Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Труды IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016 , Пермь, 3-7 октября 2016 г

..pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
19.11.2023
Размер:
57.92 Mб
Скачать

ляющие команды и обратной связью информация о состоянии и параметрах работы каждого привода.

Кроме тяговых и кранового приводов, в УК25/25 имеется еще ряд механизмов, управляемых от асинхронных двигателей. Это 2 лебедки передвижения пакетов (с мощностью АД 22 кВт), 2 компрессора пневмотормоза (АД– 6,3 кВт), приводы насосов гидрооборудования стрелы (АД– 7,5 кВт) и платформы (2 АД– 5,5 кВт). Для питания этих механизмов в состав КТЭО введен блок преобразователя DC/AC, преобразующий напряжение постоянного тока (600–800 В) в трехфазное напряжение 380 В / 50 Гц

(см. рис. 3).

Описанные блоки преобразователей решают требования поставленных задач, но для дальнейшей модернизации электрооборудования крана в процессе разработки находятся следующие устройства:

в БСЭ ТАД и крановых приводов: интегральный интеллектуальный силовой преобразователь на 150 А / 800 В; на этот преобразователь планируется перевести управление всеми четырьмя ТАД, тремя крановыми приводами и приводами двух лебедок передвижения пакетов (замена приводов с контроллерами управления АД с фазным ротором);

для приводов малой мощности (до 10 кВт) насосов

икомпрессоров из состава УК25 планируется разработка сдвоенных преобразователей на базе IPM-транзис- торных модулей с управлением на МП-TI-Piccolo (TMS2803x), что вместе с внедрением силового интел-

лектуального интегрального преобразователя 150 А / 800 В позволит повысить надежность работы вспомогательных приводов крана и снизит нагрузку на блок преобразователей DC/AC до 6 кВт, а также цену комплекта электрооборудования;

– для упрощения проводных связей и повышения надежности передачи управляющей информации от пультов (выносного и радиопульта) к исполнитель-

ным устройствам (БСЭ) в пультах устанавливаются модули сбора и преобразования информации для передачи по CAN-шине, которая свяжет пульты с БСЭ (заменив многопроводные кабели), по этой же шине передается информация включения/выключения малых преобразователей управления насосами/компрессорами и гидрораспределителей оборудования стрелы и платформы;

– для визуализации всех процессов в крановых электроприводах и вспомогательных приводах разрабатывается тестер с возможностью просмотра нескольких окон (приводы крановые, вспомогательные, приводы гидравлические) на базе одноплатного микрокомпьютера

(FORLINX-OK335x под управлением Linux) с VGA-дис-

плеем, ПО с использованием дуальной (Windows/Linux) графической библиотеки QT, такой выбор бортового компьютера позволяет упростить разработку ПО, унифицировав его с ПО СВС.

Создаваемый комплект тягового электрооборудования с автоматической электромеханической трансмиссией переменно-переменного тока с асинхронным индивидуальным электроприводом колес и асинхронным генератором, частотно-регулируемым электроприводом крановых асинхронных двигателей с буферным суперконденсаторным накопителем энергии может обеспечить до 50 % экономию топлива при выполнении крановых работ по укладке железнодорожных путей, повысить управляемость, надежность работы, снизить эксплуатационные расходы. Несмотря на некоторое увеличение начальной стоимости крана, расчетная цена владения им за весь период эксплуатации (20 лет) на 90 млн рублей меньше стоимости владения укладочным краном, производимым в настоящее время.

Это дает хорошие предпосылки для внедрения подобных электромеханических трансмиссий в другие виды путевой техники.

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 531 -

УДК 621.313

Разработка, создание и внедрение энергоэффективных устройств плавного пуска асинхронных электроприводов вспомогательных механизмов буровых установок

А.А. Хашимов, Л.Т. Кан

Е.А. Таиров

Ташкентский государственный технический университет,

Туринский политехнический университет,

Ташкент, Узбекистан

Ташкент, Узбекистан

Engineering, development and introduction of energy-efficient devices of soft start asynchronous electric drives of auxiliary machinery drilling rigs

A.A. Khashimov, L.T. Kan

Tashkent State Technical University,

Tashkent, Uzbekistan

Предлагаются новые технические решения по разработке и созданию энергоэффективных устройств плавного пуска для управления асинхронными электроприводами вспомогательных механизмов буровых установок.

We propose new solutions for the engineering and creation of soft-start energy-efficient devices to control asynchronous electric drives of auxiliary rig mechanisms.

Ключевые слова: энергоэффективность, устройство плавного пуска, вспомогательные механизмы, буровые установки, потребляемая мощность, асинхронный электропривод, энергосбережение, ресурсосбережение.

E.A. Tairov

Turin Polytechnic University,

Tashkent, Uzbekistan

и вспомогательных. При этом важное значение имеет модернизация существующих вспомогательных механизмов буровых установок на основе применения энергоэффективных установок плавного пуска электропривода компрессорных установок, дегазаторов и глиномешалок, работающих в весьма тяжелых эксплуатационных условиях с разным колебанием температур окружающей среды и технологическими параметрами установок.

I. ОСНОВНОЙ ПУТЬ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ МОДЕРНИЗАЦИИ

Keywords: energy efficiency, the soft-start device, auxiliary machinery, drilling rigs, power consumption, asynchronous electric drive, energy-saving, resource-saving.

ВВЕДЕНИЕ

Бурение скважин является основным источником приращения запасов нефти и газа. От темпов строительства скважин и их трудоемкости зависит стоимость нефти и газа, извлекаемых из недр земли. Повышение производительности, эксплуатационной надежности и энергоэффективности оборудования во многом определяется уровнем электрификации и автоматизации не только основных механизмов бурильных установок, но

ВКараулбазарском районе Бухарской области Республики Узбекистан нефтегазового месторождения Кемачи функционирует буровая установка российского производства «Уралмаш 4Э».

Вкачестве объекта модернизации рассматривались разработка, создание и внедрение тиристорных пусковых устройств на микропроцессорной основе для управления электроприводами вспомогательных механизмов компрессора, дегазатора и глиномешалки буровой установки «Уралмаш 4Э».

Предлагаемые нами пусковые устройства на микропроцессорной основе для управления электроприводами вспомогательных механизмов содержат ноу-хау,

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 532 -

защищенные патентами Российской Федерации и Рес-

публики Узбекистан (№ 2069032; № 03521) [1–3].

 

 

 

II. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОСНОВА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если переходной процесс асинхронного электро-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

привода длится непродолжительное время и электро-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

магнитная постоянная контуров асинхронного двигате-

где u

= U

н

γcos

(αt ) , u

 

 

= U

н

γsin (αt ) ; α и γ – управ-

ля (АД) соизмерима с электромеханической постоянной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ляющие воздействия,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

времени, то расчеты режимов работы электропривода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

будут близко отражать реальные физические явления

 

 

 

L1

= L1,2 + Lэ1

,

L2 = L1,2

+ Lэ2 ,

 

 

 

только в случае учета электромагнитных переходных

 

 

 

 

 

 

процессов (учета свободных токов, сопровождающих

a, b, c, d – коэффициенты (в расчетах приняты постоян-

переходные процессы) [6]. Температурный режим дви-

гателя можно не рассчитывать, поскольку тепловая по-

ными):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

стоянная времени в этом случае превосходит электро-

 

 

 

 

 

pPσ

 

 

 

 

 

 

 

 

L1

 

 

 

 

 

 

механическую постоянную времени, как правило, более

 

 

 

α =

 

,

 

 

b =

 

 

 

,

 

 

 

 

чем на три порядка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω3σ J

 

 

L1L2 L1,22

 

 

 

 

Постоянная времени нагрева электродвигателя вы-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

числяется по формуле

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c =

 

L2

 

 

 

 

 

d =

L1,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

=

С

 

,

 

 

 

 

(1)

 

 

 

L1L2 L1,22

L1L2 L1,22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

αS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Система дифференциальных уравнений записана в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где С– теплоемкость асинхронного двигателя, Дж/с;

 

относительных единицах, за базисные величины взяты

 

параметры АД в номинальном режиме.

 

 

 

α– коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·°С);

 

 

 

 

 

S– площадь теплового взаимодействия.

 

 

Базисные величины:

 

 

 

Uσ = Uн

2 –

напряжение;

Электромеханическая постоянная времени рассчи-

Iσ = Iн

2 – ток;

Zσ =

U

н

 

– сопротивление;

ωσ

= fн

тывается следующим образом:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Iн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jω

 

 

 

 

 

 

 

угловая скорость вращения;

tσ = ωσ1 – время;

Pσ =

3

 

 

 

 

 

 

 

 

Tм

=

,

 

 

 

 

(2)

2UσIσ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мэн

 

 

 

 

 

 

 

мощность;

Mσ = pPσ / ωσ

– момент; Lσ = Zσ / ωσ – индук-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где J – момент инерции вращающихся частей электро-

тивность.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

привода, кг·м2;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В расчетах приняты допущения, соответствующие

ω– номинальная скорость вращения вала двигате-

обобщенной идеализированной электрической машине:

ля, эл. град/с;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

обмотки АД симметричны, магнитное поле синусоидаль-

Мэн – номинальный электромагнитный момент дви-

но вдоль окружности равномерного воздушного зазора,

гателя, Н·м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

машинаненасыщена, потеривсталиотсутствуют.

 

Электромагнитная постоянная времени обычно раз-

На рис. 1 приведен расчетный график переходного

процесса АД мощностью 40 кВт под номинальной на-

деляется на две [4, 5]: первая отражает скорость установ-

ления тока:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

грузкой Мс = Мн.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На нем приведены изменения электромагнитного

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

Lэ

+ k2 Lэ

 

 

 

 

 

 

Ψ1,2

 

 

момента mэ, скорости ротора nд, тока намагничивания

Т

э

=

 

э

=

 

1

 

 

 

2

, k

2

=

 

;

(3)

iμ, тока обмотки статора по координатным осям α–iсα,

 

rэ

 

r2

+ k22 r2'

 

Ψ1,2 + Lэ2 iμ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

взаимная индуктивность между статором и ротором L12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в функции времени переходного процесса.

 

 

 

вторая – скорость роста потокосцеплений:

 

 

Как видно, все приведенные параметры и координа-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ L

 

 

 

 

 

ты электродвигателя имеют колебательный характер.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

Корректность математической модели подтверждается

 

 

 

 

 

 

 

Tr =

 

1,2

 

э2

.

 

 

(4)

тем, что значение времени пуска, величина максималь-

 

 

 

 

 

 

 

 

r'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

ного и номинального момента в зоне установившегося

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для расчета режимов работы асинхронного элек-

режима, скорость вращения ротора хорошо сходятся

с каталожными данными.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тропривода с учетом электромагнитных процессов ис-

Решим задачу оптимального параметрического управ-

пользуем математическую модель, составленную из

ления асинхронным двигателем при постоянной номи-

дифференциальных уравнений обобщенной электриче-

нальной частоте fн = 50

Гц. Найдем координаты (токи,

ской машины [6, 7]:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

электромагнитный момент, скорость ротора ит.п.) и оп-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 533 -

Рис. 1. Расчетный график переходного процесса асинхронного двигателя мощностью 40 кВт

тимальное управляющее воздействие при пуске асинхронного двигателя до номинальной скорости вращения ротора. Весь цикл следует осуществить, минимизируя функционал [7]:

Iф = T γ2 dt.

(5)

t0

 

В качестве управления используется параметр γ – относительное напряжение обмотки статора.

Оптимизацию проводим с помощью принципа максимума и метода Ньютона–Рафсона на базе математической модели [7].

На рис. 2 и 3 графически отражены результаты расчетов по алгоритму из формулы (4) для АД 4А90L4У3. Как видно из сравнения рис. 2 и 3 и прямого включения

всеть переменного тока [7], в оптимальном пуске энергетические и динамические свойства значительно выше. Так, при увеличении быстродействия на 37 % снизились электрические потери в обмотках статора и ротора на 22 %. Однако вследствие увеличения быстродействия

воптимальном пуске переходный ударный электромагнитный момент сохранил и даже несколько увеличил свое значение вследствие 5–6-кратного (по отношению к номинальному) нарастания ударного тока.

Характер изменения оптимального управления γ указывает на существенное влияние начального и конечного периодов в пуске на формирование оптимального переходного процесса. На среднем участке пуска необходимо увеличение подводимого напряжения выше номинального на 20–30 % (при данном быстродействии).

Оптимальный пуск (см. рис. 2 и 3; от t = 10 до t = 20) – один из бесконечного ряда оптимальных переходных процессов, которые можно сформировать, выбирая время достижения требуемой скорости вращения от максимального быстродействия до режима минимум – миниморум (в данном случае – когда время разгона не задано). Чем ближе к режиму минимум – миниморум выбрана рабочая точка, тем меньше ударные значения электромагнитного момента и тока, тем меньше энергии требуется для разгона АД.

Рис. 2. Оптимальный пуск асинхронного двигателя 4А90L4У3 при параметрическом управлении (Мс = 0)

Рис. 3. Оптимальный пуск асинхронного двигателя 4А90L4У3 при параметрическом управлении (Мс = 0)

Из анализа вышепредставленных результатов следует, что координаты электропривода в оптимальном переходном процессе изменяются сложным образом, что обусловлено структурой внутренних связей АД; из всего многообразия переходных процессов выделяются рядом особенностей. Одно из наиболее отличительных свойств – отсутствие колебаний скорости вращения. Более того, большинство оптимальных законов управления предполагает характер изменения скорости вращения монотонным и близким к линейному (см. рис. 2).

III. НОВОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ

На практике достаточно сложна полная техническая реализация алгоритма оптимального управления АД, обеспечивающегоминимизациюпотребляемоймощности.

Ниже представлена функциональная схема устройства плавного пуска асинхронного электропривода вспомогательных механизмов (таких как компрессора – 37 кВт, дегазатора – 30 кВт, глиномешалки – 30 кВт), реализующая квазиоптимальный пуск (рис. 4).

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 534 -

Рис. 4. Функциональная схема устройства УПП: СМ – 3-фазный

 

тиристорный модуль; ИМ – источник питания; ФИ – формирователь

 

управляющих импульсов тиристоров; МК – микропроцессорный

Рис. 5. Общий вид шкафа управления устройства плавного

контроллер; УВВ – устройство ввода–вывода; АД – приводной

асинхронный двигатель; ТТ1, ТТ2 – трансформаторы токов;

пуска для асинхронного электропривода мощностью 40 кВт

ПУ – пульт управления

 

Данная разработка защищена патентами РУз №03521 и РФ №2069032, а также программным свидетельством РУз№DGU01246.

Общий вид шкафа управления устройства плавного пуска для асинхронного электропривода мощностью 40 кВт показан на рис. 5, монтажная часть и расположение элементов – на рис. 6.

IV. ОБЪЕКТ ВНЕДРЕНИЯ

Внедрение устройств осуществлялось на вспомогательных механизмах буровых установок «Уралмаш 4Э» месторождения Южный Кемачи АО «Бухоронефтгазпармалаш». Два устройства плавного пуска электроприводов компрессоров по 37 кВт, 1000 об/мин, два устройства плавного пуска электроприводов дегазатора мощностью 30 кВт, 1000 об/мин, одно устройство плавного пуска электропривода глиномешалки мощностью 30 кВт, 1500 об/мин.

V. РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ. ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ УСТРОЙСТВ ПЛАВНОГО ПУСКА

Произведем сравнительный расчет ожидаемой энергоэффективности устройства плавного пуска на мощность 30 кВт.

Кратность пускового тока электродвигателя серии 4А равна 6,5.

Номинальный ток электродвигателя равен I = 60 A. Мощность, выделяемая при пуске: А = Iп2·R =

= (6,5·180)2·0,046 = 3600·0,046 = 1800.

Тогда отношение мощности, выделяемой при прямом пуске, к мощности, выделяемой при плавном пус-

ке, равно A/An = 1800/800 = 2,25.

Таким образом, мощность, затрачиваемая при плавном пуске, в 2,25 раза меньше, чем при прямом пуске.

Применение плавного пуска позволит исключить дополнительные затраты на оплату электроэнергии за счет остановки электродвигателя и последующего его запуска (пересмена, загрузка, выгрузка).

Рис. 6. Монтажная часть и расположение элементов устройства плавного пуска для асинхронного электропривода мощностью 40 кВт

Произведем сравнительный расчет ожидаемой энергоэффективности, применяя функции плавного пуска, на мощность 37 кВт.

Кратность пускового тока электродвигателя серии 4А равна 6,0.

Номинальный ток электродвигателя равен I = 76 А. Мощность, выделяемая при пуске: А = Iп2·R =

= (6,76)2·0,047 = 12396,8.

Тогда отношение мощности, выделяемой при прямом пуске, к мощности, выделяемой при плавном пус-

ке, равно A/An = 12396/5455 = 2,24.

Таким образом, мощность, затрачиваемая при плавном пуске, в 2,24 раза меньше, чем при прямом пуске.

Мощности, выделяемые при плавном пуске, рассчитаны на основе экспериментальных данных.

В приведенных расчетах не рассматриваются затраты на потребляемую реактивную электроэнергию и затраты ремонтно-профилактического характера.

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 535 -

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При внедрении установок плавного пуска на вспомогательных механизмах (компрессорные установки, дегазаторы и глиномешалки) буровых установок «Уралмаш 4Э», расположенных на объектах Южной Кемачи АО «Бухоронефтегазпармалаш», были получены следующие результаты:

снижение пускового тока в 2–3 раза от номинала при плавном пуске электропривода;

снижение потребляемой мощности в 2–3 раза от номинального значения;

заметное снижение просадки сети;

снижение динамических ударов на самом двигателе и в звеньях механических передач;

повышение эксплуатационной надежности в

1,2–1,5 раза;

автоматизация режимов запуска электроприводов вспомогательных механизмов буровых установок;

фактический экономический эффект: автоматизация режима пуска с трехкратным снижением потребляемой мощности, увеличение межремонтного периода со снижением затрат на него, повышение надежности оборудования в 1,2–1,5 раза;

разработаны рекомендации для широкого внедрения устройств плавного пуска на микропроцессор-

ной основе для других объектов АО «Бухоронефтгазпармалаш» РУз.

Благодарности

Авторы выражают благодарность АК «Узгеобурнефтегаз» за финансовую поддержку данного проекта и предоставленную возможность внедрения на объектах АО «Бухоронефтегазпармалаш» (АО«Бухаранефтегазбурение»).

Библиографический список

1.Асинхронный электропривод с экстремальным управлением: пат.

РФ № 2069032 / А.А. Хашимов. 1996.

2.Асинхронный электропривод: пат. РУз № 03521 / А.А. Хашимов. 2007.

3.Алгоритм самонастраивающейся системы регулирования

скорости и ускорения электропривода: програм. свид-во № DGU01246, Госпатентное ведомство РУз / А.А. Хашимов,

Д.А. Азизов. 2007.

4.Имас А.А. Управление переходными процессами асинхронного регулируемого электропривода: автореф. дис. канд. … техн. наук. Ташкент, 1975.

5.Шрейнер Р.Т., Дмитриенко Ю.А. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами. Кишинев: Штиинца, 1982.

6.Постников И.М. Обощенная теория и переходные процессы электрических машин. М.: Высшая школа, 1975.

7.Хашимов А.А., Петрушин А.Д. Оптимальные режимы работы частотно-регулируемых асинхронных электроприводов с учетом тепловых процессов. Ташкент: Фан, 1990.

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 536 -

УДК 621.313.12

Автономная электростанция с генераторными агрегатами переменной

частоты вращения, питающая электропривод циркуляционного насоса

О.С. Хватов, Г.И. Коробко, И.Г. Коробко

Волжский государственный университет водного транспорта, Нижний Новгород, Россия

Autonomous power station with variable speed generator sets, feeding electric circulation pump

O.S. Khvatov, G.I. Korobko, I.G. Korobko

Volga State University of Water Transport,

Nizhny Novgorod, Russian Federation

Предложен вариант автономной электростанции, состоящей из двух дизель-генераторов с регулируемой частотой вращения и четырех генераторных агрегатов с постоянной частотой вращения. Разработана система управления, которая обеспечивает синхронизацию генераторов, распределение активной и реактивной мощности и регулирование частоты вращения двух дизелей в зависимости от величины активной мощности, потребляемой электроприводом насоса.

A variant of an autonomous power station consisting of two variable speed diesel generators and four constant speed generating units is proposed in this article. A control system that provides synchronization of the generators, distribution of active and reactive power, and regulation of rotation frequency of two diesel generators, depending on the active power consumed by the electric pump, is described below.

Ключевые слова: дизель-генератор изменяемой частоты вращения, параллельная работа, синхронизация, распределение нагрузок, экономия топлива, преобразователь частоты, циркуляционный насос.

Keywords: variable speed diesel generator, parallel operation, synchronization, load distribution, fuel economy, frequency converter, circulation pump.

В настоящее время для питания отдельных объектов широко используются автономные электростанции. Наличие автономных электростанций является актуальным при дефиците мощности в системах электроснабжения, а также в случаях, когда экономически нецелесообразно строительство новых линий электропередачи. Для питания котельных применение авто-

номных источников электроэнергии на базе газопоршневых генераторных агрегатов является экономически целесообразным. Однако при невозможности подвода газа к таким объектам устанавливаются дизель-гене- раторные электростанции.

На рис. 1 представлена блок-схема автономной электростанции, выполненной на базе шести дизель-гене- раторных агрегатов (ДГ1–ДГ6) мощностью 250 кВА. Подключение генераторов G1 и G2 осуществляется через автоматические выключатели QF1 и QF2 к секции шин, от которых через автоматический выключатель QF8 питается мощный преобразователь частоты (ПЧ). Он обеспечивает управление асинхронным короткозамкнутым двигателем, приводящим в действие насос. Генераторы G3–G6 подключаются к другой секции шин автоматическими выключателями QF3–QF6 соответственно. Для объединения секций шин используется автоматический выключатель QF7.

Первые два генератора (G1 и G2) работают в режиме изменяемой частоты вращения. Генераторы G3–G6 работают при постоянной частоте вращения. Без разделения шин в автономной электростанции при работе мощного частотно-регулируемого электропривода статический преобразователь (ПЧ) генерирует в сеть высшие гармоники напряжения, что будет отрицательно влиять на работу всех потребителей [1], поэтому разделение шин устраняет этот негативный фактор. Использование для питания преобразователя частоты двух параллельно работающих генераторных агрегатов позволяет обеспечить потребление насосом максимальной мощности 320 кВт. При изменении режима работы на-

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 537 -

Рис. 1. Блок-схема автономной электростанции

соса его частота вращения и потребляемая мощность будут изменяться в диапазоне 40–100 % от номинального значения. При снижении нагрузки насоса менее 60 % один из генераторов может быть отключен.

Система управления параллельной работой генераторных агрегатов выполняет следующие задачи:

синхронизацию (включение на параллельную работу);

распределение активной и реактивной мощности между работающими генераторами;

изменение частоты вращения дизель-генератора

взависимости от отдаваемой им активной мощности.

Система синхронизации, обеспечивающая включение генератора на параллельную работу, должна включить генераторный автомат в тот момент, когда частота, напряжение и угол упреждения подключаемого генератора будут несколько выше, чем у работающего. После выполнения синхронизации в работу должна включиться система загрузки генераторов по активной и реактивной мощности.

Для осуществления автоматического распределения активных и реактивных нагрузок между параллельно работающими генераторами применяют метод ведущего генератора [2]. В этом случае его нагрузка является задающей для загрузки другого работающего в параллель генератора. В системах распределения нагрузок, построенных на базе микроконтроллеров, эта задача решается программным способом, а приоритеты для генераторов может назначить оператор.

Как показывает анализ, работа дизелей с постоянной частотой вращения при переменной нагрузке характеризуется неоптимальным расходом топлива и пониженным КПД. Для устранения этих недостатков, как показано в [3], необходимо изменять частоту вращения генераторного агрегата в зависимости от активной мощности, отдаваемой генератором. Оптимальное изменение частоты вращения улучшает экономические и энергетические показатели дизеля, увеличивает моторесурс и снижает вредные выбросы.

На рис. 2 представлена функциональная схема системы. Объектом управления является генератор и приводной двигатель (G1 и G2 c двигателями Д1 и Д2). Генератор G1 и двигатель Д1 охвачены внутренней обратной связью по напряжению через регулятор возбуждения РВ1 и по частоте через регулятор частоты вращения РЧВ1 соответственно. Аналогично построена

Рис. 2. Блок-схема управления генераторными агрегатами с переменной частотой вращения

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 538 -

система с генератором G2 и двигателем Д2 и регуляторами РВ2, РЧВ2.

Подключение генераторов G1 и G2 к нагрузке осуществляется автоматическими выключателями QF1 и QF2 соответственно. До момента синхронизации питание нагрузки осуществляется от одного из генераторов, при этом один из выключателей замкнут. Для подключения второго генераторного агрегата система дает команду на выполнение синхронизации. Подгонку по частоте и напряжению осуществляет блок управления синхронизацией и распределения активной и реактивной мощности (БУСиРМ). На его входы приходит сигнал рассогласования U, пропорциональный разности напряжений на шинах генераторов G1 и G2, а также сигнал Δω, пропорциональный разностичастотвращениядизелей.

Сигналы разности U и Δω формируются в синхронизаторе С на основании напряжений генераторов G1 и G2. Когда условия синхронизации будут выполнены, синхронизатор выдаст команду на включение в работу генераторного автомата (QF1 или QF2) с помощью соответствующего моторного привода (П1 или П2).

После выполнения процесса синхронизации в работу вступает система распределения нагрузки. Для этого на вход БУСиРМ поступают сигналы, пропорциональные активной и реактивной мощности, отдаваемой генераторами в сеть, из блоков вычисления – БВ1 и БВ2. Последние используют на входах данные о напряжении и токе генераторов, полученные с трансформаторов напряжения (TV1) и тока (TA1) соответственно.

Сигналы по активной и реактивной мощности распределяются в регуляторах активной и реактивной мощности, обеспечивая равномерную нагрузку генераторов. Для этого из БУСиРМ сигналы с выходов регуляторов мощности поступают на входы РЧВ1, РВ1 и РЧВ2, РВ2 генераторов G1 и G2 соответственно.

При отключении одного из генераторов его необходимо разгрузить. Для этого блок управления автоматически снижает практически до нуля отдаваемую в нагрузку активную и реактивную мощность генератора, после чего генераторный автомат будет отключен.

При регулировании частоты вращения генераторных агрегатов используется ключ K, подающий на вход РЧВ1 и РЧВ2 дополнительный сигнал Δωопт, формируемый блоком экономичного режима (БЭР). Его характеристика при изменении отдаваемой активной мощности позволяет оптимизировать частоту вращения дизеля и снизить его расход топлива [4].

На рис. 3 показана зависимость расхода топлива дизельного двигателя в зависимости от отдаваемой генератором мощности. Кривая G* показывает расход топлива дизель-генератора без регулирования частоты вращения. При регулировании частоты вращения дизеля используют характеристику экономичного режима – ω*опт [5]. Для управления дизельным двигателем с регулируемой частотой вращения необходимо сформировать характеристику Δω*опт = 1 – ω*опт.

Рис. 3. Диаграмма изменения расхода топлива и задаваемой частоты вращения дизеля в зависимости от потребляемой мощности

При достижении мощности P* < 0,25 величина характеристика Δω*опт должна быть ограничена до значения 0,23. Как показывает анализ [4], снижение частоты вращения дизеля уменьшает абсолютный расход топлива. С учетом этого характеристика G*′ будет располагаться ниже характеристики G*. Наибольшая экономия топлива, которая достигается при изменении нагрузки в диапазоне от 30 до 50 % от номинальной мощности, составляет 10–20 %.

Таким образом, разделение шин в автономной электростанции на секции для мощного частотно-регули- руемого привода исключает отрицательное влияние высших гармоник напряжения на другие потребители.

Изменение частоты вращения дизеля при снижении отдаваемой генератором активной мощности позволяет снизить расход топлива на 10–20 %.

При снижении потребляемой циркуляционным насосом мощности ниже 60 % один из генераторов может быть отключен.

Библиографический список

1.Коробко Г.И., Лебедев В.В. Влияние высших гармоник на работу судового электрооборудования и способы их снижения // Великие реки – 2011: тр. 13-го Междунар. науч.-промышл. форума / ННГАСУ. Н. Новгород, 2011.

2.Коробко Г.И., Попов С.В., Бишлетов А.В. Система автоматической загрузки генератора при работе параллельно с сетью // Актуальные проблемы электроэнергетики. Н. Новгород: Изд-во НГТУ, 2008.

3.Хватов О.С., Дарьенков А.Б. Дизель-генераторная электростанция переменной скорости вращения. Электротехника. № 3. 2014. С. 28–32.

4.Хватов О.С., Дарьенков А.Б., Самоявчев И.С. Нейросетевой алгоритм системы управления топливоподачей дизель-генератора переменной скорости вращения // Вестник ИГЭУ. 2013. Вып. 3.

С. 50–53.

5.Определение экономической эффективности дизель-генератор- ных электростанций с переменной частотой вращения вала / А.Б. Дарьенков, О.С. Хватов, Ф.Ф. Юрлов, Н.В. Усов // Вестник АГТУ. Морская техника и технология. 2014. № 3.

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 539 -

УДК 62-83: 622.691.4

Применение искусственных нейронных сетей для управления и прогнозирования состояния электроприводов компрессоров

А.С. Хлынин, О.В. Крюков

А.В. Серебряков

АО «Гипрогазцентр»,

Нижегородский государственный технический университет

Нижний Новгород, Россия

им. Р.Е. Алексеева,

 

Нижний Новгород, Россия

Application of artificial neural networks for management and forecasting of a condition

of electric drives of compressors

A.S. Khlynin, О.V. Kryukov

A.V. Serebryakov

JSC “Giprogazcenter”,

Nizhny Novgorod State Technical University

Nizhny Novgorod, Russian Federation

named after R.Е. Alekseev,

 

Nizhny Novgorod, Russian Federation

Рассмотрены вопросы проектирования эффективных и достоверных систем оперативной диагностики электродвигателей электроприводных компрессорных станций. Представлена статистика выхода из строя наиболее ответственных установок газотранспортных систем – электроприводных газоперекачивающих агрегатов. Разработаны методология и архитектура искусственных нейронных сетей для получения прогнозных моделей электрических машин мегаваттного класса. Приведены примеры нейронечеткого прогнозирования технического состояния и ресурса статорных обмоток синхронных машин. Получены тесты селекционированных сетей, нечеткая модель Бокса–Дженкинса, модели метода анализа динамики спектральных составляющих, прогнозирование величин тока и температур статора. Сопоставительные результаты анализа ожидаемых состояний электрических машин магистрального транспорта газа, исходя из учета различных эксплуатационных факторов работы электроприводных газоперекачивающих агрегатов, позволили выработать рекомендации по применению метода искусственных нейронных сетей.

Questions of design of effective and reliable systems of expeditious diagnostics of electric motors of electric driving compressor stations are considered. The statistics of failure of the most responsible installations of gas transmission systems – electric driving gas-distributing units is presented. The methodology and architecture of artificial neural networks is developed for receiving expected models of electrical machines of a megawatt class. Examples of neuro and indistinct forecasting of technical condition and a resource the stator of windings of synchronous cars are given. Tests of the selected networks, indistinct model of Boxing Jenkins, model of a

method of the analysis of dynamics of spectral components, forecasting of sizes of current and temperatures of the stator are received. Comparative results of the analysis of the expected conditions of electrical machines of the main transport of gas, proceeding from the accounting of various operational factors of operation of electric driving gas-distributing units, have allowed to develop recommendations about application of a method of artificial neural networks.

Ключевые слова: электроприводные компрессорные станции, газоперекачивающий агрегат, электродвигатель мегаваттного класса, искусственные нейронные сети, тесты селекционированных сетей, модели прогнозирования величин тока и температур статора.

Keywords: electric driving compressor stations, the gasdistributing unit, the electric motor of a megawatt class, artificial neural networks, tests of the selected networks, models of forecasting of sizes of current and temperatures of the stator.

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день все технологические установки компрессорных станций (КС) магистральных газопроводов относятся к опасным производственным объектам [1–5], поэтому разработка достоверных и оперативных систем мониторинга их состояния относится к задачам первого приоритета при проектировании газотранспортных систем. Современные электроприводные газоперекачивающие агрегаты (ЭГПА) как объекты диагностики представляют собой сложные и простран- ственно-распределенные технические системы с разнородными элементами (рис. 1) [4–7]. Для идентификации

____________________________________________________________________________________________________________________________

IX Международная (XX Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2016

- 540 -