Обеспечение бесперебойной работы частотно-регулируемого электропривода при провалах напряжения в распределительной сети предприятия Барданов Алексей Игоревич

Введение к работе

Актуальность работы. Согласно ГОСТ 523144-2013 провал

напряжения – это кратковременное снижение действующего значения напряжения питающей сети не ниже 5% от номинального значения, длительностью до двух секунд. По данным Российской и мировой статистики в распределительных сетях предприятий преобладают провалы напряжения глубиной не менее 20% величины питающего напряжения и длительностью порядка сотен миллисекунд, что составляет несколько периодов питающего напряжения.

Неотъемлемой частью современных промышленных предприятий с непрерывным производственным процессом, в том числе предприятий горной промышленности, являются технологические установки с частотно-регулируемым электроприводом (ЧРП). Кратковременные снижения напряжения часто приводят к прерыванию их работы и простою оборудования, что влечет за собой брак и недовыпуск продукции. В некоторых случаях аварийная остановка электропривода может привести к повреждению установки.

Для решения проблемы в литературе предлагается:

оптимизировать топологию распределительной сети для снижения влияния явлений, снижающих качество электроэнергии, на комплекс технологического оборудования;

переводить ответственных потребителей на питание от собственных генераторов;

устанавливать в распределительную сеть предприятия устройства, обеспечивающие динамическую компенсацию провалов напряжения;

подключать накопители электроэнергии к ответственным узлам электросети предприятия;

включать накопители электроэнергии непосредственно в состав уязвимых ЧРП.

Также предлагаются методы, позволяющие электроприводу

преодолеть провал напряжения с сохранением режима приводного механизма собственными силами, без использования дополнительных накопителей и преобразователей. Результат достигается путем изменения стратегии управления преобразователями в составе электротехнического комплекса электропривода. В зависимости от глубины провала напряжения, можно продолжить работу с текущей мощностью в режиме ослабленного поля, снизить потребляемую электроприводом мощность,

или, в отсутствие возможности продолжать работу, оптимизировать условия автоматического повторного пуска устройства.

Для успешной реализации стратегий управления, обеспечивающих бесперебойную работу электропривода во время провалов напряжения, сформировать новое задание необходимо до снижения напряжения звена постоянного тока (ЗПТ) до критического уровня. Известно, что время срабатывания реле защиты минимального напряжения составляет от 20 до 40 миллисекунд после начала провала напряжения.

В качестве средства преодоления провалов напряжения также рассматривается включение в состав электротехнического комплекса электропривода активного выпрямителя (АВ), ввиду способности устройства поддерживать напряжение звена постоянного тока на уровне задания. Однако, при несимметричных провалах напряжения (в 80% случаев провалы напряжения несимметричны), для достижения заданных входных токов требуется вносить корректировку в систему управления преобразователем, учитывающую несимметрию питающих напряжений.

Разработке способов повышения устойчивости электротехнических
комплексов и систем к провалам напряжения посвящены работы многих
российских и зарубежных ученых: А.С. Денисевича, С. Пирога,
Т.Р. Храмшина, С.В. Ершова, Ю. Ванга, Ю.А. Сергунова, Дж. Барроса,
А.А. Гурова, Э. Переса, Т. Дж. Бессельмана, Б.Н. Абрамовича,

А.А. Николаева, Ф. Б. Косты, О.Б. Шонина, Н.Г. Новожилова,

М.М. Тухваттулина, Д.С. Крубцова. Однако в работах перечисленных авторов не решены проблема предиктивного определения параметров питающего напряжения для выбора режима электротехнического комплекса ЧРП при провалах напряжения.

В связи с этим для обеспечения бесперебойной работы ЧРП при провалах напряжения актуальной является задача максимально быстрого определения величины питающего напряжения и предсказания динамики изменения напряжения ЗПТ в случае неуправляемого выпрямителя, либо корректировка системы управления с учетом полученных о питающем напряжении данных в случае активного выпрямителя.

Цель работы. Повышение эффективности работы

электротехнического комплекса частотно-регулируемого электропривода путем обоснованного выбора алгоритмов управления приводом в режиме провала напряжения.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ практики и обобщение передового опыта по определению параметров напряжения сети при провалах напряжения, сравнительная оценка известных способов решения задачи по быстродействию, требуемому количеству исходных данных и точности определяемых параметров.

2. Разработка алгоритма предиктивного определения параметров напряжения ЗПТ ЧРП с пассивным выпрямителем на основе наименьшего количества измерений питающего напряжений.

3. Компьютерное моделирование работы ЧРП с неуправляемым выпрямителем для определения динамики изменения напряжения ЗПТ при провалах напряжения различных типов и оценки точности работы предлагаемого алгоритма.

4. Оценка точности вычислений параметров напряжениях ЗПТ путем сравнения их с величинами, измеренными на натурной модели, при искусственном создании в сети провалов напряжения различной глубины.

5. Исследование работы электропривода, включающего в свой состав АВ напряжения для определения влияния на его работу несимметричных провалов напряжения различного типа.

6. Разработка системы управления АВ, учитывающей параметры напряжения сети и сравнение влияния преобразователя на сеть при работе с классической системой управления и с предложенной в условиях провала напряжения.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является электропривод с преобразователем частоты, работающий в трехфазной сети. Предметом исследования являются: режимы электротехнического комплекса ЧРП в условиях провалов напряжения; алгоритмы предиктивного определения питающего напряжения.

Методы исследования и достоверность результатов. При

проведении компьютерного моделирования и для обработки

экспериментальных данных, полученных на натурной модели,

использовался программный пакет MATLAB и среда разработки Simulink.

Экспериментальные исследования проведены с использованием
современных, откалиброванных и сертифицированных средств

измерения: осциллографов ПрофКИП С8 23М и осциллографа-

мультиметра FLUKE 125 B.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью выбранных методов исследования, применением известных численных

методов и подтверждается качественным и количественным

согласованием результатов расчетов с экспериментальными данными.

Научная новизна

7. Доказано теоретически и подтверждено данными эксперимента, что средняя за период площадь секторов, откладываемых обобщенным вектором напряжения сети, через равные промежутки времени в установившемся процессе постоянна и ошибка определения частоты с помощью этого параметра может быть использована в качестве критерия для оценки ошибки расчета динамики изменения напряжения ЗПТ ЧРП.

8. Разработаны критерии формирования входных токов сетевого преобразователя таких, чтобы при несимметричном питающем напряжении сохранялось постоянство потока мощности.

9. Предложен новый подход к управлению электротехническим комплексом ЧРП, основанный на предиктивном определении параметров питающего напряжения ЗПТ во время провалов напряжения и выборе наиболее рационального режима, для преодоления провала напряжения.

10. Предложен оригинальный подход к управлению АВ при несимметрии питающего напряжения, заключающийся в определении параметров годографа входных токов устройства на основании данных о годографе питающих напряжений.

Теоретическая значимость работы:

11. Изложены основные положения разработанной теории формирования токов активного преобразователя для достижения электромагнитной совместимости устройства с сетью при несимметричных напряжениях питающей сети.

12. Проведена модернизация итерационного алгоритма определения прямой и обратной компонентов напряжения питающей сети, позволившая при минимуме исходных данных достигать заданной точности вычислений.

13. Выявлена проблема возникновения искажений во входных токах активного выпрямителя напряжения при несимметричном питающем напряжении и причины ее возникновения.

Практическая значимость работы:

1. Разработанный алгоритм предиктивного определения параметров напряжения звена постоянного тока частотно-регулируемого привода с заданной точностью по минимуму исходных данных реализован и внедрен в виде программного продукта для ЭВМ (подтверждено справкой о внедрении на АО «Новая ЭРА»).

2. Разработан способ управления активным выпрямителем в условиях несимметрии питающего напряжения.

3. Создана модель активного выпрямителя с модернизированной системой управления.

4. Результаты работы рекомендуются к реализации при проектировании ЧРП с активным и пассивным выпрямителем.

5. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при проведении занятий по дисциплинам «Электротехника», «Системы управления электроприводов», «Проектирование систем электропривода» и «Силовая электроника» (подтверждено актом внедрения результатов диссертационной работы в учебный процесс).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод оценки ошибки аналитического определения параметров напряжения трехфазной сети по прямой связи с ошибкой вычисления его частоты.

2. Критерии формирования постоянного потока мощности при несимметричных напряжениях трехфазной сети.

3. Алгоритм предиктивного определения параметров напряжения звена постоянного тока ЧРП с неуправляемым выпрямителем при провалах напряжения.

4. Способ управления активным выпрямителем в составе ЧРП при провалах напряжения, обеспечивающий симметричные синусоидальные токи в несимметричном режиме.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
представлены на 66 международной конференции «Berg-und

Httenmnnischer Tag» (г. Фрайберг, Германия, 19 июня 2015г.), на II
международном научно-практическом семинаре «Современные

разработки в области электроснабжения и электропривода» (г. Санкт-
Петербург, 27 апреля 2016г.), на международной конференции «IEEE
Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic
Engineering» 2017, 2018 (г. Санкт-Петербург, 01-03 февраля 2017 г.; 29
января – 01 февраля 2018 г.), на международной научно-практической
конференции «Инновации и перспективы развития горного

машиностроения и электромеханики: IPDME» 2017, 2018 (г. Санкт-Петербург, 23-24 марта 2017 г.; 12-13 апреля 2018 г.), на международном форуме-конкурсе «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 18-20 апреля 2018 г.).

Личный вклад автора. Участие на всех этапах процесса
исследования, сбор исходных данных, подготовка экспериментального
стенда, планирование и проведение эксперимента, анализ, обработка и
интерпретация полученных результатов, подготовка основных

публикаций, научных докладов и рукописи диссертации.

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 9 печатных работ, в том числе 5 статей в ведущих, рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России и 2 статьи индексируемых в международных базах цитирования и 2 статьи в прочих изданиях, получен патент на изобретение и свидетельство о государственной регистрации программного продукта.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы из 103 обозначений и 7 приложений. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц и 77 рисунков.