CC BY
8
УДК 621.314.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-184-190
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ ЛИНИИ К ПРОВАЛАМ НАПРЯЖЕНИЯ В СЕТИ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
ВС. Климаш, А.В. Петухов
Рассматривается способ управления электротехническим комплексом деревообрабатывающей линии при симметричных и ассиметричных провалах напряжения в фазах трёхфазной сети электроснабжения. Приведены результаты исследований, полученные на имитационной модели в среде «MatLab». Проведена оценена возможности практического приме -нения рассматриваемого способа для предотвращения аварийных остановок частотно регулируемого привода электротехнического комплекса деревообрабатывающей линии при возникновении аварий, возникающих на всех уровнях системы электроснабжения.
Ключевые слова: провал напряжения, генераторное торможение, общее звено постоянного напряжения, автономный инвертор напряжения.
Одной из особенностей современного промышленного производства является сложная технологическая последовательность многоступенчатой обработки сырья. При незапланированном отключении технологического оборудования из-за аварий в сети электроснабжения может произойти нарушение любой из ступеней обработки сырья, приводящее к нарушению всего технологического цикла, остановке производства и экономическим потерям предприятия. Убытки, которые несет предприятие вследствие нарушения технологического процесса, складываются из брака продукции, недовыпуска продукции, вызванного вынужденным простоем оборудования и затратами, сопровождающими процесс восстановления нормального режима работы [1].
К числу таких предприятий относится "ООО АМУРСКАЯ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННАЯ КОМПАНИЯ" расположенное в городе Амурск Хабаровского края, специализирующееся на глубокой переработке древесины. Одним из видов продукции, выпускаемой на предприятии, является производство шпона на высокотехнологичном деревообрабатывающем оборудовании HYPER-9W Японского производства. Деревообрабатывающая линия состоит из конвеера распиловки, устройства центровки и загрузки, токарного узла, трёх конвееров сортировки, вспомогательных конвееров отходов и отгрузки готовой продукции. Структурная схема электротехнического комплекса деревообрабатывающей линии, предусмотренная разработчиком оборудования, представлена на рис. 1.
Структурная схема электротехнического комплекса деревообрабатываюшей линии состоит из: 1- понижающего трансформатора 10 / 0,4 кВ, 2- системы управления (СУ) обеспечивающей управление всеми узлами электротехнического комплекса, 3 - частотно регулируемого электропривода (ЧРП), 4 - асинхронных двигателей (АД).
Рис. 1. Структурная схема электротехнического комплекса деревообрабатывающей линии
Система управления, реализованная на основе программируемого логического контроллера (ПЛК), обеспечивает управление различными узлами и механизмами деревообрабатывающей линии, а также частотно регулируемым приводом, состоящим из преобразователей частоты (ПЧ) и асинхронных двигателей (АД) оснащённых датчиками обратной связи. Преобразователи частоты имеют собственные микропроцессорные системы управления (СУИ) автономными инверторами напряжения (АИН), входные трёхфазные выпрямители, звено постоянного напряжения с конденсатором С - фильтра и тормозным блоком. Система управления на основе анализа данных о режимах работы узлов и механизмов линии, поступающих с датчиков обратной связи, в соответствии с заложенной в ПЛК программой управления воздействует на СУИ преобразователей частоты и осуществляет разгон и торможение АД электропривода обеспечивая точную синхронизацию частоты вращения всех АД, входящих в состав ЧРП. В процессе работы линии часть асинхронных электродвигателей периодически изменяют скорость, переходя из режима разгона в режим торможения, в то время как остальные АД работают в двигательном режиме.
В случае аварийного отключения любого из ПЧ, входящего в состав электротехнического комплекса, происходит остановка деревообрабатывающей линии, что приводит к браку продукции и поломке дорогостоящих механизмов. Одним из факторов, влияющих на работу электротехнического комплекса деревообрабатывающей линии является возникновение в сети электроснабжения провалов и флуктуаций напряжения, приводящих к существенным экономическим потерям предприятия в следствии нарушения нормальной работы линии из-за отказов ЧРП при срабатывании систем контроля трёхфазного напряжения на входе трёхфазного выпрямителя и защит минимального напряжения в звене постоянного напряжения ПЧ [2, 3].
На рис. 2 представлена предлагаемая авторами схема электротехнического комплекса, в которой используется запатентованный специальный способ управления АИН [4] позволяющий предотвратить остановку ЧРП при авариях в питающей сети.
Предлагаемая схема электротехнического комплекса деревообрабатывающей линии содержит следующие элементы: 1 - понижающий трансформатор 10 / 0,4 кВ, 2 - диодный выпрямитель, 3 - входной L-фильтр, 4 - система управления деревообрабатывающей линией, 5 -устройство коррекции выходной частоты АИН, 6 - детектор напряжения, 7 - общие шины звена постоянного напряжения, 8 - конвейер распиловки, 9 - центровочно-загрузочное устройство, 10 - токарный узел, 11 - конвейера сортировки, 12 - сглаживающие С-фильтры, 13 - автономные инверторы с собственными системами управления системами управления, 14 - асинхронные двигатели.
В предлагаемой схеме входы автономных инверторов напряжения АИН подключены к общими шинами постоянного напряжения 7. Каждый АИН имеет собственную систему управления и индивидуальный асинхронный двигатель. Параллельно входам автономных инверторов подключены конденсаторы С-фильтра. Общие шины постоянного напряжения через сглаживающий дроссель 3 подключены к выходу диодного выпрямителя вход которого подключен к трёхфазной сети с напряжением 0,4кВ. Трёхфазная сеть, содержащая понижающий трансформатор 10/0,4кВ через главную понизительную подстанцию подключена к внешним электрическим сетям верхнего уровня. Управление интенсивностью разгона и торможения электропривода осуществляется от общей системы управления деревообрабатывающей линией 4. Сигнал управления интенсивностью разгона и торможения поступает на один из входов введённого устройства коррекции выходной частоты автономных инверторов 5, на второй вход поступает информация о напряжении на общих шинах постоянного напряжения с детектора 6. Третий вход используется для фиксации моментов отклонения и нормализации напряжения в трёхфазной сети на входе общего выпрямителя. На выходе устройства 5 формируется сигнал управления СУИ автономных инверторов напряжения.
При возникновении провалов напряжения в питающей сети все АД, входящие в состав ЧРП, синхронно переводятся в режим генераторного торможения с плавным снижением скорости всех узлов и поддержанием напряжения в общем звене постоянного напряжения за счёт использования кинетической энергии механических узлов деревообрабатывающей линии. Управление скоростью АД осуществляется на основе анализа напряжения в звене постоянного напряжения и формирования сигнала управления выходной частотой АИН в соответствии с разработанным авторами алгоритмом управления СУ. По окончанию провала напряжения производится разгон АД с пониженной скорости до номинальной.
Цель проведённого исследования - выяснить возможность практического применения рассматриваемого способа управления для предотвращения аварийных остановок ЧРП электротехнического комплекса деревообрабатывающей линии при возникновении аварий, возникающих на всех уровнях системы электроснабжения. На рис. 3 представлена имитационная модель электротехнического комплекса деревообрабатывающей линии, разработанная в среде «Ма^аЬ» [5]. Модель состоит из основных блоков, соответствующих функциональному назначению элементов структурной схемы электротехнического комплекса.
В процессе исследования моделировались аварийные ситуации в системе электроснабжения, влияющие на работу ЧРП следующего характера:
- симметричное снижение напряжения во всех фазах;
- ассиметричное снижение напряжения в одной или двух фазах.
В процессе моделирования устойчивости ЧРП электротехнического комплекса оценивался ряд основных параметров при возникновении аварий в сети электроснабжения:
- изменение скорости вращения АД;
- снижение напряжения в звене постоянного напряжения;
- броски тока в статорных обмотках АД в момент возникновения аварий и восстановления нормального режима в сети электроснабжения;
- броски тока на входе АИН.
На рис. 4 представлены осциллограммы, полученные при симметричном снижении напряжения во всех фазах питающей сети.
В момент отклонения напряжения в трёхфазной сети рис. 4, осциллограмма (а), системой управления производится перевод АД в режим генераторного торможения с плавным снижением скорости с 1450 об/мин до 980 об/мин., осциллограмма (в). Снижение скорости АД осуществлялось синхронно с изменяющимся напряжением в общем звене постоянного напряжения с поддержкой для АД режима генераторного торможения, осциллограмма (б), с последующим разгоном электродвигателей до номинальной скорости по окончанию аварийного режима в сети электроснабжения, осциллограмма (г). Во время возникновения симметричных
провалов напряжения в трёхфазной сети напряжение в звене постоянного напряжения за счёт использования генераторного торможения АД поддерживалось на уровне 340 В на интервале времени 550мс.
На рис. 5 представлены осциллограммы для аварийного режима сети электроснабжения с ассиметричным провалом напряжения в трёхфазной сети.
1
Д1
4
■Гд 1,=
Д2
□
ДЗ
т
ы
Р вых. ПЧ 1 -Р вых. ПЧ 2 -Р вых. ПЧ 3 Р вых. ПЧ 4 -и вых. ПЧ -
Д4
Д5
С2 =
IX-
С4:
*Вх. Упр. Р д^ ► Вх. Упр. и
Вх. Упр. р Л
Вх. Упр. и
в
с
Вх. Уцр. Р А л-
► Вх. Упр. и
ИГ"
Упр. р Упр. и
Рис. 3. Имитационная модель электротехнического комплекса деревообрабатывающей
линии
При снижении напряжения в одной из фаз на интервале времени 0.02-0.52, осциллограмма (а) производилось изменение скорости электродвигателей с номинальной 1450 об/мин до 1010 об/мин с последующим разгоном до номинальной скорости, после восстановления напряжения в трёхфазной сети, осциллограмма (в). Управление скоростью АД осуществлялось системой управления на основе анализа изменяющегося напряжения в звене постоянного напряжения, осциллограмма (б).
В процессе исследования устойчивости электротехнического комплекса к симметричным провалам напряжения в питающей сети рис. 6 оценивалась максимальная амплитуда входного тока АИН - осциллограмма (а), тока в обмотках статора АД в момент провала напряжения - осциллограмма (б) и в момент разгона АД до номинальной скорости - осциллограмма (в).
При проведении исследований при ассиметричных провалах напряжения в питающей сети, рис. 7 оценивалось изменение тока в обмотках статора АД осциллограмма (а) и входного тока АИН в момент возникновения и прекращения аварийного режима в сети электроснабжения, осциллограмма (б). В процессе проведения численных экспериментов установлено, что максимальная амплитуда входного тока АИН и статорных обмотках электродвигателей не превышают допустимых предельных значений.
Проведённые на имитационной модели эксперименты подтвердили возможность практического применения рассматриваемого способа для управления электроприводом электротехнического комплекса деревообрабатывающей линии при возникновении аварий в сети
187
электроснабжения. Использование рассматриваемого способа позволяет устранить аварийное отключение ЧРП при возникновении аварий в сети электроснабжения, повысить надёжность оборудования, снизить брак, и повысить экономическую эффективность предприятия.
Рис.4. Осциллограммы, при симметричном снижении напряжения в питающей сети: а - напряжение в трёхфазной сети 0,4 кВ; б - напряжение в звене постоянного напряжения; в - плавное снижение скорости АД; г - разгон АД до номинальной скорости
Рис. 5. Осциллограммы при ассиметричном снижении напряжения в питающей сети: а - напряжение в трёхфазной сети 0,4 кВ; б - напряжение в звене постоянного напряжения; в) плавное снижение скорости и разгон АД
Применение рассматриваемого способа управления и схемы построения электротехнического комплекса позволяет использовать кинетическую энергию механизмов и энергию генераторного торможения АД, вырабатываемую электродвигателями для устранения влияния на работу ЧРП при симметричном и ассиметричном снижении напряжения в фазах питающей трёхфазной сети.
1.А
50
0
50 ),Л 50
о:5 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.5 К 11.59 0.1
(а)
7Г
I от
щ
0.1
0,2
0.3
0.4
0,5
0.6с
0 50
^«ШШШШШК
0.2
0.3
(в)
0.4
0.5
0.6с
Рис. 6. Осциллограммы амплитуды тока при симметричном провале напряжения в трёхфазной: а - на входе автономного инвертора напряжения; б - в статорных обмотках АД в процессе генераторного торможения; в - в статорных обмотках АД в процессе разгона до номинальной скорости
Рис. 7. Осциллограммы амплитуды тока при ассиметричном провале напряжения в трёхфазной сети: а - в статорных обмотках АД в момент провала напряжения; б - на входе автономного инвертора напряжения
В настоящее время завершена проектная работа, направленная на практическую реализацию рассматриваемого способа управления электротехническим комплексом деревообрабатывающей линии, планируется проведение практической апробации способа в условиях промышленного предприятия. Планируется проведение дальнейших исследований, направленных на совершенствование технических средств, используемых для ограничения зарядного тока конденсатора С-фильтра общего звена постоянного напряжения, возникающих при восстановлении напряжения в сети по окончанию аварий в системе электроснабжения.
Список литературы
1. Кеннеди, Б.В. Учебник по качеству электроэнергии. Макгроу-Хилл, 2000. 385 с.
2. Джокич С.Ж., К.С. Стокман, Ю.В. Миланович, Д.М. Десмет, Р.А. Бельманс. Чувствительность приводов переменного тока с регулируемой скоростью к скачкам и коротким провалам напряжения. // Операции по поставке электроэнергии. 2005. Вып. 1. С. 494 - 505
189
3. Влияние провалов напряжения в распределительных сетях прмышленных предприятий на работу современных регулируемых электроприводов / Л.Я. Теличко, П.М. Басов // Электротехнические комплексы и системы управления. 2009. Вып. 2. С. 16 - 20.
4. Патент 2740813 РФ., H02P 1/16, H02P 3/06. Способ управления электроприводом деревообрабатывающей линии во время автоматического включения резерва / В.С. Климаш, А.В. Петухов А.В. Опубл. 21.01.2021. Бюл. № 3.
5. Свидетельство о гос. регистрации прогр. для ЭВМ № 2021611165. Программный комплекс математической модели электропривода деревообрабатывающей линии в среде MATLAB / В С. Климаш, А.В. Петухов. Опубл. 22.01.21.
Климаш Владимир Степанович д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский государственный университет,
Петухов Александр Владимирович, преподаватель, аспирант, [email protected], Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский государственный университет
INVESTIGATION OF THE STABILITY OF THE ELECTRICAL ENGINEERING COMPLEX OF THE WOODWORKING LINE TO VOLTAGE FAILURES
IN THE POWER SUPPLY NETWORK
V.S. Klimash, A.V. Petukhov
The method of controlling the electrical complex of a wood-processing line in case of emergency symmetrical and asymmetric voltage dips in the power supply network is considered. The results of the study are presented, the possibilities of practical application of the control method under consideration to prevent emergency stops of the frequency-controlled drive of the electrotechnical complex of the woodworking line in the event of accidents occurring at all levels of the power supply system. The results of the investigations obtained on the simulation model in the "MatLab" environment are presented.
Key words: voltage failure, generator braking, common link of constant voltage, voltage inverter.
Klimash Vladimir Stepanovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komsomolsk State University,
Petukhov Alexander Vladimirovich, lecturer, postgraduate, [email protected], Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komsomolsk State University
