Разработка высоковольтного электропривода с вентиляторной нагрузкой по системе 18-пульсный НПЧ-АД

В настоящее время, подавляющее большинство высоковольтных электроприводов переменного тока с нагрузкой вентиляторного типа (вентиляторы, насосы, компрессоры, воздуходувки, дымососы и др.) продолжают оставаться нерегулируемыми. В условиях постоянного роста цен на электроэнергию на предприятиях обострилась проблема энерго-, ресурсосбережения и появилась необходимость в их модернизации. Общеизвестно, что превышение электропотребления в механизмах данного типа составляет во многих случаях 30−40%. На энергоёмких производствах, в том числе и на ОАО ММК (г. Магнитогорск) уделяется значительное внимание решению проблем энергосбережения и рационального потребления энергоносителей.

В целом, установленная мощность электроприводов механизмов вентиляторного типа в ОАО «ММК» составляет около 200 МВт, в том числе 160 МВт приходится на высоковольтные двигатели переменного тока с напряжением 3, 6 кВ и выше. Таким образом, значительная доля электропотребления приходится на высоковольтный электропривод турбомеханизмов, который в своем большинстве продолжает оставаться нерегулируемым.

Существует широкий круг высоковольтных вентиляторных механизмов, для которых по сезонным условиям необходимо обеспечить несколько или даже одну дополнительную ступень частоты вращения. К таким механизмам следует в первую очередь отнести вентиляторы машинных залов прокатных цехов, производительность которых в зимнее время избыточна. Расчеты, проведенные для электропривода вентилятора машзала ЛПЦ-4 мощностью 630 кВт, показали, что при понижении в зимнее время (на период 120−160 суток) частоты вращения на 25% достигается заметное снижение электропотребления. При существующих ценах на электроэнергию ожидаемая экономия в денежном выражении составит свыше 800 тыс. рублей. Для этого достаточно в зимний период времени реализовать питание двигателя от ступенчатого преобразователя частоты с частотой выходного напряжения, например 37,5 Гц.

Кроме того, многие механизмы с вентиляторной нагрузкой практически не отключаются при снятии нагрузок из-за целого комплекса ограничений, связанных с нормируемым количеством пусков привода или агрегата ввиду их тяжести. Отсутствие возможности регулирования скорости таких механизмов не позволяет осуществить «мягкий» пуск мощных электродвигателей переменного тока. Применение современных высоковольтных преобразователей частоты для этих целей с экономической точки зрения нецелесообразно ввиду их высокой стоимости, обусловленной избыточными регулировочными возможностями. По этой причине на ОАО «ММК» разработана концепция модернизации электроприводов переменного тока, согласно которой предлагается реализовать три уровня регулировочных возможностей [1]:

1. Плавное регулирование частоты вращения двигателя с высокой точностью и в широком диапазоне.

2. Возможность создания ступенчатого регулирования скорости с реализацией экономичных режимов работы.

3. Возможность реализации «мягкого пуска», с ограничением динамических моментов и пусковых токов, что позволяет производить отключения в результате вынужденных и плановых простоев любого временного интервала.

Срок окупаемости, как показал опыт внедрения на ТЭЦ, преобразователей для первого уровня модернизации механизмов с вентиляторной нагрузкой составил около 8 лет, что экономически нецелесообразно.

Поэтому, в условиях действующего производства ОАО «ММК» для механизмов с вентиляторной нагрузкой принято решение о внедрении регулировочных возможностей различных уровней, в зависимости от требований со стороны производства. Ощутимый эффект энерго-, ресурсосбережения может быть получен при незначительных затратах путем использования тиристорных преобразователей постоянного тока, освобождаемых в результате реконструкции ряда цехов или вывода их из работы. В результате реконструкции нерегулируемых электроприводов переменного тока предполагается создание необходимых с учётом потребностей производства регулировочных возможностей для каждого конкретного механизма, или класса механизмов. Так как рассматриваемые электроприводы изначально были спроектированы, как нерегулируемые, то к ним обычно не предъявляют жесткие требования по качеству регулирования. Кроме того, значительная часть электроприводов вентиляторного типа не нуждается в создании тормозных режимов.

Для реализации «мягкого» пуска и ступенчатого регулирования в высоковольтных электроприводах на кафедре электроники и микроэлектроники Магнитогорского государственного технического университета разработан высоковольтный вариант 18-пульсного преобразователя частоты [2]. Конструкция предложенного объектно-ориентированного преобразователя привлекательна пониженной «вентилеёмкостью», а также тем, что максимальные напряжения на вентилях вдвое меньше, чем на фазах двигателя.

На основе обзора существующих технических средств регулирования, сопоставления стоимостных показателей возможных вариантов модернизации, в работе была установлена технико-экономическая целесообразность создания объектно-ориентированного высоковольтного ступенчатого преобразователя частоты по предложенной схеме. Действительно, существующие высоковольтные НПЧ имеют значительно большую вентелеемкость (108 тиристоров) и стоимость их выше в 2,5 раза.

Были рассмотрены 3 варианта модернизации (система понижающий трансформатор — ПЧ — повышающий трансформатор, вариант использования много скоростного двигателя и предложенная схема). Расчеты показали целесообразность создания для мощных электроприводов рассматриваемого типа объектно-ориентированного 18-пульсного НПЧ. В этой связи в работе были решены следующие задачи:

— разработана силовая схема высоковольтного варианта 18-пульсного непосредственного преобразователя частоты с пониженной «вентилеёмкостью»;

— разработаны алгоритмы программного управления вентилями НПЧ, обеспечивающих пуск и длительные режимы работы электропривода при формировании симметричных систем трехфазных напряжений с различными фиксированными значениями частоты;

— созданы математические модели систем 18-пульсный НПЧ с различными видами нагрузок при формировании ряда ступеней частоты напряжения, позволяющие исследовать алгоритмы управления вентилями и процессы электромеханического преобразования энергии в АД при пуске и в стационарных режимах работы;

— разработана структура системы управления, обеспечивающая устойчивую работу системы 18-пульсный НПЧ-АД в стационарных режимах с реализацией условий минимизации тока статора.

Исходными посылками для проведения теоретических и экспериментальных исследований явились разработки и результаты исследований, полученные на кафедре электроники и микроэлектроники Магнитогорского государственного технического университета при создании систем 6-ти 12-пульсный НПЧ-АД на базе отечественных тиристоров с программным формированием напряжения. Эти исследования показали, что для мощных электроприводов целесообразен переход к многопульсным схемам НПЧ.

Содержание работы изложено в четырех главах.

В первой главе проведена оценка состояния электроприводов вентиляторного типа в промышленности и проанализированы возможные варианты модернизации электроприводов, для которых является достаточным создание одной или нескольких ступеней частоты вращения. Значительное внимание уделено технико-экономическому обоснованию выбора предложенного высоковольтного варианта 18-пульсный НПЧ-АД.

Вторая глава посвящена разработке алгоритмов программного формирования ступеней пониженной частоты вращения без суммирования линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора и с суммированием напряжений для создания ступени частоты 37,5 Гц, которая, для многих электроприводов вентиляторного типа является одной из основных рабочих частот. Приведено математическое описание алгоритмов управления вентилями на основе переключающих функций, а также разработана матрица коммутаций вентилей и топологическое представление особенностей реализации алгоритмов.

Третья глава посвящена разработке математической модели системы НПЧ-АД при программном формировании напряжения, в которой реализованы предложенные алгоритмы управления вентилями при формировании ступеней пониженной частоты до 30 Гц и отдельно исследованы процессы при формировании высокого напряжения с частотой 37,5 Гц. Проведена оценка влияния преобразователя на питающую сеть.

В четвертой главе рассмотрены вопросы оптимизации стационарных режимов работы 18-пульсной системы НПЧ-АД с программным формированием напряжения. С использованием результатов расчетов на модели определены граничные углы управления, при которых сохраняется устойчивая работа. Расчет минимального тока проводился с использованием соотношений, вытекающих из круговой диаграммы АД [1]. Для повышения устойчивости системы НПЧ-АД и снижения её критичности к настройке преобразователя проведены исследования на модели различных структур регуляторов напряжения. Приведено описание физической модели системы электропривода и структурной схемы системы управления, а также приведены ряд осциллограмм, полученных на установке.

По результатам диссертационной работы опубликовано 13 статей, а также получен патент на изобретение.

Выводы.

1. На основе расчетов основных показателей работы системы 18-пульсный НПЧ-АД при формировании частоты 37,5 Гц установлена необходимость реализации условий, при которых достигается минимизация тока статора.

2. Разработана модель замкнутой системы НПЧ-АД с отрицательной обратной связью по напряжению и на основе исследований системы с отрицательной обратной связью напряжения, с регуляторами напряжения П, И, ПИ-типа установлено, что наилучшие условия пуска и оптимизации длительного режима работы достигаются при использовании регулятора И-типа.

3. Установлено, что при использовании регулятора И-типа происходит более плавное нарастание тока статора в процессе пуска и максимальная амплитуда пускового тока на 10% ниже по сравнению со случаями применения регуляторов П и ПИ-типа.

4. На основе экспериментальных исследований установлена работоспособность предложенной системы 18-пульсный НПЧ-АД, а также практическое сходство полученных экспериментальных осциллограмм с расчетными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, направленная на создание объектно-ориентированного высоковольтного электропривода для вентиляторных механизмов по системе 18-пульсный НПЧ-АД с программным формированием напряжения, обеспечивающего ступенчатое регулирование частоты вращения. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования нового варианта системы электропривода позволили получить следующие результаты и выводы:

1. На основе сопоставления различных вариантов модернизации мощных электроприводов вентиляторного типа установлена технико-экономическая целесообразность разработки объектно-ориентированного электропривода по системе 18-пульсный НПЧ-АД с программным формированием напряжения для реализации ступенчатого регулирования частоты вращения.

2. Разработаны новая силовая схема высоковольтного НПЧ, алгоритмы формирования ступеней пониженной частоты до 30 Гц и алгоритм формирования симметричного трехфазного напряжения с частотой 37,5 Гц с суммированием двух линейных напряжений различных групп вторичных обмоток трансформатора.

3. На основе известного математического описания АД в трехфазной системе координат, описания алгоритмов с помощью переключающих функций и разработанной матрицы коммутаций получены компьютерные модели системы 18-пульсный НПЧ-АД, позволяющие установить работоспособность электропривода при реализации предложенных алгоритмов, а также исследовать переходные и стационарные режимы в системе электропривода.

4. На основе проведенных исследований на компьютерной и физической моделях установлена возможность практической реализации предложенных алгоритмов формирования напряжения с высокими показателями коэффициента искажения синусоидальности. Коэффициент искажения синусоидальности тока статора и напряжений при частоте 37,5 Гц достигает значений не ниже 0,96.

5. Проведен анализ влияния системы 18-пульсной НПЧ-АД на сеть и установлено, что при питании от сети соизмеримой мощности коэффициент искажения сетевого напряжения не ниже значения 0,98.

6. Исследованы влияния различных структур регуляторов напряжения на формирование пусковых и стационарных режимов, а также конкретизированы граничные режимы, при которых достигается энергетическая оптимизация системы электропривода. Кратность пускового тока не превышает значения 2,5.

7. На основе компьютерного моделирования установлено, что при использовании «И» регулятора напряжения амплитуда пускового тока на 10% ниже, чем в случаях применения структур «П» — и «ПИ» — типа.

8. Разработанная схема 18-пульсного НПЧ, алгоритмы программного формирования пониженного напряжения ступеней частоты до 30 Гц и напряжения с частотой 37.5 Гц на основе суммирования линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора приняты к реализации в составе программы создания опытно-промышленного образца высоковольтного преобразователя частоты на ОАО «ММК».