CC BY
20
І
УДК 62 - 83:681.51
ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ИНТЕГРИРУЮЩИМ ФАЗОСДВИГАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ МЯГКОГО ПУСКА АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Рассматривается принцип построения тиристорного преобразователя (ТП) для мягкого пуска асинхронных электродвигателей и динамические характеристики его интегрирующего фазосдвигающего устройства (ФСУ). Дан анализ помехоустойчивости ФСУ для широкого частотного спектра входного гармонического воздействия, приведены функциональная схема ФСУ на основе аналого-цифрового преобразования и диаграммы сигналов.
Приведены технико-экономические результаты реконструкции асинхронных электроприводов технологических объектов Челябинского трубопрокатного завода с применением ТП.
Значительное повышение за последние годы цен на энергоносители и электротехническое оборудование делает актуальным проблему 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 преобразователей (ТП) для мягкого пуска асинхронных электродвигателей, составляющих на большинстве промышленных предприятий до 90% от общей численности электроприводов. При этом ТП обеспечивается:
> возможность перевода не менее 30% технологических механизмов в режим повторно-кратковременных включений при экономии электроэнергии в пределах 30 - 70% и снижения мощности исполнительных электродвигателей;
> полное исключение выхода из строя электродвигателей, релейноконтакторной аппаратуры, технологического оборудования по причине тепловых и механических перегрузок, характерных для режима прямого пуска (эксплуатационные расходы уменьшаются не менее, чем в 5 раз);
^ строгое соблюдение технологической дисциплины, т.к. любое ее нарушение приводит к отключению исполнительного электропривода от сети;
^ увеличение срока службы силовых кабельных линий в 3 - 4 раза.
Однако, в ряде случаев, надежной работе серийно выпускаемых ТП препятствует высокий уровень внешних помех, что делает применение ТП малоэффективным из-за низкой помехоустойчивости систем импульсно-фазового управления (СИФУ) и частых сбоев в их работе, особенно на объектах с маломощной сетью.
© Л.И. Цытович, С.И.Шкаликов, М.М. Дудкин Проблемы энергетики, 2005, № 7-8
Л.И.ЦЫТОВИЧ*, С.И.ШКАЛИКОВ**, М.М.ДУДКИН*
*Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск) **ОАО «Челябинский трубопрокатный завод»
Введение
На кафедре электропривода и автоматизации промышленных установок Южно-Уральского государственного университета разработан ТП с повышенной помехоустойчивостью, который лег в основу реконструкции асинхронных электроприводов технологических установок на ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» (ЧТПЗ).
Теоретическая часть
Информационная часть ТП (рис. 1) представляет собой синхронную трехканальную СИФУ, где каждый из каналов содержит интегрирующее развертывающее фазосдвигающее устройство (ФСУ), формирователь -распределитель импульсов управления (ФР), контур тока на основе трансформаторов тока ТТА, ТТВ, ТТС и демодулятора ДМ, а также интегральный регулятор тока (на рис. 1 не показан). Силовые ключи выполнены по схеме «тиристор - тиристор». Кроме перечисленных узлов, в состав ТП входят блоки защиты от перегрузки по току, пропадания фазного напряжения, время-токовая защита, защита от асимметрии фазного напряжения, индикатор выхода электродвигателя на естественную характеристику и 8-и разрядный параллельный интерфейс для связи с РС ІВМ.
Сеть
Рис. 1. Функциональная схема ТП для плавного пуска асинхронных электродвигателей
Для рассмотрения динамических характеристик ФСУ представим его в виде аналоговой модели (рис. 2, а) с одной функциональной (зависящей от входного сигнала) разверткой Ус (I) = А( 1 + Хех )ЦТс на базе интегратора с постоянной времени Тс и фиксирующего (релейного) элемент ФЭ, производящего установку нулевых начальных условий в интеграторе в моменты времени 11,12,.. достижения развертывающей функцией заранее заданной максимальной (пороговой) величины N мах = Ь (рис. 2, б), которую в дальнейшем принимаем равной значению «А»
опорного сигнала, подаваемого на вход интегратора. Здесь Хех = \Хех/А| -нормированное значение сигнала управления.
Рис. 2. Функциональная схема фазосдвигающего устройства ТП (а) и временные диаграммы его
сигналов (б)
Начало очередного цикла Т развертывающего преобразования [1] начинается в момент времени «обнуления» интегратора импульсом с выхода устройства синхронизации (УС) СИФУ. Смещение точек фиксации времени 11,г2 происходит по прямой N = N мах • Период развертки Ус (г) удовлетворяет условию Т = Тс , а интервал преобразования при статическом входном воздействии Хех равен
Т
* =---• (1)
1 + ХеХ
Рассмотрим динамические характеристики ФСУ (рис. 2, а) при воздействии на его вход постоянной Хех и переменной Х(г) = Апзш(2я* / Тп) составляющих сигнала управления (рис. 3, а).
•Х(*)'
а) 0
ПА
б) о
Ус (* )
К
т
=5^-
А - пороговый уровень ФЭ
Рис. 3. Временные диаграммы сигналов интегрирующего фазосдвигающего устройства с
«горизонтальным» управлением при воздействии на информационный вход гармонического сигнала
Считаем, что сигнал ХеХ + Х(г) прикладывается на вход ФСУ в момент времени г = 0 начала очередного цикла развертывающего преобразования, а
г
г
г
период преобразования Т = Тс соответствует периоду Т„ напряжения сети (рис. 3, а, б).
Тогда для первого интервала преобразования имеем
Ус (і) — Т І (А + ХеХ + Апз1п .
(2)
Решая (2) относительно ^ при Ус (і) = А, получаем
т - АпТ зіп2 ()
пГ _ Т
1 + ХеХ
(3)
где ^ = Т/Тп - нормированная частота сигнала Х(г); Ап = |Ап / А| нормированная амплитуда сигнала Х(г).
Аналогичным образом для второго цикла развертывающего преобразования
Т+г 2
1 2 2 п
Ус (і) = Т I (А + ХеХ + Ап зіп >
І 2 — ■
Ап Т
Т-------^ зіп
п Г
^(2Т + І 2)
• ,пГ зіп (~^і2 )
1 + Х
еХ
В конечном итоге любой п-ый интервал преобразования может быть определен как
^ АпТ .
Т-------^ з.п
пГ
)2(н -1 )Т + Ц
*іп(ТІп)
1+х,
(4)
еХ
а нормированное отклонение угла управления при наличии сигнала ХеХ + Х(г) - Д“[и] = | 1 - ги /гп\Х(г)=о\ ,
(5)
где іп\Х(і)=0 - интервал преобразования при Х(І) — 0, соответствующий
выражению (1); п = 1, 2, 3, ... - целое число, равное порядковому номеру интервала дискретизации.
Динамические характеристики ФСУ, полученные путем решения уравнений (4), (5), представлены на рис. 4.
п
І
п
м 1 2 3 4 5
Рис. 4. Пространство динамического состояния Ла[1] = /(¥п, Хех, Ап = 0,1) и его проекция на плоскость переменных (¥п, Хех ) для интегрирующего фазосдвигающего устройства с «горизонтальным» управлением
В отличие от широко распространенных ФСУ с непосредственным сравнением входного сигнала с опорным пилообразным напряжением [2], интегрирующее фазосдвигающее устройство (рис. 2, а) имеет следующие основные качества:
^ с ростом частоты ¥ сигнала Х({) величина ошибки Ла[1] уменьшается (рис. 4), причем для интегрирующего типа ФСУ отсутствуют практические ограничения по верхнему диапазону ¥ сигнала высокочастотной помехи. Здесь целесообразно напомнить, что в традиционных ФСУ [2] величина ¥ не должна превышать частоту сигнала развертки (сети), так как в противном случае возникают дополнительные моменты фиксации равенства Ус О) = [х + Х(()], приводящие к формированию ложных управляющих импульсов силовыми тиристорами;
> в интегрирующем ФСУ (рис. 2, а) не накладываются ограничения на максимальную амплитуду сигнала Хех . В результате, с ростом Хех , соотношение «помеха / полезный сигнал» уменьшается, что вызывает снижение величины порядка 0,04, а при Хех = 6,0 и той же частоте переменного входного воздействия Да [1] = 0,003 (рис. 4);
> высокая помехоустойчивость интегрирующего ФСУ, как правило, не требует включения на информационном входе СИФУ дополнительных фильтров для подавления высокочастотных помех, что имеет место в тиристорных преобразователях с традиционной структурой ФСУ [2]. Кроме того, уменьшение с
ростом ¥ и Хех уровня Ла[1] (рис. 4) в значительной степени ограничивает амплитудный и частотный спектр составляющих замедленной дискретизации [3, 4] выходного напряжения ТП с интегрирующими ФСУ, что, в конечном итоге, повышает качество процесса регулирования в замкнутых системах управления технологическими процессами;
^ с другой стороны, зависимость Ла[1] от величины Хех является прямым следствием разомкнутого характера структуры ФСУ, что следует отнести к числу недостатков данного класса устройств.
Практическая часть
Один из вариантов построения ФСУ, соответствующий структурной схеме на рис. 2, а, показан на рис. 5. ФСУ включает в себя преобразователь напряжения в частоту импульсов ПНЧ, суммирующий счетчик СТ и логические элементы Л1, Л2 типа «2И».
(с выхода устройства
„т,А,п «Импульс управления тиристорами»
синхронизации СИФУ) , ч
(с выхода генератора импульсов)
Рис. 5. Структурная схема число-импульсного интегрирующего ФСУ с «горизонтальным» управлением
В момент времени перехода напряжением сети через нулевой уровень (рис. 6, а) СТ «обнуляется» импульсом малой длительности с выхода устройства синхронизации СИФУ (рис. 6, б), а элемент Л1 открывается сигналом «1» с инверсного выхода 2п-1 старшего разряда СТ. С помощью ПНЧ сигнал управления Хех преобразуется в импульсы с частотой /1,/2,/3... (рис. 6, г), пропорциональной Хех (рис. 6 в). В счетчике СТ накапливается число N(1) (рис. 6, д). При переходе старшего разряда СТ в состояние Qn-l = 0 логический элемент Л1 закрывается и счет прекращается.
Одновременно сигналом Qn-l = 1 с прямого выхода старшего разряда СТ (рис. 5) открывается элемент Л2, и импульсы с выхода генератора (на рис. 5 не показан) подаются на управляющий переход соответствующего из силовых тиристоров ТП (рис. 1).
Рис. 6. Временные диаграммы сигналов интегрирующего число-импульсного ФСУ с «горизонтальным»
управлением
Длительность открытого состояния тиристоров зависит от амплитуды сигнала ХеХ (рис. 6, в), определяющего угол управления ,а2,а3,... (рис. 6, д).
Основные технологические установки ОАО ЧТПЗ, где реализован мягкий пуск асинхронных электроприводов, приведен в таблице.
________________________________________________________________________________Таблица
№ Технологический объект Кол-во электроприводов/ суммарная мощность, кВт Среднегодовая экономия электроэнергии, руб. Среднегодовое сокращение затрат на ремонт и обслуживание, руб.
Цех № 6
Линия отделки труб 820
1 Г идропресс №1 8 / 725 420 000 руб. с каждого гидропресса 300 000 руб. с каждого гидропресса
2 Г идропресс №2 8 / 725
3 Г идропресс №3 8 / 725
4 Г идропресс №4 8 / 725
Линия отделки труб 1220
5 Г идропресс №7 9 / 958 461 000 350 000
6 Система оборотного цикла водоснабжения цеха №6 7 / 725 115 000 270 000
7 Комплекс электроприводов систем воздухообмена и дымоудаления 11/1465 1 600 000 280 000
Цех № 2
8 Водяные насосы ямы окалины 2/320 72 000 35 000
9 Воздухообменники кольцевой печи 2/220 54 000 75 000
Шлакоплавильный цех
1G Водяные насосы гран - бассейна 4 I 16G бЗ GGG 3G GGG
11 ^стема оборотного цикла водоснабжения 3 I 48G 95 GGG 13G GGG
При пуске асинхронных электродвигателей максимальный угол управления тиристорами ограничивается на уровне 90 - 110 эл. град. за счет соответствующего выбора минимальной частоты выходных импульсов ПНЧ (рис. 5), работающего одновременно на все каналы СИФУ. Асимметрия импульсов управления тиристорами не превышает 0,2 эл. град.
В период запуска электропривода пусковой ток электродвигателя поддерживается в пределах 2,0 - 2,5 номинального значения с помощью интегрального регулятора тока. ТП полностью выполнены на комплектующих отечественного производства и не содержат ни одного подстроечного элемента, что особенно важно в условиях промышленной эксплуатации, так как исключает несанкционированное изменение параметров электроприводов сторонними лицами и возможность возникновения на объекте аварийной ситуации. По сравнению с импортными аналогами стоимость ТП ниже на 30 - 50%. Срок окупаемости затрат предприятия на реконструкцию электроприводов не превышает 1,5 лет.
Экономия электроэнергии в основном достигнута за счет перевода электродвигателей из непрерывного в повторно - кратковременный режим работы. Например, на гидропрессах электродвигатель насоса наполнения (160 кВт) в настоящее время работает с относительным временем включенного состояния
0,3 - 0,4, что было невозможно реализовать при работе электроприводов с системами релейно-контакторного управления из-за частого выхода из строя электродвигателей, силовой контакторной аппаратуры и насосов. Аналогичным образом в системе оборотного цикла водоснабжения исключен режим дросселирования водной магистрали, а электродвигатели из непрерывного режима переведены в повторно - кратковременный.
Вторая статья экономической эффективности от применения ТП, причем не менее значимая, чем экономия электроэнергии, - сокращение затрат на ремонт и обслуживание электроприводов. До реконструкции штатной ситуацией считалась такая, при которой за 1 год выходило из строя по каждому из технологических объектов до 3-х электродвигателей, 2 - 4 силовых контактора и 2 - 3 водяных или масляных насоса.
После реконструкции электроприводов на основе систем мягкого пуска ситуация изменилась кардинальным образом. С момента внедрения ТП не было зафиксировано ни одного случая выхода из строя исполнительных электродвигателей, а также насосов по вине электрооборудования, что является прямым следствием наличия в ТП всего комплекса быстродействующих селективных защит. Кроме того, бесконтактные тиристорные ключи исключили необходимость в дорогостоящей силовой релейно-контакторной аппаратуре.
Summary
The principle of constructing the thyristor converter (TC) for smooth starting of asynchronous motors and dynamic characteristics of its integrating phase-shifting device
(PSD) are considered. The analysis of PSD noise stability for a wide frequency spectrum of input harmonic action is given. Function chart of PSD based on the analog-digital transformation and diagrams of signals are presented.
The technical and economic results of reconstruction of asynchronous electric drives for industrial plants using TC at Chelyabinsk pipe-rolling plant are given.
Литература
1. Темников Ф.Е., Славинский В.Е. Математические развертывающие системы.- М.: Энергия, 1970.
2. Лебедев Е.Д., Неймарк В.Е., Пистрак М.Я., Слежановский О.В. Управление вентильными электроприводами постоянного тока. - М.: Энергия, 1970.
3. Цытович Л.И. Развертывающие преобразователи для систем управления
вентильными электроприводами и технологической автоматики: Дис............докт. техн.
наук. - Челябинск: ЧГТУ, 1996.- 465 с.
4. Хьюлсман Л.П. Активные фильтры.- М.: Мир, 1972.
Поступила 13.05.2005
