Моделирование электромеханических переходных процессов в пусковых устройствах приводов переменного тока

Актуальность работы Ирак является второй в мире страной по запасам нефти. К настоящему времени в стране открыто более 100 месторождений нефти и газа с различными запасами. В разработке находятся около 20 месторождений с большим числом добывающих скважин. Основным способом разработки наиболее крупных нефтяных месторождений Ирака является заводнение (как естественный водонапорный режим, так и искусственный) с применением вертикальных скважин. Месторождения (Киркук, Джамбур, Эль-форат, Эль-нор и др.) на севере Ирака характеризуются наличием сложнопостроенными коллекторами, трещиноватостью пород, неоднородностью и анизотропией пласта. В процессе эксплуатации вертикальных скважин происходит образование конуса воды и газа. На юге Ирака эксплуатируется много нефтяных и газонефтяных месторождений. Одно из них газонефтяное месторождение «Румэйла», которое открыто в 1953 г. До настоящего времени на нём пробурено 663 скважины. Предстоит построить еще около 50 скважин. Планируется пробурить большое количество скважин, в частности, на месторождениях «Западная Гурна» и «Нахар Умр». На северо-востоке города «Имара» расположены месторождения «Бузурган», «Абу-Гараб» и «Алфка» нефть которого транспортируется в порт «Ал-Басра» и «Ал-Фао» с помощью центробежных насосов.

Перспективы развития нефтегазовой промышленности Ирака связаны с освоением новых месторождений углеводородного сырья, расположенных в сложных природно-климатических условиях. Это требует создания, новых оптимальных управляемых систем электропривода центробежных насосов.

В настоящее время все более широкое применение в различных отраслях промышленности находят разнообразные системы пуска двигателей переменного тока. Применение подобных устройств позволяет облегчить условия пуска приводов, снизить термические и динамические нагрузки на различные элементы привода. При этом отсутствуют достаточно простые математические модели, позволяющие включить подобные устройства к единую расчетную схему расчета и анализа электромеханических переходных процессов в системах промышленного электроснабжения. В связи с широким развитием специализированных программных продуктов решение данной проблемы весьма актуально.

Электропривод представляет собой сложную динамическую систему, состояние которой в каждый момент времени определяется текущими значениями ее переменных и приложенных к системе внешних воздействий. В разомкнутой электромеханической системе имеются механические переменные (перемещение масс, скорости, ускорения, силы, моменты и т. п.) и электрические переменные (токи обмоток, потокосцепления, их производные и т. п.). Кроме того, в связи с нагревом двигателя к числу переменных состояния следует отнести температуры частей двигателя, их производные. Внешними воздействиями в электромеханической системе являются приложенные к обмоткам напряжения, а также внешние силы и моменты.

В связи с наличием элементов, обладающих механической, электромагнитной и тепловой инерциями, при изменениях внешних воздействий переход системы от одного состояния к другому протекает во времени, и этот процесс называется переходным. В зависимости от вида инерции в системе электропривода имеют место механические, электромагнитные и тепловые переходные процессы.

Переходным процессом электропривода называется протекающий во времени процесс перехода от одного установившегося режима работы (или отключенного состояния) к другому установившемуся состоянию.

Причиной возникновения переходных процессов могут быть:

• управляющие воздействия (включение — отключение электропривода, изменение задания на скорость привода и др.);

• возмущающие воздействия, главным из которых является изменение нагрузки на валу двигателя (изменение Мс).

Необходимость изучения, а затем и формирования переходных процессов, определяется тем, что многие электроприводы работают в интенсивных динамических режимах, в которых происходит резкое приложение нагрузки, необходимо быстрое изменение скорости и т. д. Таковы электроприводы металлорежущих станков, горных экскаваторов, прокатных станов и других машин. Для этих машин возникает задача сокращения длительности переходных процессов, т. е. повышение быстродействия электропривода. Большое значение имеет анализ переходных процессов для следящих электроприводов, которые работают, как правило, в переходных режимах, отрабатывая изменяющееся задание скорости.

Переходные процессы, вызванные изменениями момента двигателя или внешних нагрузок называются механическими переходными процессами.

В электромеханической системе момент двигателя в соответствии с механической характеристикой зависит от механической переменнойскорости двигателя. Электромеханическая связь объединяет механическую и электрическую части электропривода в единую систему, переходные процессы в которой, как следствие, называются электромеханическими переходными процессами.

Изменения внешних воздействий приводят к изменению количества энергии, выделяющейся в двигателе в виде теплоты, и к соответствующим изменениям его температуры. Процессы нагрева и охлаждения двигателя зависят от электрических и электромагнитных нагрузок его элементов. Соответственно такие переходные процессы называются электротепловыми или тепловыми переходными процессами.

Переход от одного состояния системы к другому может совершаться по различным траекториям, отличающимся длительностью перехода, максимальными нагрузками электрической и механической частей системы, потерями энергии, выделяющимися в двигателе за время перехода, потреблением энергии за то же время и другими показателями. Из множества возможных траекторий при управлении электроприводом необходимо стремится выбирать такие, которые обеспечивают максимальное быстродействие, минимум потерь энергии и динамических нагрузок, максимум полезной работы и оптимальные значения других показателей, характеризующих условия протекания процесса.

Характер переходных процессов, соответствующий таким траекториям, является оптимальным в самом общем смысле. Его определение является сложной задачей в связи с многообразием оптимизируемых показателей, их различной практической значимостью и противоречивостью требований к динамическим свойствам электропривода и законам изменения управляющих воздействия.

В работе выполнено исследование конструктивных особенностей типовых пусковых устройств, таких как устройства прямого пуска, устройства мягкого пуска, устройства частотного пуска и разработка на этой основе математических моделей названных устройств и программных модулей, ориентированных на их использование в специализированных программных продуктах. Выполнены экспериментальные исследование процессов пуска асинхронных электроприводов с целью подтверждения адекватности предложенных моделей, иследовано влияние пусковых устройств на показатели качества пуска асинхронных электроприводов.

Целью диссертационной работы Яяляется разработка электромеханических моделей устройств пуска приводов переменного тока, анализ энергетических показателей пуска асинхронных электроприводов. Основные задачи исследования.

1. Анализ принципа работы и конструктивных особенностей систем плавного и частотного пуска приводов переменного тока.

2. Построение математических моделей пусковых устройств, разработка алгоритмов расчета электромеханических переходных процессов в электроприводах, оснащенных пусковыми устройствами.

3. Проведение натурных экспериментов, подтверждающих адекватность разработанных моделей.

4. Численное моделирование электромеханических переходных процессов с целью анализа энергетических показателей различных способов пуска асинхронных электроприводов.

Объекты исследования Объектами исследования являются устройства плавного и частотного пуска электроприводов переменного тока. Методы исследования В качестве методов исследования использованы положения теории электрических цепей, теории электрических машин, теории электропривода, численные методы решения систем дифференциальных уравнений, методы программирования.

Научная новизна полученных результатов.

В работе полученные следующие результаты, обладающие научной новизной:

1. Разработаны математические модели, позволяющие рассчитывать и анализировать электромеханические переходные процессы, возникающие при пуске электроприводов переменного тока при использовании устройств плавного и частотного пуска.

2. Получен ряд зависимостей, характеризующих затраты энергии на пуск асинхронных электроприводов при применении различных способов пуска.

3. Показана применимость выводов теории электропривода, касающихся энергетики пуска асинхронных электроприводов при пониженном напряжении, к задачам пуска таких приводов с использованием современных пусковых устройств.

Практическая значимость полученных результатов.

1. Разработанные модели реализованы в виде модулей программного комплекса, предназначенного для расчета режимов работы и электромеханических переходных процессов в системах промышленного электроснабжения.

2. Показано повышение расхода электрической энергии на пуск асинхронных электроприводов при использовании существующих устройств пуска. Положения, выносимые на защиту.

1. Математические модели для систем плавного пуска электроприводов переменного тока и систем автоматического переключения статорных обмоток «звезда — треугольник».

2. Математические модели для систем частотного пуска электроприводов переменного тока при различных законах совместного регулирования частоты и амплитуды выходного напряжения, траекториях пуска.

3. Результаты вычислительных экспериментов по оценке энергетических показателей пуска асинхронных электроприводов с помощью различных пусковых устройств.

Публикации по диссертационной работе.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в одной статье (журнал «Промышленная энергетика»), в сборниках тезисов и материалов двух научно-технических конференций.

Апробация результатов исследований.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электроэнергетике нефтяной и газовой промышленности» -Москва, 2004 год;

— Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» — Москва, 2005 год;

Научных семинарах кафедры Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина — Москва, 2003 — 2005 годы. Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемой литературы.

Выводы.

В целом в диссертационной работе получены следующие результаты и выводы.

1. Построены электромеханические модели для устройств плавного пуска, пуска автоматическим переключением обмоток статора звезда/треугольник, частотного пуска. Данные модели позволяют исследовать динамику и энергетические показатели пуска, используя только каталожные данные электродвигателей и приводов и параметры настройки пусковых устройств.

2. Существующие устройства плавного и частотного пуска позволяют решить задачи обеспечения достаточно мягкого пуска, ограничить пусковые токи и температурное воздействие на привод в процессе его разгона. Устройства частотного пуска обладают в комплексе наилучшими показателями по большинству критериев. Устройства плавного пуска в целом имеют более низкие показатели.

3. Во многих случаях проблемы пуска могут быть решены применением устройств автоматического переключения статорных обмоток «звезда-треугольник», что особенно важно с учетом их значительно меньшей стоимости и высокой надежности.

4. Существующие устройства плавного и частотного пуска не позволяют снижать расход электрической энергии на разгон привода и, более того, всегда повышают его. Для каждого конкретного случая необходимо производить технико-экономическое обоснование использования устройств плавного и частотного пуска, в особенности для приводов большой мощности.

5. Разработанные модели реализованы в виде программных модулей комплекса SAD, предназначенного для расчета режимов и электромеханических переходных процессов в электротехнических системах промышленных предприятий.