Энергосбережение в электроприводе переменного тока с активным выпрямителем для горного оборудования

На правах рукописи

СВИРИДЕНКО Алексей Олегович

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В

ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

С АКТИВНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ

ДЛЯ ГОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические

комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2011

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель:

Доктор технических наук,

профессор Козярук А.Е.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук,

профессор Дмитриев Б.Ф.

Кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Скворцов Б.А.

Ведущее предприятие: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.

Защита диссертации состоится 27.02.2012 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21 линия, д. 2, ауд. № 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан “ 26 ” января 2012 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор В.В. ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время вопросы эффективного использования энергоресурсов в целом и электрической энергии в частности, а также повышения энергоэффективности электроприводов выходят на первый план в контексте развития современной мировой экономики. Энергосбережение (рационализация производства, распределения и использования энергии) стало в последние годы одним из актуальных направлений технической политики во всех развитых странах мира. В России формируется нормативная база, направленная на эффективное электропотребление и энергосбережение. Основными документами являются:

- Федеральный закон «Об энергосбережении» №28-ФЗ от 03.04.1996;

- Федеральный закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности…» №261-ФЗ от 23.11.2009;

- Приказ Минэкономразвития России «Об утверждении примерного перечня мероприятий в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности…» №61 от 17.02.2010.

В промышленно развитых странах большая часть производимой электроэнергии (порядка 60%) потребляется электроприводами различного назначения. Совершенствование производственных механизмов и технологических процессов обусловливает развитие автоматизированного электропривода, который должен обеспечивать экономию электроэнергии за счет организации наиболее экономичной работы механизма в установившихся и переходных режимах и уменьшения потерь в самом электроприводе. Именно в области электропривода находятся основные резервы экономии и рационального использования электроэнергии.

Таким образом, задачи разработки, исследования характеристик и режимов работы и внедрения энергосберегающего электропривода для горного оборудования представляются актуальными.

В основу исследований легли работы Абрамовича Б.Н., Браславского И.Я., Вейнгера А.М., Емельянова А.П., Ефимова А.А., Жежеленко И.В., Ильинского Н.Ф., Карасева А.В., Кириллова Р.С., Лазарева Г.Б., Решетняка С.Н., Усольцева А.А., Шрейнера Р.Т., Юнькова М.Г. и др.

Цель работы: повышение энергетической эффективности электроприводов промышленных установок горных предприятий путем обоснования применения систем асинхронного и синхронного привода с преобразователями частоты на основе активного выпрямителя и оценка энергоэффективности электропривода на этапе проектирования.

Для достижения обозначенной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи исследования:

1. Разработка структуры электропривода с использованием преобразователя частоты на основе активного выпрямителя для обеспечения компенсации реактивной мощности и уменьшения коэффициента искажения синусоидальности напряжения.
2. Разработка математических моделей, позволяющих рассчитать статические и динамические характеристики электроприводов на основе асинхронных и синхронных двигателей.
3. Экспериментальные исследования электроприводов с асинхронным и синхронным двигателями и преобразователями частоты на основе активного выпрямителя, сравнение результатов эксперимента с результатами математического моделирования.
4. Разработка методики оценки энергетических характеристик электропривода с преобразователем частоты на основе активного выпрямителя на этапе проектирования.

Идея работы. Применение преобразователя частоты с активным выпрямителем в структуре асинхронного и синхронного электропривода горного оборудования обеспечивает энергосбережение за счет плавных пусковых режимов, повышения и контроля коэффициента мощности (для асинхронного электропривода), хорошей электромагнитной совместимости с питающей электросетью (снижение коэффициента искажения синусоидальности напряжения и поддержание его в пределах, заданных ГОСТом) и возможности работы привода в четырех квадрантах механической характеристики (торможение с рекуперацией энергии в питающую сеть).

Методы исследований. Использованы методы теории электрических цепей, теории обобщенной электрической машины, микропроцессорных систем управления, математического моделирования динамических режимов в электроприводах с полупроводниковыми преобразователями с использованием компьютерного программного обеспечения MATLAB.

Научная новизна работы:

1. Научно обосновано применение активного выпрямителя в качестве энергосберегающего элемента электропривода переменного тока горного оборудования.

2. Разработана методика оценки энергетических характеристик электропривода с преобразователем частоты на основе активного выпрямителя, позволяющая с применением математического моделирования сделать выводы об энергосберегающих качествах электропривода на этапе проектирования.

Защищаемые научные положения:

1. Электропривод переменного тока горных машин с преобразователем частоты на основе активного выпрямителя является индивидуальным комплексным энергосберегающим оборудованием, позволяющим поддерживать коэффициент мощности и коэффициент несинусоидальности напряжения в необходимых пределах и обеспечивать рекуперативное торможение.
2. Математическое моделирование и определение на его основе показателей энергоэффективности регулируемых электроприводов с преобразователями частоты с активным выпрямителем позволяют разработать методику сравнительной оценки вариантов электропривода горного оборудования и параметров системы электроснабжения горного предприятия на этапе проектирования.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основана на удовлетворительной сходимости результатов математического моделирования и экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы:

1. Разработаны новые структуры электропривода горного оборудования, включающие в себя асинхронные или синхронные электродвигатели и преобразователи частоты с активным выпрямителем.
2. Разработана математическая модель электропривода и методика оценки его энергетических характеристик, позволяющая сделать выводы об энергоэффективности электропривода на этапе проектирования.

Реализация результатов работы. Рекомендации по структуре и составу оборудования электропривода мельницы полусамоизмельчения (МПСИ) и электропривода системы конвейеров для дробильно-сортировочного тракта, а также методика оценки энергетических характеристик электропривода переданы в ЗАО «ВНИИ Галургии» и СП ЗАО «ИВС», где могут быть использованы при разработке приводов горного оборудования Учалинского ГОК, завода фосфатов в Сирии, Березняковского калийного производственного рудоуправления №4 ОАО «Уралкалий».

Личный вклад автора. Определение и постановка задачи. Исследование структуры электропривода эксплуатирующегося горного оборудования. Теоретическое обоснование энергоэффективности электропривода с преобразователем частоты с активным выпрямителем, разработка структуры электропривода на базе данного электрооборудования. Проведено исследование макетного образца, в составе которого задействован активный выпрямитель.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях: V международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии автоматизации и диспетчеризации промышленных предприятий» (Санкт-Петербург, СПГГИ (ТУ), 2010 г.); II международная научно-практическая конференция «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (Пенза, ПГУ, 2011 г.); XVIII международная научно-техническая конференция «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика» (Одесса, ОГПУ, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ в научных изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 52 рисунка, 6 таблиц и список литературы из 74 наименований. Общий объем диссертации 168 страниц.

Основное содержание работы:

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 1 приведена характеристика научно-технической задачи энергосбережения средствами электропривода. Рассмотрены проблемы электромагнитной совместимости, качества напряжения, обеспечения требуемого коэффициента мощности. Выполнен анализ существующих технических средств и решений, направленных на повышение качества электроэнергии сетей горнодобывающих предприятий и улучшение электромагнитной совместимости частотно-регулируемых электроприводов с питающей сетью.

В главе 2 предложены способы решения вышеуказанной задачи энергосбережения за счет построения структуры электропривода, включающей в себя преобразователь частоты с активным выпрямителем. Рассмотрены различные варианты указанной структуры, представлены их электрические схемы и характеристики.

В главе 3 приведены результаты математического моделирования частотно-регулируемого электропривода с активным выпрямителем.

В главе 4 приведено описание макета электропривода с активным выпрямителем и результаты экспериментальных исследований. Рассмотрены алгоритмы управления электроприводом с преобразователем частоты с активным выпрямителем. Сделан сравнительный анализ векторной системы управления и системы прямого управления моментом.

В главе 5 составлена методика оценки энергетических характеристик электропривода на этапе проектирования. Предложены варианты реализации электропривода с преобразователем частоты с активным выпрямителем для мельницы полусамоизмельчения и системы конвейеров дробильно-сортировочного тракта.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решаемыми задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ научные ПОЛОЖЕНИЯ

1. Электропривод переменного тока горных машин с преобразователем частоты на основе активного выпрямителя является индивидуальным комплексным энергосберегающим оборудованием, позволяющим поддерживать коэффициент мощности и коэффициент несинусоидальности напряжения в необходимых пределах и обеспечивать рекуперативное торможение.

Современный частотно-управляемый электропривод переменного тока постепенно становится стандартом электрического привода для многих горных машин вследствие его простоты и хороших регулировочных характеристик. Однако, в большинстве случаев в электроприводе переменного тока горного оборудования используются двухзвенные полупроводниковые преобразователи частоты (ПЧ), выполненные по схеме: неуправляемый диодный выпрямитель – автономный инвертор напряжения. Данные электроприводы находят применение прежде всего для таких механизмов, как насосы, вентиляторы, компрессоры, мельницы. Преобразователи такого типа являются нелинейными приемниками электрической энергии, потребляющими в большинстве случаев значительную реактивную мощность. Они также вносят значительные искажения в питающую сеть. Не представляется возможным обеспечить двусторонний обмен энергией между питающей сетью и двигателем, так как при генераторном торможении отдаваемая двигателем энергия не рекуперируется в сеть, а рассеивается в элементах инвертора и тормозном сопротивлении, что ограничивает возможность применения подобных приводов для такого оборудования, как, например, шахтные подъемные машины и конвейеры. Все это существенно снижает энергетическую эффективность таких ПЧ. Требования по уменьшению влияния различных потребителей на питающую сеть постоянно ужесточаются, что исключает использование простых схем выпрямителей на входе ПЧ.

Решением указанной проблемы энергосбережения является использование перспективных схем преобразователей частоты совместно с применением эффективных алгоритмов управления.

Одним из наиболее прогрессивных подходов является применение в структуре преобразователя частоты так называемого «активного» выпрямителя (АВ), или выпрямителя с активным передним фронтом (AFE по зарубежной терминологии). В силовой схеме такого выпрямителя используются полностью управляемые силовые ключи, управление которыми осуществляется релейными или импульсно-модуляционными методами. Такие ПЧ выполняются на современной элементной базе полупроводниковых устройств (IGBT-транзисторах, IGCT- тиристорах) и обладают широкими возможностями экономичного преобразования параметров электрической энергии.

Пример функциональной схемы электропривода с преобразователем частоты на основе АВ представлен на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема двухзвенного ПЧ с активным выпрямителем

и автономным инвертором напряжения

В силовой цепи преобразователя частоты последовательно включены активный выпрямитель напряжения (АВ), фильтр (Ф) и автономный инвертор напряжения (АИН). Силовые полупроводниковые переключающие элементы выпрямителя и инвертора обладают полной управляемостью и двусторонней проводимостью тока. АВ, выполненный по трехфазной мостовой схеме, преобразует напряжение питающей сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока Ud на конденсаторе фильтра. Трехфазный мостовой АИН работает в режиме широтно-импульсной модуляции   (ШИМ)  и   преобразует  это  постоянное  напряжение  в переменное напряжение на выходе с требуемыми значениями частоты и амплитуды основной гармоники. Это обеспечивает благоприятную форму тока двигателя (Д) и равномерность его вращения в широком диапазоне скоростей.

Активный выпрямитель выполняется по схеме, полностью идентичной схеме инвертора и по существу представляет собой обращенный АИН, также работающий в режиме ШИМ. Так же, как и автономный инвертор, активный выпрямитель инвертирует постоянное напряжение фильтрового конденсатора Ud в импульсное напряжение на своих зажимах переменного тока А, В, С. Эти зажимы связаны с питающей сетью через входные дроссели ДР. В отличие от регулируемой рабочей (полезной) частоты напряжения на зажимах  переменного тока АИН (А1, В1, С1) рабочая частота напряжения на зажимах переменного тока АВ постоянна и равна частоте питающей сети. Разность мгновенных значений синусоидального напряжения питающей сети и импульсного напряжения на зажимах переменного тока АВ воспринимается дросселями ДР. Благодаря использованию режима ШИМ импульсное напряжение, формируемое активным выпрямителем на стороне переменного тока, имеет улучшенный гармонический состав. Это создает хорошие условия для фильтрации входными дросселями высших гармоник тока, потребляемого из питающей сети. Таким образом решается задача потребления из сети практически синусоидального тока. Коэффициент несинусоидальности не превышает 4%.

Фазовый угол потребляемого тока зависит от соотношения амплитуд и фазовых углов напряжений, приложенных к дросселям со стороны сети и со стороны АВ, а также от параметров (индуктивности и активного сопротивления) дросселей. С помощью системы управления АВ можно обеспечить работу преобразователя частоты с заданным значением коэффициента мощности, например, равным единице, либо опережающим или отстающим. Поэтому ПЧ с активным выпрямителем может быть использован в системе электроснабжения либо как нейтральный элемент, либо как источник, либо как потребитель реактивной мощности. В частности, для асинхронного электропривода становится возможным обеспечить входной коэффициент мощности более 0,98.

Как преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока автономный инвертор обладает очень ценным свойством – возможностью двустороннего энергетического обмена между сетями постоянного и переменного тока. Это свойство сохраняется и в инверсной схеме включения автономного инвертора в качестве активного выпрямителя. В итоге двухзвенный ПЧ с активным выпрямителем обеспечивает двусторонний энергетический обмен между питающей сетью и электродвигателем, в том числе режимы рекуперации энергии в питающую сеть.

Аналогичные результаты обеспечивает применение активных выпрямителей в двухзвенных ПЧ с автономными инверторами тока (АИТ).

Вместе с этим необходимо отметить, что основной сложностью на пути реализации электроприводов с ПЧ на основе АВ в промышленных масштабах является проблема управления силовыми ключами системы АВ – АИН (АИТ). Имеется ввиду сложность самих алгоритмов управления; сложность реализации алгоритмов на микропроцессорных средствах; сложность тестирования и отладки микропроцессорных систем. Поэтому необходимы высококачественные системы автоматического регулирования, учитывающие специфику активных выпрямителей как объектов управления.