Тиристорный регулятор напряжения с адаптивной интегрирующей системой управления для плавного пуска асинхронных электродвигателей

Значительное повышение за последние годы цен на энергоносители и электротехническое оборудование делает актуальными проблемы поиска высокоэффективных путей экономии электроэнергии и применения алгоритмов управления промышленными объектами, обеспечивающих повышенный срок службы технологического оборудования с целью снижения затрат на их обслуживание и ремонт. Одним из таких путей является применение тиристорных регуляторов напряжения (ТРН) для мягкого пуска асинхронных электродвигателей (АД), составляющих на большинстве промышленных предприятий до 90 % от общей численности электроприводов. При этом ТРН позволяют:

• -    снизить затраты на электрооборудование питающей сети и кабельных линий за счет существенного уменьшения пусковых токов АД;

• -    увеличить срок службы электродвигателей, технологического оборудования по причине тепловых и механических перегрузок, характерных для режима прямого пуска;

• -    перевести не менее 30 % технологических механизмов в режим повторно-кратковременных включений при экономии электроэнергии в пределах 30 – 70 % и снижении мощности исполнительных электродвигателей.

Однако в ряде случаев надежной работе серийно выпускаемых ТРН препятствует высокий уровень внешних помех [1, 2], что делает их применение малоэффективным из-за низкой помехоустойчивости системы импульсно-фазового управления (СИФУ) и частых сбоев ее в работе, особенно на объектах с маломощной сетью.

На кафедре электропривода и автоматизации промышленных установок Южно-Уральского государственного университета на основе проведенных исследований методов интегрирующего развертывающего преобразования [2, 3] разработан ТРН [4–6], предназначенный для работы в условиях высокого уровня внешних помех и нестабильности параметров промышленной сети. ТРН лег в основу реконструкции асинхронных электроприводов технологических установок на ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» (ЧТПЗ).

Принцип построения и структура ТРН с адаптивной интегрирующей системой управления

Отличительной особенностью ТРН с адаптивной интегрирующей системой управления является то, что в СИФУ все каналы фаз А , В , С выполнены по однотипной структуре на базе замкнутых интегрирующих РП-А, РП-В, РП-С (рис. 1), работающих в режиме внешней синхронизации с частотой напряжения сети [7–10] и выполняющих в системе управления одновременно функции как узлов синхронизации, так и фазосдвигающих уст-

Рис. 1. Функциональная схема ТРН с адаптивной интегрирующей СИФУ для плавного пуска асинхронных электродвигателей

ройств (ФСУ), что в значительной степени упрощает техническую реализацию ТРН и делает надежной его работу в условиях высокого уровня помех, включая коммутационные искажения сети, а также в условиях нестабильности амплитуды и частоты сети. Все это позволяет использовать данные регуляторы на объектах с «проблемной» сетью, когда электропитание объекта осуществляется, например, от дизель- или ветро-генераторных установок.

Силовая часть преобразователя выполнена по схеме «тиристор-диод» (см. рис. 1), что позволяет существенно упростить систему управления ТРН и улучшить условия ее коммутации в различных режимах работы. Кроме этого, данный вариант включения силовых вентилей является наиболее рациональным для систем плавного пуска асинхронных электродвигателей, когда не требуется реверс [11].

Ограничение пускового тока статора АД на уровне 2–3 номинального значения в ТРН осуществляется при помощи контура тока, выполненного на основе трансформаторов тока ТС-А , ТС-В , ТС-С , демодулятора ДМ, цифрового фильтра ЦФ, сумматора 2 и интегрального регулятора тока РТ (см. рис. 1).

Принцип работы адаптивной интегрирующей СИФУ рассмотрим на примере фазы А , так как процессы в остальных каналах управления протекают аналогичным образом.

Каждый из РП-А, РП-В, РП-С состоит из сумматоров 2 1- 2 2, интегратора И с постоянной времени интегрирования Т _И, релейного элемента

РЭ с порогами переключения ± b и симметричной относительно «нуля» неинвертирующей петлей гистерезиса, а также амплитудного модулятора АМ (см. рис. 1).

При отсутствии сигнала управления (выход РТ) и напряжения смещения Х СМ на выходе РП-А устанавливаются знакопеременные импульсы, сдвинутые относительно синхронизирующего напряжения фазы А на угол а _С (рис. 2, а, б).

В работе [4] показано, что при внешней синхронизации ФСУ гармоническим сигналом со стороны информационного входа оптимальным уровнем нормированного значения периода собственных автоколебаний РП Т 0 = Т 0 / Т С следует считать значение 0,1, когда в системе обеспечивается максимально возможный диапазон регулирования угла управления а _У тиристорами. Здесь Т С -период напряжения сети (см. рис. 2, а); Т 0 = 4 ЬТ И -период собственных автоколебаний РП при отсутствии всех сигналов на его входе; b = b / A\ -нормированная величина порогов переключения РЭ по отношению к его амплитуде А на выходе.

Регулировочная характеристика а У = f ( X _ВХ) интегрирующего РП при Т 0 = 0,1 приведена на рис. 3, из которой можно сделать вывод, что в РП-А, РП-В и РП-С, входящих в состав адаптивной СИФУ ТРН (см. рис. 1), глубину синхронизации А С = АС !Д следует выбирать в диапазоне 6,0 <  А С <  8,0, когда регулировочные характеристики становятся практически линейными, а угол

Устройства аналоговой и цифровой электроники

+ А С

АС

+ А

А

+ А

—

А

120 эл.град п

Импульс

Импульс ОВ-С

Выход лТ)

1’51

лллллл

_nM=aui____i hnndSin

Рис. 2. Временные диаграммы сигналов адаптивной интегрирующей СИФУ тиристорного регулятора напряжения

Рис. 3. Регулировочная характеристика интегрирующего РП в режиме внешней синхронизации гармоническим сигналом со стороны информационного входа

управления а _У при X ВХ = 0 близким по значению к -90 эл. град. Здесь Х _ВХ = | Х _ВХ / А | - нормированное значение входного сигнала Х ВХ ; А С – амплитуда сигнала синхронизации (напряжения сети).

При помощи напряжения смещения Х СМ отрицательной полярности, воздействующего на вход РП-А (см. рис. 1), задается начальный угол управления а ₀ тиристором фазы А (см. рис. 2, б), который выбирается в районе 160 эл. град.

Для пуска электродвигателя с ограничением тока на заранее заданном уровне, устанавливаемом источником ХЗАД, в системе управления используется интегральный регулятор тока РТ (см. рис. 1), который в процессе разгона АД автома- тически изменяет угол управления аУ на выходе РП-А (рис. 2, в), поддерживая тем самым величину заданного пускового тока двигателя. Разгон АД завершается, когда РТ переходит в режим насыщения, а в РП-А устанавливается минимальный угол управления amin (см. рис. 2, в), численное значение которого выбирается в районе 5–10 эл. град. В результате этого во всех режимах работы электродвигателя все развертывающие преобразователи РП-А, РП-В, РП-С работают в импульсном режиме, что необходимо для работы формирователя-распределителя ФР импульсов управления и блока коррекции частоты БКЧ, входящего в состав адаптивной интегрирующей СИФУ (см. рис. 1).

Формирователь-распределитель ФР импульсов управления тиристорами VS 1– VS 3 состоит из одновибраторов ОВ-А, ОВ-В, ОВ-С, SR –триггеров Т 1– Т 3, логических элементов Л1–Л3 и генератора высокочастотных импульсов G (см. рис. 1). При этом ОВ-А, ОВ-В, ОВ-С формируют короткие импульсы малой длительности по заднему фронту сигналов с выхода РП-А, РП-В, РП-С (рис. 2, г, д). Интервал времени между импульсами соответствует 120 эл. град, так как фазы А , В , С сдвинуты друг относительно друга на этот же угол. SR -триггеры Т 1– Т 3 совместно с логическими элементами Л1–Л3 и генератором G (см. рис. 1) формируют импульсы в виде «пакета» для включения тиристоров VS 1– VS 3 (рис. 2, е–з). Длительность импульсов в «пакете» составляет 120 эл. град, что с большим запасом перекрывает интервал времени проводящих состояний тиристоров VS 1– VS 3 на участке разгона двигателя, так как во время запуска угол управления α У находится в районе 90–130 эл. град, зависящем от сигнала задания Х ЗАД .

В случае нестабильности частоты напряжения сети в СИФУ введен блок коррекции частоты БКЧ (см. рис. 1), обеспечивающий адаптацию угла управления α _У в РП-А, РП-В, РП-С при изменении частоты питающего напряжения.

БКЧ состоит из преобразователя периода в напряжение ППН, сумматора Σ 3 с источником опорного напряжения Х 0 = b и логического элемента Л4 типа «3ИЛИ», формирующего импульсы, следующие друг за другом через Т С /3 или 120 эл. град (см. рис. 2, д). ППН измеряет период Т С напряжения сети, например, путем подсчета импульсов стабильной частоты за время Т _С/3 с последующим преобразованием полученного результата в аналоговый сигнал. Амплитудные модуляторы (АМ), входящие в состав каждого из РП-А, РП-В, РП-С (см. рис. 1), регулируют период автоколебаний Т ₀ = 4 bT _И в развертывающих преобразователях за счет коррекции порогов переключения ± b РЭ таким образом, чтобы при изменении частоты напряжения сети всегда поддерживалось равенство Т ₀ = Т ₀ / Т _С = 0,1. В результате этого регулировочная характеристика РП (см. рис. 3) сохраняется неизменной в условиях нестабильности частоты питающего напряжения.

Отличительной особенностью адаптивной интегрирующей СИФУ является также то, что цифровой фильтр (ЦФ), включенный в цепи обратной связи по току (см. рис. 1), работает синхронно на частоте дискретизации ТРН и выполнен на основе реверсивного число-импульсного аналогоцифрового преобразователя (АЦП) с амплитудно-частотно-импульсной модуляцией (АЧИМ), впервые предложенного в работах [12–14]. Применение интегрирующего АЦП с АЧИМ в качестве ЦФ позволяет не только повысить помехоустойчивость в канале обратной связи по току к сигналам внешних помех, но и обеспечивает автоматическую автоподстройку его постоянной времени при изменении частоты питающего напряжения за счет синхроимпульсов, формируемых логическим элементом Л4 в БКЧ (см. рис. 1) и следующих друг за другом через 120 эл. град, а также подавление пульсирующей составляющей в датчике тока, равной 150 Гц для трехфазной нулевой схемы демодуляции ДМ.

Техническая реализацияи характеристики ТРН

Теоретические и экспериментальные исследования [2, 4–6] показали, что наряду с высокой помехоустойчивостью со стороны информативного канала управления ТРН с адаптивной интегрирующей СИФУ сохраняет свою работоспособность при коммутационных «провалах» напряжения сети, достигающих уровня 100 % на 15–20 эл. град. Это в значительной степени превосходит аналогичные параметры традиционных СИФУ «вертикального» типа отечественного и зарубежного производства [11, 15–18]. Кроме того, ТРН сохраняет свою работоспособность не только в условиях нестабильности амплитуды, но и частоты напряжения сети в пределах ± 50 %, что достигается за счет интегрирующих развертывающих преобразователей, работающих совместно с блоком коррекции частоты. Это позволяет использовать данные ТРН для плавного пуска АД в автономных сетях ограниченной мощности с существенной ошибкой частоты генерируемого напряжения.

Схемные решения технической реализации ТРН с интегрирующими СИФУ для плавного пуска АД подробно рассмотрены в работах [2, 4]. В состав ТРН входит также весь комплекс быстродействующих селективных защит: максимальнотоковая, времятоковая и от исчезновения фазного напряжения. Здесь следует отметить, что защита от пропадания фазного напряжения, впервые предложенная в работе [19], выполнена по интегрирующему принципу с временем срабатывания порядка 3–5 с, что позволяет системе не реагировать на кратковременное исчезновение фазного напряжения в пределах нескольких периодов напряжения сети. При этом «заторможенность» данного контура защиты исключает ложную остановку электродвигателя и технологического процесса в целом.

ТРН полностью выполнены на комплектующих отечественного производства и не содержат ни одного подстроечного элемента, что особенно важно в условиях промышленной эксплуатации. Это позволяет исключить несанкционированное изменение параметров электроприводов сторонними лицами и возможность возникновения на объекте аварийной ситуации. При этом обращают на себя внимание простота технической реализации всего комплекса оборудования и его высокая надежность. По сравнению с импортными аналогами стоимость ТРН ниже на 30–50 %.

Устройства аналоговой и цифровой электроники

Результаты промышленного внедрения

В период 2005–2013 гг. на ОАО ЧТПЗ на основе рассмотренных выше ТРН было реконструировано 84 асинхронных электропривода 15 технологических установок на суммарную мощность исполнительных электродвигателей более 7600 кВт (см. таблицу).

Результаты применения ТРН на ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» показали высокую эффективность систем плавного пуска асинхронных электродвигателей. Так, перевод только электроприводов насосов наполнения гидропрессов (160 кВт) в режим повторно-кратковременных включений, что ранее оказывалось невозможным по причине применения систем релейно-контакторного пуска, позволяет сократить затраты предприятия на электроэнергию более, чем на 2 млн руб. в год (в ценах 2012 г.) (см. таблицу).

Второй, причем не менее важной, чем энергосбережение, статьей экономической эффективности является высокий уровень ресурсосбережений, который обеспечивается системами плавного пуска асинхронных электродвигателей. Так, до реконструкции указанных объектов среднестатистический годовой отказ электрооборудования (электродвигателей, силовых контакторов) и технологических механизмов (масляных и водяных насосов) достигал 25–40 % от их общего числа [20, 21]. С момента перевода электроприводов в режим плавного пуска при наличии в ТРН всего комплекса быстродействующих селективных защит от аварийных режимов работы не было зафиксировано ни одного случая

Основные экономические показатели промышленного внедрения ТРН

№ Технологический объект Кол-во электроприводов / суммарная мощность, кВт Среднегодовая экономия электроэнергии, руб. Среднегодовое сокращение затрат на ремонт и обслуж., руб. Цех № 6 Линия отделки труб 820 1 Гидропресс № 1 8 / 725 420 000 руб. с каждого гидропресса 300 000 руб. с каждого гидропресса 2 Гидропресс № 2 8 / 725 3 Гидропресс № 3 8 / 725 4 Гидропресс № 4 8 / 725 Линия отделки труб 1220 5 Гидропресс № 7 9 / 958 461 000 350 000 6 Масляный насос слежения 10 м гидропресса № 7 1 / 120 15 400 12 300 7 Электрооборудование общей сети 20 Гц/160 В стана 1020–1220 6 / 250 187 000 112 000 8 Первый передвижной рольганг стана 1220 2 / 40 14 500 23 000 Гидропрессы № 1–4, № 7 9 Система оборотного цикла водоснабжения цеха № 6 7 / 725 115 000 270 000 Линия плазменной сварки труб 820 и 1220 10 Комплекс электроприводов систем воздухообмена и дымоудаления 11 / 1465 1 600 000 280 000 Цех № 2 11 Водяные насосы ямы окалины 2 / 320 72 000 35 000 12 Воздухообменники кольцевой печи 2 / 220 54 000 75 000 Шлакоплавильный цех 13 Водяные насосы гран-бассейна 4 / 160 63 000 30 000 14 Система оборотного цикла водоснабжения 3 / 480 95 000 130 000 Электроцех 15 Системы воздухообмена и дымоудаления 5 / 50 38 500 45 000 Итого 84 / 7688 4 395 400 2 562 300 отказа электро- и технологического оборудования, что позволяет сократить расходы предприятия на ремонт и обслуживание электроустановок, в частности, по цеху № 6 в среднем на 2,2 млн руб. в год (см. таблицу). При этом срок окупаемости затрат на реконструкцию электроприводов в зависимости от специфических особенностей объекта находится в пределах 1,4–2,1 года.

Выводы

• 1.    Разработан и экспериментально исследован ТРН с адаптивной интегрирующей СИФУ для плавного пуска АД и силовыми ключами «тиристор-диод», предназначенный для работы в условиях высокого уровня внешних помех и нестацио-нарности параметров промышленной сети.

• 2.    Теоретические и экспериментальные исследования показали, что наряду с высокой помехоустойчивостью со стороны информативного канала управления ТРН с адаптивной интегрирующей СИФУ сохраняет свою работоспособность при коммутационных «провалах» напряжения сети, достигающих уровня 100 % на 15–20 эл. град, а также в условиях нестабильности амплитуды и частоты напряжения сети в пределах ± 50 %, что достигается за счет интегрирующих развертывающих преобразователей, работающих совместно с блоком коррекции частоты. Эти показатели превосходят не менее чем в 2–3 раза аналогичные параметры традиционных СИФУ «вертикального» типа отечественного и зарубежного производства.

• 3.    В период 2005–2013 гг. на ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» на основе разработанных ТРН было реконструировано 84 асинхронных электропривода 15 технологических установок на суммарную мощность исполнительных электродвигателей более 7600 кВт. Экономический эффект от внедрения оборудования составил более 6,9 млн руб. в год и получен за счет экономии электроэнергии при переводе асинхронных электроприводов в повторно-кратковременный режим работы и сокращения расходов на ремонт и обслуживания силового электрооборудования технологических установок.