Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №46 (июнь) 2017
Разделы: Электротехника
Размещена 07.06.2017. Последняя правка: 07.06.2017.

Обеспечение устойчивой работы частотно регулируемого привода шахтной подъемной установки

Иванова Татьяна Сергеевна

Студенка

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет»

Студентка

Шонин Олег Борисович, доктор технических наук, профессор кафедры общей электротехники, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский минерально-сырьевой университет «Горный»


Аннотация:
Построена имитационная модель электрической сети, электропривода шахтной подъемной установки (ШПУ), исследованы процессы в приводе в нормальном режиме и при провалах напряжения. Приводятся результаты моделирования пусковых и стационарных режимов, режима работы активного выпрямителя с единичным значением коэффициента мощности. Для обеспечения работы привода при провалах напряжения предложен источник бесперебойного питания на основе батарей суперконденсаторов, а также быстродействующие реле. Результаты компьютерного моделирования показали работоспособность системы обнаружения и компенсации провалов напряжения с наиболее характерной длительностью 100мс.


Abstract:
A simulation model of an electrical network was constructed, the electric drive of Mine lifting installation, the processes in the drive in the normal mode and in the case of voltage failures are investigated. The are given results of simulation of starting and stationary modes, operating mode of the active rectifier with a single value of the power factor. To ensure the operation of the drive in case of voltage failures an uninterruptible power supply, based on the batteries of supercapacitors, and a high-speed relays was proposed. The results of computer simulation showed the efficiency of the system for detecting and compensating for voltage dips with the most characteristic duration of 100 ms.


Ключевые слова:
источник бесперебойного питания; провал напряжения; суперконденсатор; активный выпрямитель; частотно регулируемый привод.

Keywords:
uninterruptible power supply; voltage failure; blackout; supercapacitor; active rectifier; frequency-controlled drive.


УДК 602.17

Введение

В современной электроэнергетике существует ряд важных проблем.  К таким проблемам относится:-несоответствие режима генерации и потребления энергии, влияющее на устойчивость энергосистем, -ухудшение качества энергии из-за влияния нелинейной нагрузки на параметры напряжения в относительно слабых сетях,-недостаточная надежность передачи и распределения энергии, приводящая к перерывам в электроснабжении и нарушению непрерывности технологических процессов.

Для решения указанных проблем в последнее время интенсивно ведутся работы в области альтернативных источников энергии, эффективных накопителей энергии, релейной защиты и противоаварийной автоматики для сетей с распределенными источниками. Разрабатываемые устройства способны обеспечивать генерирование дополнительной энергии в часы пиков графиков нагрузки и накапливать энергию в часы минимального спроса, обеспечивать непрерывность подачи энергии при кратковременных провалах напряжения вследствие аварий в передающих и распределительных линиях, а также решать другие вопросы повышения качества энергии. 

В настоящее время одним из самых активных пользователей альтернативных источников энергии являются страны Евросоюза. По данным Евростата, доля накопителей в конечном потреблении в странах ЕС составляет 10,3%, остальные 89,7% приходятся на традиционные энергоносители – нефть и газ.

Короткие замыкания в электрических сетях неизбежны и их число растет по мере старения и износа электрооборудования, уровень которого на сегодняшний день составляет 70-80 %, следовательно, неизбежны и провалы напряжения у потребителей электроэнергии.

Статистика говорит о 20-30 провалах в год и приводят к дорогостоящим экономическим ущербам, даже если их длительность составляет миллисекунды. [1]

Потери производства дробильно-обогатительной фабрики при отключении ВЛ № 220 20.06.2005 г. составили 4517 т. Суммарные потери от недовыпуска продукции на «Карельский Окатыш» на предприятии за 2005 г. составит около 30 млн руб. [2]

1

Рис. 1. Статистика провалов напряжений на таких предприятиях как «Карельский Окатыш», ОАО «Сибур-ПЭТФ»,  Газпром, Транснефть [6]

Электродвигатели, включая изделия с регулируемым приводом, особенно уязвимы перед провалами напряжения, поскольку нагрузка все еще требует энергии, которой, за исключением инерции движущихся частей, уже недостаточно.

Задача исследования
Цель проекта- построить имитационную модель привода для обеспечения  безаварийной работы надшахтной подъемной установки, применяемой на руднике в уранодобывающем Приаргунском горно-химическом объединении, во время провалов напряжения с помощью ИБП на базе накопителей энергии в виде суперконденсаторов.

Характеристики энергопотребления ЧРП

Устройство подъема- важный элемент горно-технологического цикла по обеспечению непрерывности процесса подготовки и переработки сырья. Скорость движения подъемных сосудов в стволе достигает 6-20 м/сек (54-72 км/час). Оценка предельно допустимых значений снижения скорости движения клети производится, используя формулу требуемой скорости вращения вала двигателя.

Для удовлетворения ориентировочной максимальной скорости подъёма необходима частота вращения барабана.

nб =  36,3 об/мин                                                                          (1)

Минимально допустимое значение скорости вращения ротора для обеспечения требуемых режимных параметров приводного механизма, учитывая передаточное отношение редуктора i = 3,5:

nдв = nб×i = 36,3 × 3,6 = 127,05 об/мин                                            (2)

СТРУКТУРА ЧРП

В электрическую часть подъемной машины входит силовой трансформатор, частотный преобразователь для машин переменного тока, система управления и сигнализации.

Скиповая подъемная установка северного ствола оборудуется подъемной машиной (ПМ) 1В2520. По производственному расчету подобран асинхронный двигатель фирмы ABB мощностью 315 кВт, напряжением питания 380 В, 50 Гц. 

В общем случае двухзвенный электрический преобразователь частоты состоит из выпрямителя, фильтра — промежуточного накопителя энергии, блока гашения энергии и инвертора.  

 

Разработка компьютерной модели привода

 2

Рис. 2. Модель электропривода подъемной установки с асинхронным короткозамкнутым двигателем 

Описание системы управления ввода ИБП

 
Ниже представлена структура имитационных блоков, которые представляют собой: источник питающего переменного напряжения, с помощью которого реализуется моделирование провала напряжения; система управления активным выпрямителем, которая подает сигнал об уровне переменного напряжения; блок САУ подключения ИБП как звена постоянного тока; блок с векторным управлением частотным преобразователем асинхронного двигателя. 

 
3
Рис. 3. Имитационная модель блока питающей сети переменного тока
 
В данном блоке реализуется имитация 1- подача номинального уровня переменного трехфазного напряжения сети (модулем 310 В, частота 50 Гц) , 2- спад до 90% от номинального уровня по модулю, 3- провал напряжения до нуля.
 
Обоснование топологии ЧРП с активным выпрямителем
 
В грузоподъемных механизмах, работающих длительное время в режиме генераторного торможения целесообразно использование двухзвенного преобразователя частоты с активным выпрямителем (АВ) для рекуперации энергии в питающую сеть, которая возможна при замедляющим моменте двигателя, например, во время подхода поднимаемого сосуда к поверхности. АВ является энергосберегающим, позволяет получить выходное напряжение, большее, чем при использовании диодного выпрямителя, не потребляя реактивной мощности и уменьшая гармонические искажения на выходе, обеспечивая коэффициент мощности, близкий к единице.
Особенность выбранной системы управления заключается в регулировании фазы входного тока, как в двигательном режиме, так и в режиме генераторного торможения.
Современный АВ способен обеспечивать подачу номинального уровня напряжении самостоятельно при его падении до уровня 70% от номинального. При понижении напряжения для поддержания мощности растет ток. Для IGBT-модулей существует ограничение по току, поэтому необходимо обеспечить сохранность АВ и непрерывность работы системы. Устанавливаемый в распределительных щитах анализатор сети закрывает ключи АВ при превышении током установленного значения, и включает режим работы ИБП. Способ осуществления этого процесса будет рассмотрено ниже.
 
 4
Рис.4. Блок системы управления активным выпрямителем
 
В данном блоке: 1. Входы- сигналы уровня фазных токов и напряжений сети переменного тока с датчиков, напряжения цепи постоянного тока и сигнал kts для запирания ключей через блок ШИМ АВ при превышении уровня тока, безопасного для работы системы.
 Выходами являются: импульсы с блока ШИМ для открытия IGBT ключей АВ, KT1- сигнал подключения резистора, KT2(уровень активного тока) и KT3(уровень напряжения) - сигналы, подающиеся в БУ ввода ИБП.
Сигнал KT1- обусловлен уровнем активного тока в цепи, резистор является токоограничивающим и переводит электрическую энергию тока в тепловую, сохраняя цепь от повреждений.
При торможении двигателя и, как следствие, превышении напряжения на ЗПТ  преобразователя частоты выше определенного уровня, каскад IGBT транзисторов ПЧ генерирует ШИМ - сигнал в сторону сети, осуществляется автоматическая рекуперация энергии в сеть. 
 
Расчет емкости ЗПТ

Качество напряжения звена постоянного тока отражается на качестве формируемого выходного напряжения и как следствие тока нагрузки.
Конденсатор, установленный в звене постоянного тока, необходим для снижения: -перенапряжений, вызванных коммутацией силовых ключей инвертора при работе на активно-индуктивную или индуктивную нагрузку, которые могут привести к отказу силовых модулей из-за превышения допустимого уровня напряжения (пробой по напряжению); -низкочастотных пульсаций напряжения, что повышает качество формируемого напряжения на выходе инвертора.
В зависимости от его назначения используются различные формулы. Если конденсатор используется как накопитель энергии двигателя, передающейся в аварийном режиме через обратный диодный мост в ЦПТ , то его емкость C= 0,0071525 Ф
 
Выбор системы управления асинхронным двигателем

Для управления асинхронным двигателем  выбрана векторная система управления, которая обеспечивает независимое и практически безынерционное регулирование скорости вращения момента на валу, высокую точность регулирования скорости в широком диапазоне.
Инвертор формирует необходимую форму напряжения обмоток статора посредством регулирования скважности импульсов на управляющих электродах полупроводниковых IGBT ключей.
5
Рис. 5. Блок ВСУ частотным преобразователем асинхронного двигателя
 
На схеме СУ представлен набор блоков, реализующих классический алгоритм векторного управления двигателем переменного тока. Ориентирование вращающейся системы координат происходит по вектору потокосцепления ротора.
 
Логика СУ ввода ИБП
 
6
Рис. 6. - Блок САУ подключения ИБП как ЗПТ
 
Логическая единица на выходе Оut1 замыкает ключ подключения ИБП. Это происходит в двух случаях: -когда поступает сигнал со входа активного выпрямителя (АВ) об уровне напряжения ниже заданного (в данном случае моделирования ниже 250 Вольт- 80% от номинального), -когда модуль тока на входе АВ выше тока, на который рассчитана работа IGBT-транзисторов в АВ. Сигнал с выхода kts, состояние которого в противофазе с выходом Out1, отключает АВ, подавая логический ноль ШИМ ключей в блоке управления АВ.
 
Работа привода при нормальном режиме электрической сети
 7
 
Рис. 7. Осциллограммы переходных процессов двигателя
 
Из осциллограммы видно, что двигатель разгоняется до номинальной скорости за время t=2 с и выходит в стационарный режим.
 
Предельно допустимые значения тока статора
 
При понижении напряжения в пределах 5°/о и номинальной нагрузке на валу двигателя соответственно возрастает ток статора электродвигателя свыше номинального. Увеличиваются тепловые потери в меди статора, понижается магнитная индукция.
Для короткозамкнутых двигателей с легкими условиями пуска ток плавкой вставки должен быть равным 0,5 пускового тока двигателя, в моем случае 2000 А при номинальном токе статора 550 А.
 
Выбор альтернативного источника энергии для компенсации нарушения в питании нагрузки

Существуют различные способы накопления энергии в кинетической, потенциальной, тепловой и электрической форме с помощью таких накопителей как маховики, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), аккумуляторы и конденсаторы.
Условно накопители можно разделить на два типа:
1.     Быстрореагирующие накопители с малым запасом энергии
2.     Энергоемкие накопители с медленной реакцией
Для обеспечения работы привода при провалах напряжения предложен источник бесперебойного питания на основе батарей суперконденсаторов, для которых характерна высокая удельная емкость до 250 фарад на грамм и большая мощность в импульсе, превышающая аналогичную величину для остальных накопителей более чем в 10 раз.
 
Устройство суперконденсатора

Накопление заряда осуществляется фактически на молекулярном уровне. Плотность мощности в импульсе в 10 раз выше, чем плотность мощности у аккумуляторных батарей.
Техническая реализация представляет собой элементарную ячейку (элементарный суперконденсатор), состоящую из двух последовательно соединенных суперконденсаторов, причем соединение происходит по электрическим слоям в электролите, а заряд снимается с электрических слоев. Последовательное соединение суперконденсаторов реализуется путем использования общего электролита, разделенного сепаратором, фактически являющимся баллоном для электролита. Поэтому допустимое рабочее напряжение элементарного суперконденсатора равно напряжению разложения электролита [8].
Высокодисперсный материал обкладок в суперконденсаторах- активированный уголь с размерами частиц 1-50 мкм, размерами активных пор 0,7 – 16 нм и удельной поверхностью до 2500 м2/г, что, в свою очередь позволяет довести емкость конденсатора до 250 фарад на грамм. Активированный уголь еще и очень дешев, что практически лишает его всяких конкурентов.
 
8
Рис. 8. Схема элементарного суперконденсатора
 
Для построения суперконденсаторов с напряжениями до 1000 вольт на основе элементарных суперконденсаторов в настоящее время используются наборная и намоточная технологии
Наборная технология предусматривает создание ячейки суперконденсатора с необходимыми электрическими параметрами (напряжение и мощность) в едином модуле путем набора последовательно-параллельно соединенных элементарных ячеек необходимого количества. Эта технология разработана впервые в мире в России в 1970-ых годах [5]. Намоточная технология разработана в 1930-ых годах прошлого века фирмой Maxwell (США) для обычных конденсаторов и в девяностых годах прошлого века была применена для создания суперконденсатора [3]. 
Подключив батареи параллельно количеством в несколько штук получаем нужную мощность на нужный промежуток времени для компенсации кратковременного провала питания нагрузки
Для создания мощных высоковольтных систем в основном используется суперконденсаторы наборной технологии, которые и определяют будущее использования суперконденсаторов. Разработки ОИВТ РАН в основном связаны с суперконденсаторами наборной технологии.
 
9
Рис. 9. Cуперконденсатор

Областью применения суперконденсатора является:
1. В качестве бортового источника импульсной мощности такие области как: гибридный транспорт (для запуска двигателей внутреннего сгорания), питание трамваев и троллейбусов (для преодоление обесточенных участков пути, экстренного торможения и открывания дверей при отсутствии внешнего напряжения), в области железнодорожного транспорта при запуске дизелей тепловозов, в том числе маневровых, в электропоездах метро для экстренного открывания дверей. 2. Как буферного накопителя энергии- при временном поддержании автономного функционирования самой различной аппаратуры: схемах защиты линий станций (в том числе АЭС), стабилизации напряжения питания мощных нагрузок, работающих в повторно-кратковременном режиме, а в медицинской технике при питания рентгеновского оборудования.
В России промышленное производство суперконденсаторов осуществляется на предприятиях: ЗАО "ЭСМА"(г.Троицк), ЗАО "ЭЛИТ" (г. Курск), ООО "Технокор", (г.Москва), НПО "ЭКОНД", г.Москва), ОАО"Элеконд", (г. Сарапул). Более 90% всей продукции идет на экспорт.
Среди зарубежных производителей компании: NEC-Tokin(Япония), Nippon-Chemicon (Япония), Panasonic(Япония), PowerSystems (Япония), MaxwellTechnologies (США), LSCable( Корея), BatScap(Франция), NessCap, EvansCapacitor, AVX, CooperBussmann, Epson.
 
Проанализировав предложения рынка на сегодняшний день была выбрана установка ИКЭ 36/700 “ЭКОНД” Напряжение заряда U=700 В; Электрическая емкость С=0,15 Ф; Энергия А=36,8 кДж. Соединив батареи в единый блок параллельно количеством 9 штук, получаем нужную мощность.
Параметры подобранной установки согласуются с нужной мощностью привода и временем провала, таким образом, в течении провала длительностью100 мс ИБП способен питать привод мощностью 315 кВт.
 
10
Рис. 10. Внутренняя структура модуля батареи суперконденсатора
 
Модуль напряжением 700 В включает в себя элементарные ячейки из суперконденсаторов на 3 В, соединенных последовательно. Напряжения на конден­саторах ввиду разброса значений ёмкостей и токов утечек оказываются неравными, т.е. разбалансиро­ванными. Самый простой метод балансировки напряжений конденсаторов состоит в том, что параллельно конденсаторам подключаются шунтирующие резисторы.
 
Быстродействующие средства обнаружения провалов напряжения и способы переключения привода на ИБП

Длительность устраняемого провала напряжения в любой точке присоединения к электрическим сетям определяется выдержками времени релейной защиты и автоматики и составляет, обычно, несколько миллисекунд. Для переключения ИБП с режима работы от сети на режим работы от суперконденсатора используются быстродействующие реле. Время срабатывания реле составляет 2-4 мс, полное время реакции на сбой электрической сети занимает менее четверти периода синусоиды напряжения: 3-5 мс, включая время обнаружения сбоя.
В режиме работы от электрической сети напряжение фильтруется от шумов и импульсов и поступает к нагрузке. Часть мощности расходуется на зарядку ИБП или поддержание его в заряженном состоянии. Блок анализа напряжения контролирует форму и амплитуду напряжения сети. Напряжение на выходе ИБП повышается или понижается, приближаясь к номинальному значению. 
 
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В СРЕДЕ MATLAB/SIMULINK И ЕГО РЕЗУЛЬТАТЫ

Имитационное моделирование длиться 6 секунд и за это время будет произведен запуск двигателя, выход на номинальный режим, провал напряжения в сети источника, реакция суперконденсатора, в качестве резервного источника питания, отработка возмущающего воздействия двигателем и затем останов.
Двигатель разгоняется, после этого в момент времени t=2 с напряжение в сети падает до 90% от номинального, в момент времени t=2,5 напряжение падает до нуля. Тогда к цепи подключается суперконденсатор, как источник бесперебойного питания. Скорость на двигателе остаётся на номинальном уровне. Провал в сети источника продолжается 100 мс, когда питание восстанавливается, СУ ИБП отключает его от цепи постоянного тока, двигатель продолжает работать в номинальном режиме.
Результатом моделирования будут графики, на которых отражается действие системы ИБП с суперконденсатором. По осциллограммам, представленным ниже, мы наблюдаем, как изменяется уровень напряжения на входе в активный выпрямитель (АВ):
 11
 
Рис. 11. Осциллограмма тока и напряжения питающей сети
 
К моменту провала, двигатель должен выйти в номинальный режим работы. Выделим участок постоянной скорости в номинальном режиме.
 
12
Рис. 12. Осциллограмма переходных процессов с вводом ИБП
 
Как мы видим ток, скорость, момент поддерживаются на нормальном уровне. Задержка во времени при переходе с одного источника питания на другой составляет около 3 мс. Ниже представлено состояние ЦПТ
 
13
Рис. 13. Поддержание уровня напряжения в ЦПТ суперконденсатором
 
Сравним с изменениями показателей работы двигателя без ввода накопителя в действие.
 
14
Рис. 14. Осциллограмма переходных процессов без ввода накопителя энергии
 
При провале напряжения, уровень тока в сети становится выше номинального, автоматический выключатель, снабженный специальным отключающим реле максимального тока,отключает защищаемый участокцепи от повреждения воздействием высокого тока.
Когда обмотки двигателя остаются обесточены на 100 мс, скорость вращения ротора двигателя падает ниже 120 об/мин, соответственно падает частота вращения барабана ПУ, что не допустимо для обеспечения ее работы, согласно произведенным расчетам (смотри раздел расчета параметров работы ПУ).
 
15
Рис. 15. Влияние провала напряжения в сети источника на состояние ЦПТ
 
В ЦПТ конденсатор заряженный энергией, как орган, сглаживающий пульсации напряжения питания инвертора (Umax/Umin) не позволяет опускаться уровню напряжения Umin до уровня U3MH- значение уставки срабатывания реле минимального напряжения ЧП, как правило=60% от номинального напряжения( в данном случае 372 В при Uном=620 В).
 
Как мы видим, система управления ввода суперконденсатора, в качестве ИБП реагирует на провал и поддерживает напряжение на должном уровне (600 В), в то время, как отсутствие ввода ИБП приводит к падению напряжения до нуля. Напряжение звена постоянного токав корень из трех больше напряжения сети, что и должно получится теоретически.
Дополнительные характеристики системы
 
 
Для исследования зависимости степени сбоя работы электропривода от длительности отключения питания сети, произведено моделирование провала на протяжении 50 мс. Полученные результаты представлены ниже:
 
 17
Рис. 16. Влияние провала напряжения длительностью 50 мс в сети источника на состояние уровня напряжения ЦПТ
 
На осциллограмме модуль напряжения успевает уменьшается до нуля. Рассмотрим, как это влияет на состояние характеристик режима работы двигателя:
 
18
Рис. 17. Осциллограмма переходных процессов во время отключения питания длительностью 50 мс без ввода ИБП
 
Скорость вращения барабана ПУ не успевает снизится ниже требуемой для безопасной работы (ниже 130 об/мин- смотри раздел расчета параметров работы ПУ), что обусловлено наличием инерции у индукционного двигателя, следовательно, провалы питающего напряжения по времени меньше 50 мс не нарушают режим работы ПУ.
 
 
Итоги

По полученным графикам работы системы с ИБП и по технико-экономическим расчетам, можно сделать вывод, что данная предложенная мной система способна обеспечить:
Надежность работы подъемной установки, безопасность работы в шахте и увеличить срок службы оборудования, а также сокращение эксплуатационных затрат и экономии электроэнергии. Подобрана топология ЧРП со звеном ИБП, обеспечивающим нагрузку мощностью 315 кВт в течении 100 мс. Система имеет задержку в реакции, что связано с работой электромагнитных реле.
 

Библиографический список:

1. Гамазин С.И., Пупин В.М., Марков Ю.В. Обеспечения надежности электроснабжения и качества электроэнергии // Промышленная энергетика. — 2006. — № 11— С.51-56
2. Ивкин О.Н., Киреева Э.А., Пупин В.М., Маркитанов Д.В. Применение динамических компенсаторов искажений напряжения с целью обеспечения надежности электроснабжения потребителей // Главный энергетик. — 2006. — № 1. — С. 28-38
3. Колпаков А.А. Инверторная платформа Semicube // Новости электроники — 2010. — №9 — C. 50-53
4. Колб А.А. К расчету накопительных конденсаторов в системах группового питания электроприводов // Томский политехнический университет. - Томск : Изд-во ТПУ, 2009. - 240 с.2004.— Украина, Днепропетровск. Национальный горный университет [4]
5. Петрович В.П., Воронина Н.А., Глазачев А.В. Силовые преобразователи электрической энергии: учебное пособие / Томский политехнический университет. Томск : Изд-во ТПУ, 2009. —240 с.
6. Пупин В.М., Егорова М.С. Электроснабжение Оскольского электрометаллургического комбината и повышение надежности электрообеспечения основных потребителей // Электрика. — 2008.—№ 3. — С. 21-32.
7. Denshchikov K.K., Zhuk A.Z., Izmaylova M.Y, Gerasimov A.F. New Generation of Stacked Supercapacitors, First International Symposium on Enhanced Electrochemical Capacitors // Universite de Nantes, France. —2009. — P.75-85.
8. Denshchikov K.K. Stacked Supercapacitor Technology – New Perspectives & Chances, Supercaps Europe // European Meeting on Supercapacitors: Development and Implementation in Energy and Transportation Techniques ( Berlin, Germany, Nov.2005). P 23-26.
9. Pietilainen K., Harnefors L., Petersson A. DC - link stabilization and voltage sag ride through of inverter drive. // Industrial Electronics, IEEE — 2006. Vol. 53 —P. 1261-1268




Комментарии пользователей:

8.06.2017, 8:53 Галкин Александр Федорович
Отзыв: Отличная статья. Может служить примером.


Оставить комментарий


 
 

Вверх