Разработка выпрямительно-инверторного преобразователя для частотного пуска электрических двигателей

Актуальность работы. Вопросы использования энергосберегающих технологий в отечественной энергетике последнее время становятся все актуальнее и начинают рассматриваться на всех уровнях, в то время как в западных странах это направление развивается достаточно давно, т.к. сомнений t в необходимости экономии энергетических ресурсов уже не возникает.

Говоря об энергосбережении в области электропривода, возникает вопрос применения преобразователей частоты. Регулирование скорости вращения двигателя в соответствии с требованием поддержания определенного уровня технологического параметра (давление, расход, скорость < и т. п.) позволяет обеспечить экономию электроэнергии от 20 до 50%, а на некоторых предприятиях, в частности, на некоторых объектах жилищно-коммунального хозяйства, эта цифра может достигать 70%.

Помимо прямой экономии средств за счет снижения потребляемой электроэнергии^ применение частотного регулирования позволяет получить дополнительные эффекты, а именно:

1) снижение ударных нагрузок при пусках:

• пуск электропривода осуществляется плавно с требуемой скоростью нарастания частоты;

• исключаются электродинамические перегрузки в обмотках двигателя и ударные нагрузки в механизме электропривода, что позволяет снизить затраты на ремонт и обслуживание двигателей и агрегатов в целом, а также увеличивает срок службы оборудования;

• пусковой ток имеет незначительное превышение номинального, что снижает требования к питающей сети и снижает неблагоприятное влияние на другое подключенное к ней оборудование;

2) технологические эффекты за счет плавного регулирования скорости:

• переход от одной скорости вращения двигателя к другой с целью поддержания технологического параметра на требуемом уровне осуществляется плавно, что позволяет повысить срок службы и снизить затраты на ремонт и обслуживание трубопроводов и гидравлической арматуры за счет исключения гидравлических и механических ударных воздействий.

Применение преобразователей частоты для низковольтных двигателей (класса напряжений до 380 В) имеет массовый характер и их широко предлагают как зарубежные, так-и отечественные предприятия.

Развитие частотно-регулируемого электропривода т.н. среднего класса напряжений 6, 10 кВ долгое время сдерживалось очень высокими ценами на мощные полупроводниковые приборы (запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификацииGCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT) и стало возможным относительно недавно. Это относится к ситуации не только в нашей стране, но и в мире.

На сегодняшний день имеет применение устройство для питания фазных обмоток синхронного электродвигателя [8], выполненное на основе трехфазного инвертора, коммутируемого нагрузкой. Недостаток этого устройства — плохой пуск электродвигателя. Вследствие отсутствия ЭДС электродвигателя в начале разгона и, следовательно, отсутствия напряжения, запирающего тиристоры инвертора, процесс пуска сопровождается паузами тока в фазных обмотках двигателя и, как следствие, провалами момента электродвигателя (толчками), что неблагоприятно отражается на работе привода в целом. Кроме того, при больших индуктивных сопротивлениях обмоток статора (с учетом времени восстановления тиристоров) электродвигатель работает с низким коэффициентом мощности, что не позволяет достичь технико-экономических показателей, близких к оптимальным.

Также применяется устройство для питания фазных обмоток синхронного электродвигателя, в котором используются вспомогательные источники фазных напряжений, подключенные к инвертору последовательно с соответствующими фазными обмотками синхронного электродвигателя. Эти источники создают дополнительную составляющую обратного напряжения, приложенного к выключаемому тиристору, действующую по окончании спада тока в выключаемом тиристоре до нулевого значения, т. е. во время восстановления его запирающих свойств. Такое решение позволяет несколько уменьшить угол опереженияфазным током фазного напряжения электродвигателя, что улучшает использование электродвигателя, но также имеет недостатки, обусловливающие сравнительно низкие технико-экономические показатели и надежность. работы электропривода в целом:

1. Не обеспечиваются благоприятные пусковые свойства привода, т.к. в-начале разгона отсутствует ЭДС электродвигателя и, следовательно, отсутствуют напряжения вспомогательных источников фазных напряжений, участвующие в, процессе коммутации тиристоров.-Процесс пуска сопровождается' паузамштока-в-, фазных обмотках двигателя и, как следствие, провалами момента электродвигателя (толчками), что неблагоприятно отражается на работе привода в целом.

2. Техническое* решение характеризуется, значительным количеством трансформаторного оборудования, — причем каждый, из трансформаторов имеет обмотки, гальванически связанные с фазными обмотками электродвигателя. В' случае применения высоковольтного электродвигателя этопредъявляет повышенные требования к изоляции упомянутых обмоток, что, в конечном счете, выливается в усложнение и удорожание применяемого оборудования.

3. Применение насыщающихся трансформаторов* ограниченной мощности в качестве вспомогательных источников фазных напряжений накладывает ряд ограничений на возможность их использования. Так, например, формирование импульса напряжения (ЭДС) во вторичной обмотке любого из, насыщающихся трансформаторов, подключенных между фазами инвертора и. соответствующими фазами обмотки электродвигателя, возможно только при близком к нулю значении тока соответствующей фазы электродвигателя. Это сужает временной диапазон, в. котором может быть использовано добавочное (вспомогательное) напряжение и, тем самым, существенно ограничивает возможность влияния на величину коэффициента мощности электродвигателя, т. е. ограничивает возможность оптимизации режимов его работы.

Таким образом, актуальным вопросом является разработка преобразователя частоты, который бы обеспечил плавный (без толчков) пуск синхронного электродвигателя, начиная с нулевой частоты вращения и сделал бы возможным совместную работу синхронного электродвигателя с питающими его инверторами в режимах, близких к оптимальным.

Данный вопрос и определил тему диссертационной работы. Цель работы. Разработка преобразователя, частоты для синхронных двигателей среднего класса напряженийформирующего необходимый пусковой. момент, начиная, с нулевой скорости двигателя, тем самым обеспечивая-полный пусковой момент,, не сопровождающийся’механическими толчками, начиная с нулевой скорости.

Достижение цели исследования потребовало решения следующих научно-исследовательских и практических задач:

1. Проведение аналитического обзора современных схемных решений7 преобразователей частоты, и выявление наиболее перспективных разработок.

2. Разработка функциональных схем преобразователя частоты, позволяющего производить частотный пуск синхронной машины (СМ), осуществлять плавное регулирование частоты вращения СМ, обеспечивать стационарный режим точной синхронизации частоты и фазы напряжения на СМ с частотой и фазой напряжения сети, давать возможность рекуперативного торможения СМ с любой частоты вращения с заданным темпом.

3. Разработка функциональной схемы системы управления для преобразователя частоты.

4. Разработка компьютерной и физической моделей для определения параметров элементов схем, а также для исследования режимов * работы преобразователя.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методы математического анализа, методы теории, электрических цепей, методы теории автоматического управления, методы цифрового моделирования и численного анализа.

Обоснованность и достоверность результатов. Справедливость теоретических положений подтверждается результатами компьютерного и физического моделирования, использованием апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и корректностью принятых допущений.

Научная новизна. На защиту выносятся следующие результаты:.

• Впервые предложена' принципиально отличающаяся схемотехническая реализация дополнительных источников напряжения (подана, заявка на патент).

• Разработана функциональная схема системы управления для преобразователя частоты.

• Разработаны компьютерная-и физическая модели электропривода, позволяющие оценить технические характеристики-преобразователя.

• Впервые реализована схема преобразователя, позволяющая: уменьшить углы коммутации тиристоров инвертора токаобеспечить форму тока фазных обмоток двигателя максимально приближенной к синусоидеобеспечить разгон электродвигателя с требуемым (полным) пусковым моментом, начиная с нулевой скорости, без губительных для механизмов. двигателя толчков благодаря формированию вспомогательными источниками запирающего тиристоры напряжения (имитация противо-ЭДС двигателя).

• Получены более высокие по сравнению с прототипом энергетические показатели электропривода, а именно, увеличение полезной мощности привода на 12% за счет возможности подачи дополнительного напряжения-во время протекания фазного тока, т. е. до начала этапа выключения тиристоpa. Выигрыш в полезной мощности электропривода достигается более значительным по сравнению с прототипом уменьшением угла сдвига первой гармоники тока относительно напряжения. Появляется возможность работы с нулевым углом сдвига, а также в специальных задачах с отстающим током.

Практическая ценность. Результатом выполненной работы стала разработка схемотехнических решений и методов управления для создания преобразователей частоты. Результаты могут быть использованы при разработке различных типов преобразователей для синхронных и асинхронных машин, а также для модернизации существующих преобразователей, находящихся на эксплуатации.

Реализация работыПолученные результаты использованы в работах, проводимых совместно «НТЦ Электротехники и транспорта» с ОАО «Электровыпрямитель». Результатом работы явилась разработка и установка на объекте (ОАО «Ульяновскцемент») пускового преобразователя частоты ВПЧС-2000;6,3/6,0−50-УХЛ4, предназначенного для поочередного пуска синхронных электродвигателей типа СДМ32−22−41−60-УХЛ4 привода шаровых мельниц в количестве 7 штук и плавного, без бросков тока, перевода питания электродвигателя на промышленную сеть путем точной синхронизации и фазировки выходного напряжения преобразователя и сети.

Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ХП и ХП1 международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Москва, 2006 г., 2007 г.) — на XI Международной конференции электромеханики, электротехнологии, электротехнических материалов и компонентов (Крым, Алушта, 2006 г.) — на II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием (Тольятти, 2007 г.) — а также на заседании кафедры Электрического Транспорта в 2008 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ. 1. Бородина В. В. Значение моделирования аварийных процессов при исследовании работы системы электроснабжения. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. ХП международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. Том 2. Москва, 200бг, стр.181−182.

2. Бородина В. В. Высоковольтныйпреобразователь частоты. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. ХПГ международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. Том.

2. Москва, 2007 г, стр. 189−191.

3. Бородина В. В., Савина Т. И. Пусковые преобразователи для синхронных машин. XI Международная конференция Электромеханикаэлектротехнологии, электротехнические материалы и компоненты. Труды. Часть 2. Крым, Алушта, 2006 г, стр. 167−168.

4. Бородина В. В., Савина Т. ИУстройства плавного пуска для электроприводов с синхронными машинамиТруды П Всероссийскойнаучно-технической конференции с международным участием. Часть П. Тольятти, 2007 г, стр. 15−19.

5. Савина Т. И, Бородин Д. Е., Бородина В. В. Разработка* моделей устройства? автоматического повторного включения. Вестник МЭИТеоретический и научно-практический журнал. № 5. Издательство МЭИ, Москва, 2005 г, стр.61−67.

6. Бородина В. В. Устройства плавного пуска электроприводов с синхронными машинами класса напряжений 6/10 кВ. Известия Тульского государственного университета. Технические наукиВыпуск 3. Издательство ТулГУ, Тула, 2006 г, стр.126−137.

7. Бородина В. ВМощный высокооборотный электропривод. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Выпуск.

3. Издательство ТулГУ, Тула, 2007 г, стр.147−151.

Структура и объем работы. Диссертационная: работа состоит из введе-4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Объем работы составляет I стр. и содержит 69 рисунков, 2 таблицы, 35 наименований списка литерату.

выводы.

В ходе выполнения диссертационной работы разработаны схемотехнические решения и методы управления для создания преобразователей частоты.

• Впервые предложена принципиально отличающаяся схемотехническая реализация дополнительных источников напряжения.

• Разработана новая функциональная схема системы управления для преобразователя частоты.

• Разработаны компьютерная и физическая модели электропривода, позволяющие оценить технические характеристики преобразователя.

• Впервые разработана схема преобразователя, позволяющая: уменьшить углы коммутации тиристоров инвертора токаобеспечить форму тока фазных обмоток двигателя максимально приближенной к синусоидеобеспечить разгон электродвигателя с требуемым (полным) пусковым моментом, начиная с нулевой скорости, без губительных для механизмов двигателя толчков благодаря формированию вспомогательными источниками запирающего тиристоры напряжения (имитация противо-ЭДС двигателя). 5.

• Получены более высокие по сравнению с прототипом энергетические показатели электропривода, а именно, увеличение полезной мощности привода на 12% за счет возможности подачи дополнительного напряжения во время протекания фазного тока, т. е. до начала этапа выключения тиристо-ра. Выигрыш в полезной мощности электропривода достигается более значительным по сравнению с прототипом уменьшением угла сдвига первой гармоники тока относительно напряжения. Появляется возможность работы с нулевым углом сдвига, а также в специальных задачах с отстающим током.

Полученные результаты использованы в работах, проводимых совместно «НТЦ Электротехники и транспорта» с ОАО «Электровыпрямитель». Результатом работы явилась разработка и установка на объекте (ОАО «Ульяновскцемент») пускового преобразователя частоты.

ВПЧС-2000;6,3/6,0−50-УХЛ4, предназначенного для поочередного пуска синхронных электродвигателей типа СДМ32−22−41−60-УХЛ4 привода шаровых мельниц в количестве 7 штук и плавного, без бросков тока, перевода питания электродвигателя на промышленную сеть путем точной синхронизации и фазировки выходного напряжения преобразователя и сети.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке различных типов преобразователей для синхронных и асинхронных машин, а также для модернизации существующих преобразователей, находящихся на эксплуатации.