Пуско-регулирующее устройство на базе статического компенсатора реактивной мощности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Смирнов, Михаил Иванович

• Смирнов, Михаил Иванович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Смирнов, Михаил Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОПИСАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ УСТРОЙСТВ И МЕТОДОВ ПУСКА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.

1.1. Достоинства и недостатки использующихся методов и устройств пуска

1.2. Энергосбережение в электроприводе.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ НОВОГО ВИДА

ПУСКО-РЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА.

2.1. Конструкция и принцип действия статического компенсатора реактивной мощности.

2.2. Ключевые полупроводниковые приборы компенсатора, особенности их выбора и применения.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

ПУСКО - РЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА.

3.1. Разработка системы управления статического компенсатора ПРУ

3.2. Вычисление мощности компенсации ПРУ.

3.3. Система управления модуляцией напряжения и тока компенсатора.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ПРУ И АД 4.1. Анализ электромагнитных процессов асинхронного двигателя.

4.1.1. Математическое описание обобщенной электрической ^ машины.

4.1.2. Математическое моделирование динамических режимов работы двигателя.

4.1.3. Определение электромагнитного момента асинхронного двигателя.

4.2. Расчёт электроэнергетических параметров ПРУ.

4.3. Управление электромагнитным моментом двигателя посредством изменения мощности компенсации ПРУ.

4.3.1. Пуск двигателя с потреблением энергии накопителя

4.3.2. Управление электромагнитным моментом двигателя в ^ процессе пуска.

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРУ И АД

Выводы по главе 5.

ГЛАВА 6. МЕТОДИКА РАСЧЁТА И ВЫБОРА СИЛОВЫХ

КОМПОНЕНТОВ ПРУ.

Выводы по главе 6.

ГЛАВА 7. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПУСКО

РЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

Выводы по главе 7.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пуско-регулирующее устройство на базе статического компенсатора реактивной мощности»

При питании асинхронного двигателя от сети электроснабжения ограниченной мощности (мощность сети сопоставима с мощностью двигателя) в процессе пуска напряжения питания двигателя уменьшается, что обуславливается большой величиной пускового тока двигателя. Это приводит к нарушению нормального функционирования электрооборудования, что ни может не сказаться на эффективности и надежности работы машины [4, 5]. Существующие на сегодняшний день методы пуска АД не решают задачу формирования требуемой для конкретного АД пусковой характеристики. Они не обеспечивают селективности ограничения тока - ограничивают не только реактивную составляющую тока двигателя, но и активную составляющую тока двигателя, что приводит к снижению потребления активной мощности двигателем в процессе пуска, и снижению перегрузочной способности двигателя в процессе пуска. При питании двигателя от сети ограниченной мощности снижение перегрузочной способности двигателя обусловлено уменьшением напряжения питания двигателя из-за увеличения падения напряжения на сопротивлении питающей сети. Снижению пускового момента двигателя приводит к затягиванию процесса пуска или его срыву, когда момент нагрузки на валу двигателя становится больше момента, развиваемого двигателем [7].

Благодаря простой конструкции, простоте обслуживания и высокой надёжности, распространение получил электропривод на основе асинхронного электродвигателя (АД). Пуск АД осуществляется самыми различными способами. Самый простой из них - прямое включение обмоток двигателя в питающую сеть. При этом наблюдаются два неблагоприятных фактора - большая кратность начального пускового тока и колебательный, затухающий характер пускового момента двигателя. Большие пусковые токи вызывают значительные просадки напряжения на питающих шинах подстанции (при соизмеримой мощности подстанции и двигателя), что нарушает работу, как других потребителей, подключённых к этой подстанции, так и самого двигателя. Значительные колебания момента двигателя на начальном этапе пуска, которые могут превышать 4-г5 кратное значение номинального момента, создают неблагоприятные условия для работы механики. Существуют и другие методы пуска: пуск переключением обмоток со звезды на треугольник, пуск с последовательным включением токоограничивающих реакторов, пуск с параллельным включением конденсаторов, пуск с использованием преобразователя частоты или регулятора напряжения на базе встречно-параллельно включённых тиристоров [3]. Все эти методы и устройства и пуска двигателя имеют различные недостатки, поэтому целью данной работы является разработка устройства пуска нового вида с улучшенными технико-экономическими показателями.

ГЛАВА 1.

ОПИСАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ УСТРОЙСТВ И МЕТОДОВ ПУСКА

АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Смирнов, Михаил Иванович

Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Созданы схемотехнические решения и принципиальные схемы нового вида ПРУ на базе статического компенсатора реактивной мощности с улучшенными технико-экономическими показателями. ПРУ повышает энергоэффективность работы двигателя в установившемся режиме работы за счёт компенсации его реактивной мощности. Основная область применения нового вида ПРУ - пуск двигателя от сети ограниченной мощности, с целью уменьшения пускового тока, потребляемого из сети и увеличения перегрузочной способности двигателя в пусковом и статическом режимах работы.

2. Благодаря использованию статического компенсатора реактивной мощности ПРУ имеет ряд преимуществ по сравнению с устройством пуска на базе конденсаторного компенсатора реактивной мощности двигателя:

3. Были разработаны алгоритмы управления ПРУ для различных режимов работы. Разработана цифровая система управления на основе микроконтроллера, позволяющая обеспечить высокое качество регулирования и адаптивность к изменяющимся внешним условиям работы.

4. На основе проведённого анализа совместной работы ПРУ и АД выведены расчётные соотношения для определения необходимых электроэнергетических параметров ПРУ, рассчитанного на запуск конкретного двигателя.

5. Создана математическая модель ПРУ и двигателя в программе Simulink программного комплекса Matlab. Получены данные моделирования пуска двигателя при помощи ПРУ, показывающие эффективность его использования.

6. Разработана инженерная методика расчёта параметров силовых компонентов компенсатора ПРУ.

7. Было проведено экспериментальное исследование работы ПРУ в режиме генерации реактивной мощности было выполнено на физическом макете, предназначенном для подключения к трехфазной сети 0,4кВ, 50 Гц. Полученные результаты работы макета статического компенсатора ПРУ показывают высокую эффективность разработанной цифровой системы управления компенсатора ПРУ.

147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Смирнов, Михаил Иванович, 2007 год

1. Розанов Ю. К. Основы силовой электроники М.: Энергоатомиздат, 1992.-296 с.

2. Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 136 с.

3. Ильинский Н.Ф., Юнькова М.Г. Автоматизированный электропривод. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 544 с.

4. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока.- M.-JI.: Госэнергоиздат, 1963.-744 с.

5. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. М.: Энергия, 1970.- 518 с.

6. Казовский Е. Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. М. - JI. Издательство академии наук СССР. - 1962.- 624 с.

7. Гольдберг О.Д, Буль О.Б, Свириденко И.С, Хелемская С.П. Переходные процессы в электрических машинах и аппаратах и вопросы их проектирования.- М.: Выш. шк., 2001. 512с.

8. Копылов И.П., Математическое моделирование электрических машин. -М.: Выш. шк., 1987. 248с.

9. Герман-Галкин С.Г., Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. СПб.: Корона принт, 2001.- 320с.

10. Соколов М.М, Петров Л.П, Масандилов Л.Б. Электромагнитные переходные процессы в асинхронным электроприводе. М.: Выш. шк., 1985, 151с.

11. П.Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. М.: Издательство МЭИ, 2003, 224с.

12. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. Л: Энергия. Ленингр. Отд-ниеб, 1980, 256с.

13. Дьяконов В .П. Matlab 6/6.1/6.5 Simulink 4.5 в математике и моделированиию. -М.: 2003.-214 с.

14. Электрические и электронные аппараты: Учебник для ВУЗов / под ред. Ю. К. Розанова 2-е изд., испр. и доп.- М.: Информэлектро, 2001.- 421 с.

15. И. Мжельский, Е.Б. Мжельская Составление моделей анализа систем, методическое пособие.- М.: МЭИ, 2000.- 17 с.

16. Mohan N., Underland Т. М., Robbins W. P. Power Electronics Converters, application and design New York: John Wiley and Sons, 1995- 820 p.

17. Выготский M. Я. Справочник по высшей математике- M.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957.-620 с.

18. Skvarenina Т. Power Electronics Handbook- Boca Raton: CRC Press, 2002,- 664 p.

19. Rashid M. Power Electronics Handbook В.: Academic Press, 2001.-895 P-+

20. Sabin D., Sundaram A. Quality Enhances Reliability // Spectrum IEEE-1996.- №2.-P. 38-44.

21. Redl R., Tenti P., Van Wyk J.D. Power electronics' polluting effects // Spectrum IEEE.- 1997.- №5.- P. 32-39.

22. Cameron M. M. Trends in Power Factor Correction with Harmonic Filtering // Spectrum IEEE.- 1993.- № 7.- P. 45^18.

23. Pitel I., Talukdar S. A review of the effects and suppression of power converter harmonics // IAS annual meeting: Тез. докл.- W., 1977 P. 119127.

24. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий.-М.: Энергоатомиздат, 1984.-272 с.

25. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии-М.: Энергоатомиздат, 1985.-224 с.

26. Электротехническая продукция Schneider Electric: Каталог / Schneider Electric-P.,2002- 105 с.

27. Климов В. П., Москалев А. Д. Способы подавления высших гармоник тока в системах электропитания М.: АОЗТ ММП-Ирбис, 2002 - 8 с.+

28. Houdek J. A. Economical Solutions to Meet Harmonic Distortion Limits-P.: MTE Corporation, 1999.- 5 p.

29. Dugan R. C., McGranaghan M. F., Beaty H. W. Electrical Power Systems Quality.- L.: McGraw-Hill, 1996.- 265 p.

30. ГОСТ 13109-97. Показатели качества электроэнергии- М.: Изд-во стандартов, 1999.-25 с.

31. Collombet С., Lupin J. М., Shonek J. Harmonic disturbances in networks and their treatment // Schneider Electric cahiers techniques 1999 - №15231 p.

32. Collombet M., Lacroix B. LV circuit breakers confronted with harmonics, transients and cyclic currents // Schneider Electric cahiers techniques-1999-№192 -16 p.

33. N 50160. Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems D.: Standards, 1999 - 38 p.

34. IEC 61000-3-2. Electromagnetic compatibility (EMC). Limits for harmonic current emissions (equipment input current up to and including 16 A per phase).- D.: Standards, 2001 30 p.

35. IEEE-519. IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems,.- W.: JSC, 1992 65 p.

36. Guide to harmonics with AC drives S.: ABB Industry, 2002 - 32 p.

37. Ивакин В. H., Сысоева Н. Г., Худяков В. В. Электропередачи и вставки постоянного тока и статические тиристорные компенсаторы- М.: Энергоатомиздат, 1993.-420 с.

38. Иванов В. С., Соколов В. И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий-М.: Энергоатомиздат, 1987-336 с.

39. Gyugyi L., Stricula E. C. Active AC Power Filters // IAS annual meeting: Тез. докл.-В., 1976.-P. 529-535.

40. Stacey E. J., Strycula E. C. Hybrid power filters // IAS annual meeting: Тез. докл.- W., 1977.-P. 1133-1140.

41. Чжан Дайжун. Исследование активных фильтров-компенсаторов на базе мостового инвертора для динамической компенсации неактивной составляющей мощности: Дис. канд. техн. Наук М., МЭИ, 1993 - 129 с.

42. Рябчицкий М. В. Регулятор качества электроэнергии: Дис. канд. техн. наук.- М., МЭИ, 1999.- 119 с.

43. Кваснюк А. А. Регулятор качества электроэнергии с расширенной областью функциональных возможностей: Дис. канд. техн. наук М., МЭИ, 2002.-133 с.

44. Иванов И. В. Исследование и разработка регулятора сетевого фильтра высших гармоник для систем автономного электроснабжения: Дис. канд. техн. наук М., МЭИ, 1993 - 146 с.

45. Гапеенков А.В. Анализ и разработка способов улучшения электромагнитной совместимости в автономных системах электроснабжения: Дис. канд. техн. наук.-М., МЭИ, 1999 155 с.

46. Стрикос Д. Анализ и исследование нового класса силовых фильтров для трехфазных промышленных сетей 380 В: Дис. канд. техн. наук.- М., МЭИ, 2000,- 162 с.

47. Электротехническая продукция Electronicon: Каталог / Electronicon-М., 2002,-30 с.

48. Демирчян К. С. Теоретические основы электротехники: Учебник для ВУЗов. В 3-х томах. Том 1. Изд. 4 М.: Изд-во СПБ Питер, 2004 - 463 с.+

49. Электротехнический справочник: В 4 т. / под. ред. Герасимова В. Г.-М.: Изд-во МЭИ, 2003. Т. 2.- 518 с.

50. Akagi H. New trends in active filters for power conditioning // IEEE Transactions on industry applications 1996.- vol.32.- №6- P. 1312-1322.

51. Akagi H. Control strategy and site selection of a shunt active filter for damping of harmonic propagation in power distribution systems // IEEE Transactions on power delivery 1997 - vol.12.- №1- P. 354-363.

52. Розанов Ю. К., Рябчицкий M. В., Кваснюк А. А. Новые функции активного фильтра // Межвузовский сборник научных трудов / ЧГУ-1998.-С. 45-49.

53. Le Roux A. D., Mouton Hd. Т., Akagi Н. Digital control of an integrated series active filter and diode rectifier with voltage regulation // IEEE Transactions on industry applications 2003 - vol.39.- №6 - P. 1814-1820.

54. Aredes M., Monteiro L. F. C., Mourente J. Control strategies for series and shunt active filters // IEEE PowerTech Conference Proceedings: Тез. докл-B., 2003.-P. 23-29.

55. Hyosung К., Akagi H. The instantaneous power theory on the rotating p-q-r reference frames // Power Electronics and Drive Systems Conference: Тез. докл.-Т., 1999.-P. 422-427.

56. Розанов Ю. К., Гринберг Р. П. Вопросы управления гибридными фильтрами // IV Международная конференция «Электротехника, Электромеханика и Электротехнологии»: Тез. докл.- Клязьма, 2000 С. 365-366.

57. Bhattacharia S., Divan D. M., Banejee B. Active filter solutions for utility interface // IEEE ISIE conference: Тез. докл.- P., 1995 P. 53-61.

58. Fujita H., Akagi H., Nabae A. A combined system of shunt passive and series active filters an alternative to shunt active filters // EPE conference: Тез. докл.- S., 1991.- P. 12-17.

59. Четги П. Проектирование ключевых источников электропитания М.: Энергоатомиздат, 1990.-420 с.

60. Ковалев Ф. И. Статические агрегаты бесперебойного питания М.: Энергоатомиздат, 1992.-288 с.

61. Мустафа Г.М., Ковалев Ф.И. Сравнительный анализ трех способов управления импульсными следящими инверторами // Электричество-1989.-№2.- с. 29-37.

62. Srianthumrong S., Fujita Н., Akagi Н. Stability analysis of a series active filter integrated with a double series diode rectifier // IEEE Transactions on power electronics 2002 - vol.17.- №1- P. 117-124.

63. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств Oread 9.2 М.: Солон-Р, 2001.- 700 с.

64. Розанов Ю. К., Рябчицкий М. В., Кваснюк А. А. Гринберг Р. П. Моделирование энергетических систем с фильтрами высших гармоник // Международная научно-техническая конференция «Силовая электроника и энергоэффективность»: Тез. докл.- Алушта, 2000 С. 44-45.

65. Савоськин А. Н., Кулинич Ю. М., Гринберг Р. П. Повышение коэффициента мощности электровоза // Электротехника.- 2002 №5-С. 11-16.

66. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB: Специальный справочник СПб: Питер, 2001 - 480 с.

67. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем: Специальный справочник СПб: Питер, 2002448 с.

68. Герман-Галкин С. Компьютерное моделирование преобразователей в пакете Matlab.- М.: Корона Принт, 2001.- 320 с.

69. CSNA-111: Product Datasheet / Honewell Inc.- В., 2002 5 p.

70. Isolation Amplifier HCPL 7800: Datasheet / Agilent Technologies- LA., 2002.-10 p.

71. IR components: Catalogue / International Rectifier C., 2001 - 250 p.+

72. C167CR derivatives: user's manual / Infineon Technologies- M., 2002480 p.

73. Асаи К., Ватада Д., Иваи С. Прикладные нечеткие системы: Пер. с нем.-М.: Мир, 1993.- 368 с.

74. Zadeh L. A. Fuzzy Sets // Information and control 1965 - №.8 - P. 338 -353.

75. Mamdani E. H., Assilian S. An Experiment in Linguistic Synthesis with a Fuzzy Logic Controller // In Int. J. Man-Machine Studies 1975 - vol.7.- P. 32-39.

76. Dell'Aquilla A., Liserre M., Cecatti C., Ometto A. A Fuzzy logic CC-PWM three-Phase AC-DC converter // IAS Conference: Тез. докл.- W., 2000 P. 987-992.

77. Dell'Aquilla A., Lecci A., Zanchetta P., Sumner M., Palethorpe B. Novel voltage control for active shunt power filters // ISIE conference: Тез. докл-H, 2002.-P. 924-929.