Применение частотно-регулируемого электропривода для управления направляющим аппаратом гидротурбины на Ульяновской малой ГЭС

ЭНЕРГЕТИКА

УДК 697.31

А. Л. КИСЛИЦЫН, Н. Н. СУББОТИНА

применение частотно-регулируемого электропривода для управления направляющим аппаратом гидротурбины на ульяновской малой гэс

I

Рассматривается применение частотно-регулируемого электропривода для управления направляющим аппаратом гидротурбины на Ульяновской малой ГЭС (мГЭС).

Ключевые слова: гидротурбина, электропривод, механизм электрический прямоходный, управление, направляющий аппарат, асинхронный двигатель, преобразователь частоты.

В настоящее время на ГЭС используется основной способ регулирования направляющего аппарата (НА) гидротурбины (ГТ) - гидравлический, с помощью маслонапорной установки (МНУ). Данный способ регулирования используется на ГЭС, которые работают в основном на изолированную нагрузку, т. е. независимо вырабатывают электроэнергию. Основной задачей системы регулирования является поддержание постоянной частоты сети 50 Гц. Поэтому при данном типе нагрузки используется гидравлическая система регулирования, т. к. она менее инерционна.

Ульяновская малая ГЭС на выпускном коллекторе городских очистных сооружений, расположенная в правобережье, имеет суммарную мощность 1,2 МВт. Основной задачей данной мГЭС является работа только на параллельную нагрузку, т. е. выработка дополнительной электроэнергии в электросеть и на собственные нужды станции. Поэтому для управления НА ГТ целесообразно использовать в ней вместо гидравлики компактный электропривод, включающий в себя механизм электрический прямоходный (МЭП), выпускаемый ОАО «Прибор», и преобразователь частоты VFD-M фирмы «Delta Electronics».

Электромеханизм МЭП-15000/10-125 ПЧ (далее механизм) является регулирующим вентильным электроприводом.

Он предназначен для управления прямоход-ной регулирующей арматурой (шиберной, дроссельной, запорно-дроссельной и иной регулирующей энергетической арматурой) в системах автоматического управления технологическими процессами на тепловых электростанциях, котельных, компрессорных станциях и т. п.

A. JL Кислицын, Н. Н. Субботина, 2007

Механизм предназначен для управления НА ГТ. Направляющий аппарат предназначен для создания и закрутки потока воды, поступающего на рабочее колесо, регулирования расхода воды в соответствии с заданной мощностью и скоростью вращения турбины, запирания турбины при закрытом положении направляющих лопаток и защиты гидроагрегата от разгона.

Механизм обеспечивает выполнение следующих операций:

- закрытие и открытие арматуры на заданный ход по сигналам АСУ ТП либо пульта управления (имитатора АСУ ТП), в зависимости от их длительности;'

- контроль положения выходного органа механизма по шкале местного указателя положения, расположенной на механизме;

- выдачу информации о текущем положении рабочего органа механизма (арматуры) в виде стандартного аналогового сигнала 4...20 (0...5, 0...20) мА при помощи встроенного токового датчика;

- автоматическое отключение электродвигателя механизма при достижении рабочим органом арматуры конечного положения;

- автоматическое отключение электродвигателя механизма выключателями ограничения предельного усилия при достижении выходным органом механизма упоров арматуры или заклинивании подвижных частей арматуры;

- отсутствие самоперемещения рабочего органа арматуры под действием рабочей среды при отсутствии электропитания;

- выдачу в БУП МЭП-ПЧ сигналов:

а) конечного положения выходного органа механизма «ОТКРЫТО»;

б) конечного положения выходного органа механизма «ЗАКРЫТО»;

в) превышения усилия при открытии выходного органа механизма «Рмакс.Откр.»;

г) превышения усилия при закрытии выходного органа механизма «Рмакс.Закр.»;

. д) промежуточного положения в направлении открытия выходного органа механизма «Путев.Откр.»;

е) промежуточного положения в направлении закрытия выходного органа механизма «Пу-тев.Закр.»;

ж) о готовности механизма к работе (кабели присоединены к разъёмам механизма).

Электромеханизм МЭП состоит из рабочего органа - штока, передачи винт-гайка с трением качения, асинхронного двигателя, силового редуктора, электромагнитной муфты удержания, узла ручного привода с муфтой предельного усилия и устройством подтормаживания, узла микропереключателей предельного усилия, узла конечных и путевых (промежуточных) микропереключателей, резистора положения, указателя положения штока, токового датчика положения 4...20 (0...5, 0...20) мА, трёх штепсельных разъёмов и клеммы заземления, смонтированных в общем корпусе.

Применение МЭП на малых ГЭС, работающих на параллельную нагрузку, выгодно с точки зрения экономической эффективности, т. к. стоимость МЭП и преобразователя частоты (ПЧ) значительно уступает стоимости гидравлической станции. Частые пуски приводных асинхронных двигателей из-за ступенчатого (количественного) регулирования сопровождаются значительными электродинамическими воздействиями на них и сети электроснабжения. Всё это приводит к непроизводительному расходованию ресурсов на дорогостоящие ремонты. Снижение энергопотребления и затрат на ремонты электромеханического и электрического оборудования, яв-

ляющееся одним из важных направлений энергосбережения, достигается за счёт экономичного изменения производительности МЭП, обеспечиваемого регулированием частоты вращения двигателя. К тому же, благодаря использованию частотного регулирования ЭП, появляется возможность плавного пуска и останова двигателя, увеличивающая срок службы оборудования.

Особенности частотно-регулируемых электроприводов, установленных на мГЭС

Преобразователь частоты выбирается по двум параметрам:

1. Номинальному выходному току преобразователя, который необходимо выбирать равным номинальному току электродвигателя.

2. Полной выходной мощности преобразователя, ориентируясь на номинальную мощность электродвигателя.

Для МЭП выбирают преобразователь серии УЕО-М.

Особенности ПЧ:

Простая конструкция, малые габариты и масса, возможность монтажа как на стенку, так и на ВШ-рейку.

- Реализует вольт-частотный способ управления двигателем, с широкой возможностью корректировки зависимостей ивых = Г(РВЫХ) и

А вых = Щ,пр).

- Частота ШИМ устанавливается пользователем в диапазоне от 3 до 10 кГц..

- Автоматическая стабилизация напряжения на двигателе (АУЛ).

- Подъём начального пускового момента и компенсация скольжения.

- Встроенный тормозной ключ, динамическое торможение двигателя и торможение постоянным током.

VFD 007М

преобразователь частоты

Я Т М1 МО МЗ GND и V И/ В1 В2

орм

к- н

Х2 < БУП МЭП-ПЧ хз > J

АСУТП

—220 В50Гц

Рис. 1. Схема подключения механизма при эксплуатации

- Встроенный PLC (программируемый логический контроллер), реализующий работу по циклограмме с использованием восьми предустановленных частот вращения, изменением направления вращения и времени работы на каждом шаге.

- Встроенный ПИД-регулятор для эффективной работы привода в замкнутой системе автоматического регулирования, например, по давлению или расходу в системах теп-ло- и водоснабжения.

- Индикация сигнала обратной связи в контуре ПИД-регулирования.

- Управление по состоянию внутреннего счётчика и количеству импульсов, поступающих с датчика подсчёта дискретных событий, например, датчика подсчёта количества изделий, проходящих по конвейеру.

- Последовательный интерфейс RS-485 (MODBUS со скоростью обмена до 38 400 бод).

- Автоматический рестарт после кратковременного пропадания питающего напряжения.

- Режим автоматического выбора наименьшего времени разгона и торможения.

- Синхронизация с вращающимся двигателем.

- Перегрузочная способность - 150% от номинального момента в течение 60 секунд.

- Работа преобразователя в составе конкретного устройства может быть оптимизирована с помощью его параметрирования (всего 119 программируемых параметров, разбитых на 10 функциональных групп). Па-

раметрирование осуществляется пользователем со встроенного пульта управления или по последовательному интерфейсу.

- Встроенный радиочастотный фильтр класса В (для однофазных моделей).

- 6 дискретных входов (из них. 4 многофункциональных программируемых).

- 1 аналоговый вход (4...20мА или 0...10В).

- 1 релейный и 1 цифровой (с открытым коллектором) многофункциональные программируемые выходы.

- 1 аналоговый выход.

На рис. 2. показана принципиальная электрическая схема силовой части ПЧ. Она состоит из неуправляемого выпрямителя, промежуточного контура постоянного тока, включающего реактор Ь, конденсатор С и автономного инвертора напряжения, выполненного на ГСВТ транзисторах с управлением по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Система управления преобразователем строится на основе специализированных узлов управления ключами - драйверов. Выбор драйверов производится по требуемым напряжению питания преобразователя и току цепей управления силовыми ключами. На рис. 3 показана принципиальная схема выбранного драйвера

ШИЗ.

ю

СП --

Km ?ш

А

f

В

V?h

=ф--CD

V»

R2

м

№

•ц*

V Тбг-А

Й5 ^ *

W7p

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема силовой части ПЧ

Уссо-

HIN1,2,3 о-UN1.2,К FAUL Т „

FLT-CLR

SD с

R1

R2 6ND ь-

R3

ri

Г7:

ДО/ fcb-

1

а

ю

R6

R4

£Z3

R5

с=н

о-

и

о

Vcc tt /л

Him,2,3 V В 1,2,3

UMt 2,1

hAULI H01,2,3

imp

VSIZ3

Fi T-CLR

SD

CAO

CA

Vcc CA* LOt2.3

СОИ

12.

Ü

к

Л.

ÜL

С?

гз

£7

-cz>

Um

z

Рис. 3. Принципиальная схема драйвера IR2133

Kn

PT

Trp + 1

Рис. 4. Структурная схема автоматического управления МЭП

На рис.4 приведена структурная схема автоматического управления. Данная система является замкнутой с обратными связями по току, скорости, положению.

Она соответствует режиму скалярного управления асинхронным двигателем по закону Ulf-- const. Двигатель характеризуется следующими параметрами: К^, J^ , Тэ, К^. Параметры связаны с каталожными данными двигателя следующими формулами:

2 М

Кд =

к

со 0sK

Т =

1Э

1

(Üf\5v

О к

1 м

н

где К^ - коэффициент передачи двигателя

(показатель жёсткости механической характеристики);

Тэ - электрическая постоянная времени двигателя;

- суммарный момент инерции электропривода;

К^ - коэффициент передачи двигателя по току; сс>0 - синхронная частота двигателя;

М,, - критический момент;

к

sK - критическое скольжение; J^ - момент инерции двигателя;

Зпр - приведённый момент инерции меха-

низма;

I^ - номинальный ток статора; Мн - номинальный момент.

Преобразователь мощности с системой управления характеризуется значениями Тп и

и

К}1. Кп определяется из отношения Кп =

ф

и

У

где IIу - напряжение управления. Значение Тп определяется величинами сопротивления Яф и ёмкости Сф , стоящих в сглаживающем фильтре между выпрямителем и инвертором Тп - СфЯф.

Величина ёмкости Сф выбирается из условия

сглаживания пульсаций и обеспечения протекания реактивной мощности от двигателя.

Сф [мкф] > 110Р[кВт]. Величину сопротивления Яф можно выбирать из соотношения

7?

50 Я

ф

и

I

И

КТ - коэффициент обратной связи по току, приведённой к цепи управления;

тэР+1 1

ш -

уу рТ

2 Тэ (Тэр +1 2Тэк^р

передаточная функция регулятора тока;

К - коэффициент обратной связи по скорости;

^ М^Т ^ос IV =-=- — передаточная функ-

• рс кЛТгг

Т

\зс

ция регулятора скорости;

Тм - электромеханическая постоянная времени привода;

К ^ — коэффициент передачи винт-гайка;

К „ — передаточный коэффициент редуктора;

Р

р ^оп ' рп

передаточная функция регуля-

К

п

тора положения.

Управление МЭП с помощью стойки автоматического управления гидроагрегатом

Стойка, выпускаемая ОАО «УКБП», предназначена для автоматического управления гидроагрегатом малой ГЭС на сточных водах в г. Ульяновске и выполнения функций цифрового регулятора гидротурбины, термоконтроля, автоматической и ручной синхронизации, технологической автоматики и автоматики управления вспомогательным оборудованием. Стойка обеспечивает автоматическое управление ГА малой ГЭС без постоянного присутствия обслуживающего персонала, а также представление информации о состоянии ГА на панели оператора в виде мне-мокадров и передачу данных по локальной сети на диспетчерский пульт.

Объектом автоматизации является гидроагрегат малой ГЭС. Стойка входит в состав системы автоматического управления малой ГЭС и должна обеспечивать взаимодействие со следующим оборудованием:

- гидротурбиной - Р0230-Г-50;

- гидрогенератором - СГ1 85/59-6;

- системой возбуждения ГГ - ЕХ-8Р-250-36С;

- генераторным выключателем;

- механизмом определения частоты вращения ГТ;

- механизмом электрическим прямоход-ным - МЭП-15000/10-125ПЧ;

- затвором водовода - ДУ1000 с электроприводом НВ25;

- затвором ГТ - ДУ600 с электроприводом

НВ05;

- вспомогательным оборудованием ГА.

Выводы

Применение частотно-регулируемого электропривода МЭП на Ульяновской мГЭС позволяет достичь следующих положительных результатов:

- появляется возможность плавного пуска и останова двигателя, увеличивающая срок службы оборудования;

- снижается энергопотребление за счёт применения частотного управления ЭП;

- уменьшается общая стоимость мГЭС;

- благодаря стойке СУГ-1М-2 обеспечивается автоматизация управления ЭП без постоянного присутствия обслуживающего персонала.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бесекерский, В. А. Теория систем автоматического управления / В. А. Бесекерский,

Е. П. Попов.- СПб. : Изд-во «Профессия», 2003. -752 с.

2. Гаркави, Ю. Е. Регулирование гидротурбин / Ю. Е. Гаркави, М. И. Смирнов. - М.-Л. : Машгиз, 1954.

3. Преобразователь частоты // Руководство по эксплуатации. - М., 2000.

4. Преобразователи частоты в современном электроприводе // Доклады научно-практичес-кого семинара. - М. : Изд-во МЭИ, 1998. -72 с.

5. Применение частотно-регулируемых электроприводов // Электротехника. - 2005. - № 8.

6. Система автоматического управления гидроагрегатом Ульяновской малой ГЭС // Тех-ническое задание 32.34.748.01-0 ТЗ.

7. Электромеханизм МЭП-15000/10-125 // Руководство по эксплуатации. - Курск : ОАО «Прибор», 2000.

Кислицын Анатолий Леонидович, кандидат технических наук, профессор кафедры «Электропривод и АПУ» УлГТУ.

Субботина Наталья Николаевна, инэюенер НИО-26 ОАО «УКБП».1 Область интересов: системы автоматического управления гидроагрегатами на ГЭС и мГЭС.

УДК 621.313.333

%

В. Н. ДМИТРИЕВ, А. А. ГОРБУНОВ

синтез резонансной системы автоматического

управления вибрационного электропривода

Рассматривается синтез резонансной системы автоматического управления вибрационным электроприводомпозволяющей на современной элементной базе решить одну из главных задач вибрационных испытательных установок по нахождению резонансного режима работы и его поддержанию при изменении параметров технологического процесса.

Ключевые слова: вибрационный электропривод, резонанс, система автоматического управления.

Из практики применения виброиспытательных установок известно, что свойства объекта испытания наиболее полно проявляются при совпадении частоты собственных колебаний системы с частотой вынужденных колебаний, то есть при резонансе. Установлено, что резонанс позволяет обнаружить и исследовать фундаментальные свойства собственных колебаний системы, а резкое возрастание в резонансе деформаций системы равносильно приложению значительных нагрузок, что позволяет исследовать работу испытуемого объекта при интенсивных вибрациях и больших усилиях [1]. Также известно, что резонансный режим работы виброустановки является наиболее выгодным с экономической точки зрения. Однако резонансные системы имеют и недостатки, главным из которых является нестабильность рабочего режима при изменении загрузки вибромашины, а также собственной или вынуждающей частоты колебаний. Эта нестабильность часто является причиной нарушения технологического процесса.

В. Н. Дмитриев, А. А. Горбунов, 2007

Рост сферы применения вибрационного способа испытаний высветил ряд новых задач, которые непосредственно связаны с разработкой и применением наиболее оптимального вибровозбудителя колебаний. Используя выводы, полученные в работах [1, 2, 3 и др.], можно утверждать, что наиболее эффективным типом вибропривода в данном случае является частотно-управляемый асинхронный дебалансный вибро--двигатель (АДВД). Причём системе автоматического управления электроприводом требуется, помимо обеспечения оптимальных переходных процессов, выполнить поиск и поддержание резонансного режима, а также обеспечить постоянство амплитуды колебаний испытуемого объекта. Вопросы синтеза подобных систем, несмотря на свою актуальность, сегодня недостаточно полно отражены в технической литературе.

Данная статья посвящена разработке системы автоматического управления (САУ) вибродвигателем, выполняющей поиск резонансного режима и его поддержание без участия оператора. Причём резонансная точка заранее неизвестна, и