Full Text

Введение. Высокие энергетические показатели и конструктивные преимущества синхронных двигателей обусловили их широкое использование для мощных электроприводов, работающих в продолжительном режиме S1 и не требующих глубокого регулирования скорости. В современной отечественной и зарубежной промышленности и особенно в энергетических отраслях синхронные машины длительно и эффективно работают в качестве электроприводов дутьевых вентиляторов, воздуходувок, буровых установок, компрессоров, насосов, шаровых мельниц, прокатных станов и прочих ответственных механизмов. Так, например, суммарная установленная мощность синхронных электроприводов газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА) компрессорных станций (КС) магистрального транспорта газа (рис. 1) составляет более 6000 МВт или 18 % от общей установленной мощности Единой газотранспортной системы России [1-4]. График их нагрузки может длительное время оставаться постоянным, а момент на валу двигателя изменяется незначительно и весьма плавно в зависимости от сезонного потребления газа, колебаний температуры окружающего воздуха или перехода на другие графики газоподачи. При этом, однако, из-за параллельной работы ЭГПА с различными типами центробежных нагнетателей возможны неустойчивые режимы с субгармоническими колебаниями выходных параметров ЭГПА [5-8]. Подавляющее число существующих ЭГПА в настоящее время отработали свой нормативный срок, и для обеспечения надежного транспорта природного газа важнейшей задачей является поэтапная модернизация парка машин и компрессорных агрегатов с применением современных технических решений, которые проводятся в двух направлениях. Во-первых, это перевод аппаратных средств на современную элементную базу, во-вторых, это модернизация путем совершенствования законов регулирования и структур систем регулирования и возбуждения синхронного двигателя. Рис. 1. Общий вид электроприводного газоперекачивающего агрегата КС Таким образом, повышение эффективности и надежности работы синхронного двигателя ЭГПА достигается решением следующих задач [9-15]: - увеличением перегрузочной способности и повышением устойчивости синхронного двигателя при набросе нагрузки или колебаниях напряжения в сети; - демпфированием механических колебаний ротора; - обеспечением минимальных потерь в двигателе и питающей сети; - уменьшением колебаний активной, реактивной мощности и напряжения в питающей сети. Поскольку одновременное решение всех указанных задач затруднительно из-за наличия единственного канала управляющего воздействия через систему возбуждения синхронного двигателя, закон управления током возбуждения выбирается в соответствии с детерминированным или стохастическим характером нагрузки электроприводных газоперекачивающих агрегатов. Для синхронного двигателя с постоянной или медленно изменяющейся нагрузкой задание на ток возбуждения формируется в соответствии с векторной диаграммой статического режима синхронного двигателя в зависимости от нагрузки на валу двигателя и напряжения питающей сети. При этом автоматический регулятор возбуждения (АРВ) настраивается на поддержание постоянства реактивной мощности или коэффициента мощности синхронного двигателя. Однако такой регулятор не позволяет обеспечить устойчивую работу двигателя при быстро меняющихся нагрузках, которые вызывают значительные качания ротора синхронного двигателя в динамических режимах, включая запуск электроприводных газоперекачивающих агрегатов. Устойчивость и надежность синхронного электропривода, рациональное использование синхронного двигателя и эффективность технологического процесса во многом определяются структурой системы АРВ и ее быстродействием. Существующие системы автоматического регулирования возбуждения поддерживают на заданном уровне ток возбуждения и реактивный ток с коррекцией по напряжению сети, но не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к работе синхронного двигателя в динамических режимах. Поэтому актуальной является задача улучшения динамических характеристик синхронного двигателя в условиях действия возмущений в виде изменения момента нагрузки или напряжения статора. Модель управляемого синхронного двигателя электроприводного газоперекачивающего агрегата. Наиболее совершенным информативным параметром, однозначно определяющим момент выхода двигателя из синхронизма, является угол нагрузки δ. Система автоматического регулирования возбуждения с улучшенными динамическими характеристиками должна обеспечивать устойчивую работу синхронного двигателя в переходных режимах при минимуме колебаний активной и реактивной мощности, демпфировать качания ротора и активного тока статора, ограничивать максимальное отклонение угла нагрузки δ синхронного двигателя, снижать отрицательное влияние двигателя на питающую сеть, минимизировать потери электрической энергии в системе электропривода. Повышение надежности работы синхронного двигателя тесно связано с управлением возбуждением в аварийных и предаварийных режимах. В существующих возбудителях момент выпадения двигателя из синхронизма выявляется по факту появления периодической составляющей в токе возбуждения. Срабатывание защиты зависит от соотношения периодической и постоянной составляющих в токе возбуждения, что не всегда позволяет выявить момент выпадения двигателя из синхронизма. При малых же токах возбуждения защита может срабатывать и в синхронных режимах работы синхронного двигателя под действием кратковременных возмущений. С точки зрения повышения динамической устойчивости и эффективного гашения качаний ротора синхронного двигателя электроприводного газоперекачивающего агрегата наиболее совершенной признана система автоматического регулирования возбуждения, которая работает в функции угла нагрузки d ротора двигателя и его производной [16-20]. При этом информация о мгновенном значении угла нагрузки d позволяет прогнозировать момент выпадения синхронного двигателя из синхронизма и своевременно форсировать возбуждение, предотвращая асинхронный ход двигателя. Демпфирование колебаний ротора осуществляется посредством форсировок возбуждения в соответствии со значением скорости изменения угла нагрузки. Однако непосредственное измерение угла нагрузки d с использованием магнитоэлектрических или вращающихся датчиков положения ротора требует серьезного вмешательства в конструкцию двигателя, что повышает стоимость электроприводного газоперекачивающего агрегата и снижает его эксплуатационную надежность. Наиболее приемлемым с практической точки зрения вариантом решения данной задачи является использование методов косвенного определения угла нагрузки d с помощью микропроцессорного идентификатора параметров синхронного двигателя, вычисляющего d с малой динамической погрешностью без использования датчиков внутри или на валу двигателя. Такой идентификатор может быть не чувствителен к разбросу параметров электромагнитной цепи синхронного двигателя и надежен при длительной эксплуатации. Поскольку начальное значение потокосцепления обмотки возбуждения Ψf(0) (потокосцепление обмотки возбуждения в начальный момент времени) известно из уравнений, соответствующих установившемуся режиму работы синхронного двигателя, то потокосцепление Ψf (потокосцепление обмотки возбуждения) в переходном режиме определяется по напряжению возбуждения Uf и току возбуждения If. Потокосцепление обмотки возбуждения и потокосцепление статора синхронного двигателя Ψsd по продольной оси связаны с токами в контурах машины и индуктивностями рассеяния статора и обмотки возбуждения. Продольный ток статора isd может быть определен лишь при известных значениях угла нагрузки δ, активного и реактивного тока статора. Если ток isx соответствует реактивному току статора и ориентирован вдоль вектора потокосцепления статора Ψs = (Ψsd + jΨsq), а ток isy соответствует активному току статора и совпадает с вектором напряжения статора Us = (Usd + jUsq), то угол нагрузки δ является углом сдвига между координатными осями dq. if isd + + + - + + + + + + - + + + + - DD ysd ysq ys P M DQ isq Lдds rдd /S Lаd-1 Lдqs rдq /S Lаq-1 ´ ´ Ls Ls gM gP Рис. 2. Упрощенная математическая модель синхронного двигателя Для вычисления угла нагрузки по аналитическим формулам напряжение статора Us и ток возбуждения if измеряются непосредственно, а потокосцепление Ψf вычисляется косвенно. Активный isy и реактивный isx токи статора вычисляются через фазные токи и напряжения статора в физических координатах. На рис. 2 представлена упрощенная структурная схема математической модели синхронного двигателя, построенная на базе системы уравнений, которые необходимы для реализации АРВ с идентификатором угла нагрузки. Входные переменные модели синхронного двигателя - продольный isd, поперечный isq токи статора и ток возбуждения if, выходные переменные - электромагнитный момент M, активная мощность P и потокосцепление статора ψs. Блоки DD и DQ учитывают в модели демпферные контуры синхронного двигателя по продольной и поперечной осям соответственно. Особенности системы автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя. Назначение системы автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя заключается в поддержании тока возбуждения if и продольной и поперечной составляющих тока статора isd, isq соответственно, необходимых для обеспечения требуемого электромагнитного состояния синхронного двигателя при изменениях момента нагрузки или напряжения статора. Автоматическое регулирование возбуждения позволяет стабилизировать один из следующих параметров: реактивную мощность Q, напряжение статора us, коэффициент мощности cos φ. Регулятор тока возбуждения (РТВ) системы автоматического регулирования синхронного двигателя (рис. 3) компенсирует постоянную времени обмотки возбуждения и обеспечивает требуемое быстродействие в контуре регулирования тока возбуждения. Рис. 3. Структурная схема системы автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя с идентификатором угла нагрузки Регулятор реактивного тока (реактивной мощности) необходим для обеспечения энергоэкономичного режима работы двигателя. В тех случаях, когда узел нагрузки не испытывает дефицита реактивной мощности, оптимальным является режим работы синхронного двигателя с сos j, близким к 0,9, не связанный с потреблением реактивной мощности из сети и обеспечивающий минимум электрических потерь и благоприятный тепловой режим двигателя. Регулятор напряжения обеспечивает стабилизацию напряжения в узле нагрузки путем изменения величины реактивной мощности, потребляемой или генерируемой двигателем в сеть. Блок демпфирования колебаний ротора синхронного двигателя предназначен для ограничения амплитуды колебаний ротора, снижения колебаний активной и реактивной мощности синхронного двигателя. Тем самым повышается устойчивость и надежность работы двигателя при ударном приложении нагрузки. Регулирование тока возбуждения в целях демпфирования качаний ротора осуществляется по углу нагрузки d и его производной, которые являются параметрами, непосредственно определяющими устойчивость двигателя. Угол нагрузки d и его производная вычисляются идентификатором угла нагрузки в трехконтурной системе автоматического регулирования возбуждением синхронного двигателя. Для обеспечения оптимального качества переходного процесса (колебательность активного и реактивного тока статора, амплитуда качаний ротора, длительность переходного процесса) при резких изменениях электромагнитной мощности Pэм необходимо в динамике поддерживать заданный режим Q*. В предлагаемой системе автоматического регулирования возбуждения обеспечивается минимум отклонения от заданного закона регулирования при сложном характере изменения нагрузки на валу СД в широких пределах. Формирование заданий для потокосцеплений ψsd*, ψsq* (блок Ψs) происходит с учетом структурных свойств двигателя как объекта регулирования. Значения ψsd*, ψsq* подчинены заданным токам isd*, isq*, вычисляемым в блоке Is, и заданию потокосцепления ψs*. Последнее формируется пропорциональным регулятором напряжения (РН) или определяется напряжением статора. Входными переменными блока Is являются активная мощность P и реактивная мощность Q статора синхронного двигателя, а выходными - токи isd*, isq*, isdQ. Задания на ток возбуждения if* и сигнал ошибки на входе ПИ-регулятора тока возбуждения вычисляются в блоке If. Электромагнитная инерция цепи возбуждения характеризуется переходной постоянной времени. Компенсировать постоянную времени обмотки возбуждения и обеспечить требуемое быстродействие в контуре регулирования тока возбуждения позволяет ПИ-регулятор, параметры которого определяются в результате оптимизации дифференциального уравнения для цепи возбуждения. Микропроцессорный идентификатор угла нагрузки синхронного двигателя. Идентификатор угла δ должен вычислять значение угла нагрузки по легко измеряемым координатам синхронного двигателя (току if и напряжению uf цепи возбуждения, активному и реактивному токам и напряжению статора). Для вычисления угла нагрузки напряжение статора us и ток возбуждения if (рис. 4) измеряются непосредственно, а потокосцепление ψf вычисляется в соответствии с математической моделью. Активный isy и реактивный isx токи статора вычисляются через фазные токи и напряжения статора в физических координатах. Таким образом, для косвенного измерения угла нагрузки используются сигналы датчика тока возбуждения (ДТР), датчика напряжения возбуждения (ДНР), датчика тока (ДТС) и напряжения (ДНС) статора (см. рис. 3). При выборе элементной базы информационной части системы автоматического регулирования следует ориентироваться на программируемый логический контроллер, применение которого не только повышает надежность системы в целом, но и снижает затраты на ее проектирование, изготовление, наладку и возможный ремонт [21-24]. Разработанная система автоматического регулирования возбуждения позволяет стабилизировать реактивную мощность, коэффициент мощности, напряжение на статоре синхронного двигателя. Идентификатор угла нагрузки синхронного двигателя (см. рис. 4) позволяет вычислять угол δ как в статических, так и в динамических режимах работы машины, благодаря чему возможно обеспечение своевременной форсировки возбуждения, предупреждающей переход двигателя в асинхронный режим. Разработанные модели синхронного двигателя, системы автоматического регулирования возбуждением и идентификатора угла нагрузки двигателя позволяют производить математическое моделирование динамических режимов системы АРВ - СД на персональном компьютере (ПК). Полученные с помощью моделирования графики переходных процессов подтверждают работоспособность системы автоматического регулирования возбуждением и идентификатора угла нагрузки. ДТР ДНР СД ДТС ДНС Сеть if uf yf(0) 1/s yf k3 k2 k1 Lsf if uf ys isx isy d ua, ub, uc ia, ib, ic us isx, isy g isa, isb d0 usa, usb, g rf Ls Ls Вычисление потокосцепления yf(0) Вычисление статического угла нагрузки Блок преобразования координат Блок преобразования координат + - + - + + + - Рис. 4. Структурная схема идентификатора угла нагрузки синхронного двигателя Для проверки работоспособности идентификатора угла нагрузки разработана модель синхронного двигателя с идентификатором угла нагрузки и его производной для ПК. При моделировании было введено допущение, что параметры схемы замещения синхронного двигателя известны точно и являются неизменными, а помеха на входе интегратора отсутствует. В результате моделирования работы идентификатора при сбросе и набросе нагрузки синхронного двигателя получены графики потокосцепления обмотки возбуждения ψf и угла нагрузки δ синхронного двигателя, а также изменения скольжения ротора S (производной угла нагрузки). Графики переходных процессов в системе АРВ-СД свидетельствуют о незначительных отклонениях реактивного тока синхронного двигателя от заданного значения при снижении колебаний активного тока статора, что подтверждает предположение об адекватности и приемлемой точности работы идентификатора в динамических режимах работы синхронного двигателя. Анализ работы системы. Для проверки работоспособности идентификатора угла нагрузки в среде Simulink разработана соответствующая структурная схема синхронного двигателя с идентификатором угла нагрузки и его производной [25-32]. В результате моделирования работы идентификатора при сбросе и набросе нагрузки синхронного двигателя получены графики потокосцепления обмотки возбуждения Ψf и угла нагрузки δ синхронного двигателя (рис. 5). Также представлены графики изменения скольжения ротора S (производной угла нагрузки). Результаты моделирования на ПК свидетельствуют о высокой точности разработанной системы автоматического регулирования и алгоритмов косвенного измерения угла нагрузки по токам и напряжениям в статорных контурах синхронного двигателя и в его обмотке возбуждения без использования дорогостоящих датчиков, размещенных внутри и на валу синхронного электродвигателя. Выводы 1. Разработаны принципы построения идентификатора угла нагрузки синхронного двигателя и структурная схема его реализации. Показано, что расчетные значения угла δ по разработанной модели имеют максимальную ошибку по отношению к экспериментальным данным не более 7 %. jf, Вб d, эл. град S t, c Рис. 5. Идентификация угла нагрузки и скольжения ротора при сбросе нагрузки от 2,0 до 0,5 Mном: 1 - теоретические изменения значений величин; 2 - значения величин, вычисляемые косвенно 2. В рамках модернизации систем автоматического регулирования возбуждением синхронного двигателя электроприводных газоперекачивающих агрегатов разработаны модели синхронного двигателя и структурные схемы автоматического регулирования возбуждением и микропроцессорного идентификатора угла нагрузки машины. Математическое моделирование динамических режимов системы АРВ-СД на ПК подтвердило адекватность косвенного вычисления угла нагрузки синхронного двигателя с приемлемой точностью. 3. Разработана система автоматического регулирования возбуждением синхронного двигателя, позволяющая учитывать изменение угла δ с воздействием на ток возбуждения, чем снижаются колебания ротора при изменении возмущения для различных законов управления. При этом существенно снижаются и демпфируются колебания ротора, тока возбуждения (2-3 колебания против 7-8 колебаний в классическом варианте системы АРВ). Наиболее тяжелым является режим поддержания заданного cosφ, при котором при набросе и сбросе нагрузки время переходного процесса в 2-3 раза больше. Особенно это проявляется при ограничении максимального напряжения возбуждения. 4. Разработанная система АРВ позволяет стабилизировать реактивную мощность, коэффициент мощности и напряжение на статоре синхронного двигателя. Идентификатор угла нагрузки синхронного двигателя позволяет вычислять угол δ как в статических, так и в динамических режимах работы синхронного двигателя, благодаря чему возможно обеспечение своевременной форсировки возбуждения, предупреждающей переход двигателя в асинхронный режим.

About the authors

O. V Kryukov

JSC «Giprogazcenter»

Email: o.kryukov@ggc.nnov.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 20

PDF (Russian) - 9

Refbacks

• There are currently no refbacks.