
ЭМС. Активный выпрямитель напряжения был признан перспективным способом обеспечения электромагнитной совместимости между электроприводом и автономной системой энергоснабжения. Также были рассмотрены существующие системы управления активным выпрямителем напряжения и предложены
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
дальнейшие направления их совершенствования, путем разработки систем гистерезисного управления с постоянной частотой переключения и систем векторного управления с повышенным быстродействием и их дальнейшее моделирование в составе автономных электроэнергетических систем.
1. Момот Б. А., Горбик В. С. Сравнение различных схем выпрямления в составе электроприводов переменного тока // Естественные и технические науки. — 2014. — № 1. — С. 153—155.
2. Шевырева Н.Ю. Влияние на качество электроэнергии ступенчатого фильтро-компен-сирующего устройства при работе буровых установок с частотно-регулируемым приводом // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № 1. — С. 408—415.
3. Козярук А.Е., Васильев Б.Ю. Методы и средства повышения энергоэффективности машин и технологий с асинхронными электроприводами [Электронный ресурс]. — URL: http://cyberleninka.ru/artide/n/metody-i-sredstva-povysheniya-energoeffektivnosti-mashin-i-tehnologiy-s-asinhronnymi-elektroprivodami (дата обращения: 25.04.2017).
4. Мирошник И. В. Теория автоматического управления. Нелинейные и оптимальные системы. — СПб.: Питер, 2006. — 336 с.
5. Жежеленко И. В., Шидловский А. К., Пивняк Г. Г., Саенко Ю.Л., Нойбергер Н. А. Электромагнитная совместимость потребителей: монография. — М.: Машиностроение, 2012. — 351 с.
6. Константинов В. Н. Системы и устройства автоматизации судовых электроэнергетических установок. — Л.: Судостроение, 1988. — 312 с.
7. Кузнецов В. Г., Куренный Э. Г., Лютый А. П. Электромагнитная совместимость. Несимметрия и несинусоидальность напряжения. — Донецк: Донбасс, 2005. — 249 с. 1»тш
КОРОТКО ОБ АВТОРE
Ёрохов Станислав Алексеевич — аспирант, e-mail: stas_yorohov@mail.ru, Санкт-Петербургский горный университет.
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 8, pp. 231-235.
UDC 621.341.572
S.A. Yorokhov
SELECTING METHOD TO ENSURE ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY BETWEEN ELECTRIC DRIVE AND SELF-CONTAINED POWER SUPPLY
The article reviews methods of providing the electromagnetic compatibility in the electric drive systems with autonomous energy sources their benefits and drawbacks. The features and problems of systems with autonomous energy sources. The recommendations is given on selecting the control system of active front end. The weaknesses of existing control systems is reviewed. Chain diagram of vector control system of active front end is illustrated. Perspective ways of designing new control systems of active front end is defined.
Key words: electric drive, active front end, power factor, control system, self-generated power supply.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-8-0-231-235
AUTHOR
YorokhovS.A., Graduate Student, e-mail: stas_yorohov@mail.ru, Saint Petersburg Mining University, 199106, Saint-Petersburg, Russia.
REFERENCES
1. Momot B. A., Gorbik V. S. Estestvennye i tekhnicheskie nauki. 2014, no 1, pp. 153-155.
2. Shevyreva N. Yu. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 1, pp. 408—415.
3. Kozyaruk A. E., Vasil'ev B. Yu. Metody i sredstva povysheniya energoeffektivnosti mashin i tekh-nologiy s asinkhronnymi elektroprivodami, available at: http://cyberleninka.ru/article/n/metody-i-sredstva-povysheniya-energoeffektivnosti-mashin-i-tehnologiy-s-asinhronnymi-elektroprivodami (accessed 25.04.2017).
4. Miroshnik I. V. Teoriya avtomaticheskogo upravleniya. Nelineynye i optimal'nye sistemy (Theory of automatic control. Nonlinear and optimal systems), Saint-Petersburg, Piter, 2006, 336 p.
5. Zhezhelenko I. V., Shidlovskiy A. K., Pivnyak G. G., Saenko Yu. L., Noyberger N. A. Elektromag-nitnaya sovmestimost' potrebiteley: monografiya (Electromagnetic compatibility of consumers: monograph), Moscow, Mashinostroenie, 2012, 351 p.
6. Konstantinov V. N. Sistemy i ustroystva avtomatizatsiisudovykh elektroenergeticheskikh ustano-vok (Systems and devices for automation of ship electric power plants), Leningrad, Sudostroenie, 1988, 312 p.
7. Kuznetsov V. G., Kurennyy E. G., Lyutyy A. P. Elektromagnitnaya sovmestimost'. Nesimmetriya i nesinusoidal'nost' napryazheniya (Electromagnetic compatibility. Unbalance and nonsinusoidal voltage), Donetsk, Donbass, 2005, 249 p.
A
РУКОПИСИ, ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ КОНВЕЙЕРОВ НА КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
(№ 1101/08-17 от 08.06.2017, 8 с.)
Слободяник Татьяна Михайловна — кандидат технических наук, доцент, НИТУ «МИСиС», e-mail: tslobodyanik@gmail.com.
Проведено сравнение результатов кинематического анализа механизмов качающихся конвейеров, отличающихся видом выходной группы и имеющих одинаковые геометрические параметры звеньев.
Ключевые слова: кинематический анализ, кинематические параметры, звено, кривошип, группа.
RESEARCH ON INFLUENCE OF DESIGN DATA OF CONVEYORS ON KINEMATIC PARAMETERS
Slobodyanik T.M., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor National University of Science and Technology «MISiS». 119049, Moscow, Russia, e-mail: tslobodyanik@gmail.com.
Comparison of kinematic analysis results for transporter shaking conveyors with different kind of output group and same link geometric parameters has been performed. Key words: kinematic analysis, kinematic parameters, link, crank, group.
