Способы повышения устойчивости электроприводов непрерывных производств при провалах напряжения

На предприятиях с непрерывным технологическим производством (ПНТП) металлургической, топливно-энергетической, химической промышленности кратковременные провалы напряжения (ПН), даже малой длительности, приводят к отключениям электроприводов, нарушению технологических режимов и длительным простоям оборудования.

Статистика показывает увеличение числа аварийных отключений оборудования, технологические механизмы которого оснащены частотнорегулируемыми приводами переменного тока [1]. Причиной этого является увеличение длительности перерывов в работе электродвигателей, питаемых от преобразователей частоты, при кратковременных (1–2 с) нарушениях электроснабжения [2, 3]. Автоматическое включение резерва на период паузы не является рациональным решением, а создание собственного быстродействующего АВР проблематично как с точки зрения усложнения схемы электроснабжения, так и внесения проблем по селективности и равномерности загрузки вводов электропитания [4].

Технические требования к электроприводам определяются особенностями работы каждого электропривода, его взаимосвязью с другими агрегатами, эксплуатирующимися на объекте, и степенью их технологической значимости в производственном цикле.

С позиции системного подхода электротехнический объект любой сложности по отношению к системе заводского электроснабжения рассматривают как отдельный элемент – электроприемник с определенным набором электротехнических параметров. С другой стороны, этот же объект – сложная мехатронная система, включающая в себя элементы электропривода, гидравлики, силовой электроники, релейной защиты.

В такой постановке представляет интерес рассмотрение объекта и его восприимчивости к провалам напряжения с двух позиций: во-первых, со стороны системы электроснабжения – «сверху», в точке присоединения ответственного потребителя оценить частоту и сезонность появления провалов напряжения, их глубину и длительность, а главное – определить причины ПН и возможности их локализации. Во-вторых, рассматривая и анали- зируя объект «изнутри», как совокупность входящих в него подсистем, выделить элементы, наиболее чувствительные к провалам напряжения, действия которых вызывают необратимые последствия для всего объекта в целом.

Анализ способов уменьшения воздействияПН на электроприемники

Результаты исследований, проведенных на металлургических предприятиях [5, 6], указывают на то, что распределение глубины провалов бУп напряжений носит случайный характер, а наиболее частыми являются однофазные провалы (табл. 1), вызванные однофазными короткими замыканиями (КЗ); их длительность определяется действием земляной защиты ЛЭП 110 кВ.

В настоящее время можно выделить несколько эффективных технических решений, способствующих уменьшению вероятности возникновения ПН и их последствий. Рассмотрим их подробнее.

• 1.    Деление замкнутых сетей 110 кВ внутризаводского электроснабжения на независимые контуры, связь между которыми сохраняется через сети напряжением 220, 500 кВ внешней энергосистемы. Такое преобразование выполнено в сетях 110 кВ ОАО «ММК» [7], в результате чего ПН стали более локализованными, а их последствия менее разрушительными для ПНТП.

• 2.    Непосредственное подключение ответственных потребителей на генераторное напряжение 6–10 кВ собственных станций малой мощности. Подобное решение реализовано на коксохимическом производстве ОАО «ММК» [7], для которого

• 3.    Автономный генератор как независимый источник также обеспечивает электроэнергией потребителей «особой группы, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства» (п. 1.2.18) [8].

перерыв в электроснабжении недопустим из-за чрезвычайных экологических последствий. На общие шины 6 кВ с асинхронной двигательной нагрузкой подключены два генератора мини-ТЭЦ мощностью по 4 МВт (рис. 1).

Анализ объекта «изнутри» как единого системообразующего комплекса проведем на примере непрерывного стана холодной прокатки 2000 ОАО «ММК». Главные привода стана выполнены на базе синхронных двигателей с преобразователями частоты, построенными по двенадцатипульсной схеме с последовательным соединением первичных обмоток трансформаторов (рис. 2). В преобразователях используются запираемые тиристоры IGCT с идентичной структурой активного выпрямителя (АВ) и автономного инвертора напряжения [9].

В методе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) используется принцип удаления выделенных гармоник с пятью переключениями за четверть периода (рис. 3, а). Зависимость углов переключения α ₁– α ₅ от коэффициента модуляции µ приведена на рис. 3, б [10]. Для рассматриваемого типа преобразователей диапазон изменения коэффициента модуляции составляет 0,65–0,90, при этом номинальному напряжению сети соответствует µ = 0,83. Это значит, что обеспечивается необходимый запас в случае снижения напряжения сети на 22 %. В динамических режимах, связанных

Распределение провалов напряжений

Таблица 1

Вид ПН	бУ п , %	Длительность, с	Количество, %
Однофазные	25–35	0,1–0,3	60–70
Двухфазные	40–60	0,1–0,3	35–25
Трехфазные	до 100	0,1–0,5	15–5

ЦЭС

ЦЭС

ПВЭС

1 с.

ПС № 70

1 с.

Т1

10 МВА

630 кВт 2х1250 кВт

Коксохимическое производство

ТГ-1

4 МВт

3 с.

Мини ТЭЦ

ТГ-2

4 МВт

10 кВ

6 кВ

2 с.

3х1250 кВт 320 кВт

Коксохимическое производство

Рис. 1. Непосредственное подключение ответственных потребителей на генераторное напряжение 6 кВ собственных станций малой мощности

Рис. 2. Схема подключения активного выпрямителя

а)

Рис. 3. Формирование фазного напряжения активного выпрямителя (а), зависимость углов переключения α ₁ – α ₅ от коэффициента модуляции µ (б)

б)

с ускорением привода, создается требуемый запас по напряжению величиной порядка 8 %.

Функция активного выпрямителя – преобразование трехфазного переменного напряжения сети в постоянное напряжение на конденсаторе в звене постоянного тока и поддержание этого напряжения при изменениях нагрузки со стороны привода и напряжения питающей сети. Это достигается путем формирования основной гармоники напряжения U_nl на входных зажимах выпрямителя из постоянного напряжения на конденсаторе методом ШИМ таким образом, чтобы активная мощность, потребляемая из сети, соответствовала мощности, отдаваемой конденсатором в цепь нагрузки. Нулевое потребление реактивной мощности выпрямителем обеспечивается путем изменения коэффициента модуляции µ .

При симметричном напряжении питающей сети на входных зажимах выпрямителя формируется трехфазная система напряжений, которая на основной гармонике является также симметричной. Это означает, что коэффициенты модуляции по трем фазам одинаковые. При провалах напряжения возникает несимметрия питающей сети, характеризуемая появлением напряжения обратной последовательности. В результате в контуре, образованном двумя источниками напряжения – сетью и активным выпрямителем, создаются условия для протекания токов обратной последовательности, величина которых ограничена сопротивлением трансформатора, установленного на входе выпрямителя.

Известны системы управления АВ с адаптацией к несимметрии питающего напряжения [11]. В таких системах напряжение питающей сети раскладывается на прямую и обратную последовательности. Напряжение обратной последовательности используется в качестве корректирующего сигнала прямого действия, так называемого пред-управления, для формирования трех фазных напряжений на входных зажимах выпрямителя. Это позволяет ограничить токи обратной последовательности практически до нуля, тем самым сни-

а)                            б)

U A1П     U C2П

U A1П + U A2П

U B2П

U A2П

U B1П                        U B1П + U В2П

д)

Рис. 4. Векторные диаграммы напряжений на стороне 110 кВ (а), на стороне 10 кВ (б), прямая и обратная последовательности фазных напряжений активного выпрямителя (в), их сумма (г), то же с учетом корректирующего сигнала (д)

зить нагрев силовых ключей, связанный с их протеканием. С другой стороны, подобное решение приводит к неравенству фазных напряжений со стороны активного выпрямителя, и, как следствие, к возможному выходу коэффициентов модуляции на ограничение. Такой режим опасен размыканием контура регулирования тока и потерей управляемости преобразователем.

Расчет коэффициентов модуляции АВ при провалах напряжения

Представляет интерес оценить минимальный уровень остаточного напряжения, при котором коэффициент модуляции достигает критического значения. Как было отмечено ранее, наиболее часто причиной провалов напряжений на шинах 10 кВ являются короткие замыкания на стороне 110 кВ. На практике средствами микропроцессорной релейной защиты обычно фиксируют провалы напряжений на вводах подстанции глубокого ввода 110 кВ. С учетом того, что соединения обмоток трансформаторов 110/10 кВ выполняют по схеме Y /Δ, соотношения между величинами остаточных напряжений на стороне высокого и низкого напряжений не имеют пропорциональной зависимости. В настоящей работе, используя известную методику [12], рассчитывают напряжения на стороне 10 кВ при различных сочетаниях остаточных напряжений на стороне 110 кВ.

В качестве примера рассмотрен случай снижения напряжения 110 кВ фазы А на 50 %, векторные диаграммы линейных и фазных напряжений приведены на рис. 4, а. Линейные напряжения питающей сети на стороне 10 кВ, как видно из рис. 4, б, составляют при этом соответственно 0,93; 0,93 и 0,67 от первоначальных значений. Фазные напряжения на входных зажимах активного выпрямителя формируются методом ШИМ (рис. 3) как сумма прямой и обратной последовательностей по первой гармонике (рис. 4, в), в относительных величинах они составляют 0,83 и 0,17. Результирующие фазные напряжения на входе активного выпрямителя, приведенные на рис. 4, г, образуют несимметричную систему с различными значениями коэффициентов модуляции 0,63; 0,63 и 0,83.

В табл. 2 приведены результаты расчетов коэффициентов модуляции, необходимых для отработки провалов питающего напряжения при сохранении устойчивой работы активного выпрямителя. Рассматривались три варианта провалов напряжения на стороне 110 кВ при следующих аварийных ситуациях: однофазные КЗ, двухфазные симметричные КЗ и двухфазные несимметричные КЗ. Для однофазного КЗ указаны остаточные напряжения и_ост только для одной фазы, в которой наблюдается ПН; для двухфазных симметричных КЗ имеют место одинаковые провалы напряжения в

Таблица 2

Значения коэффициентов модуляции µ в исходной схеме при различных вариантах провалов напряжений, вызванных короткими замыканиями на стороне 110 кВ

Однофазное КЗ				Двухфазное КЗ
				симметричное				несимметричное
U ост , о.е.	µ по фазам			U ост , о.е.	µ по фазам			U ост1 , о.е.	U ост2 , о.е.	µ по фазам
	1	2	3		1	2	3			1	2	3
0,8	0,75	0,83	0,75	0,8	0,66	0,75	0,75	0,8	0,90	0,71	0,79	0,75
0,7	0,71	0,83	0,71	0,7	0,58	0,71	0,71	0,7	0,85	0,65	0,77	0,71
0,6	0,67	0,83	0,67	0,6	0,50	0,67	0,67	0,6	0,80	0,58	0,75	0,67
0,5	0,63	0,83	0,63	0,5	0,42	0,63	0,63	0,5	0,75	0,52	0,73	0,63
0,4	0,60	0,83	0,60	0,4	0,33	0,60	0,60	0,4	0,70	0,46	0,71	0,60
0,3	0,56	0,83	0,56	0,3	0,25	0,56	0,56	0,3	0,65	0,41	0,69	0,56
0,2	0,53	0,83	0,53	0,2	0,17	0,53	0,53	0,2	0,60	0,35	0,67	0,53

Таблица 3

Значения коэффициентов модуляции μ с учетом корректирующего сигнала при различных вариантах провалов напряжений, вызванных короткими замыканиями на стороне 110 кВ

Однофазное КЗ Двухфазное КЗ симметричное несимметричное Uост, о.е. µ по фазам Uост, о.е. µ по фазам Uост1, о.е. Uост2, о.е. µ по фазам 1 2 3 1 2 3 1 2 3 0,8 0,78 0,78 0,78 0,8 0,72 0,72 0,72 0,8 0,90 0,75 0,75 0,75 0,7 0,76 0,76 0,76 0,7 0,67 0,67 0,67 0,7 0,85 0,71 0,71 0,71 0,6 0,73 0,73 0,73 0,6 0,63 0,63 0,63 0,6 0,80 0,68 0,68 0,68 0,5 0,71 0,71 0,71 0,5 0,60 0,60 0,60 0,5 0,75 0,65 0,65 0,65 0,4 0,70 0,70 0,70 0,4 0,58 0,58 0,58 0,4 0,70 0,62 0,62 0,62 0,3 0,68 0,68 0,68 0,3 0,59 0,59 0,59 0,3 0,65 0,60 0,60 0,60 0,2 0,66 0,66 0,66 0,2 0,68 0,68 0,68 0,2 0,60 0,59 0,59 0,59 двух фазах, характеризующиеся величиной остаточного напряжения U0CT, приведенного в табл. 2. Для двухфазных несимметричных КЗ приняты величины провалов напряжения по фазам в соответствии с соотношением 6Un1 = 26Un2, поэтому в таблице указаны различные величины остаточных напряжений U0CT1, Uocm2.

Как видно из приведенных результатов, устойчивый режим работы АВ сохраняется при снижении напряжения до величины 0,6 о.е. для случая однофазного короткого замыкания, и соответственно до 0,8 и 0,7 о.е. при двухфазных симметричных и несимметричных коротких замыканиях. Соответствующие строки выделены в табл. 2 серым цветом.

Одним из вариантов повышения устойчивости работы активных выпрямителей является обеспечение равенства коэффициентов модуляции по фазам. Это достигается тем, что помимо фазных напряжений прямой и обратной последовательностей на входе активного выпрямителя дополнительно формируется корректирующий сигнал, одинаковый для всех трех фаз – напряжение нулевой последовательности. Результирующая система векторов трехфазных напряжений на входе активного выпрямителя приведена на рис. 4, д.

Для расчета коэффициента модуляции с учетом корректирующего сигнала, обеспечивающего равенство фазных напряжений, воспользуемся известными геометрическими соотношениями, связывающими площадь треугольника 5 с его сторонами а,Ь,с и радиусом описанной окружности R:

5 = ^р(р - а)(р - Ь)(р - с);

• 5 _ abc

• — 4Й ,

где р _ (а + b + с)/2.

Как следует из рис. 4, д, радиус описанной окружности R в относительных единицах соответствует искомому коэффициенту модуляции, одинаковому для всех трех фаз. Для его расчета в вышеприведенных формулах стороны треугольника принимают равными линейным напряжениям U_ab, U_bc, U_ca (рис. 4, б) на стороне 10 кВ, выраженным в относительных единицах.

Результаты расчета коэффициентов модуляции с учетом корректирующего сигнала, приведенные в табл. 3, показывают, что диапазон остаточных напряжений, при котором активный выпрямитель сохраняет устойчивость, существенно расширился: для однофазных провалов напряжения до 0,2; для двухфазных – до 0,7 (симметричное КЗ) и до 0,5 (несимметричное КЗ).

Заключение

• 1.    На основе системного подхода проведен анализ различных способов повышения устойчи-

• вости электроприводов непрерывного производства при провалах напряжения.

• 2.    Показано, что поставленная задача может быть решена за счет введения дополнительного корректирующего сигнала на входе активного выпрямителя и формирования трёхфазной системы напряжений с амплитудами и коэффициентами модуляции, одинаковыми по трем фазам. В результате электропривод сохраняет устойчивость при различных провалах напряжения питающей сети и значительно меньшем уровне остаточных напряжений.