DEVELOPMENT OF ALGORITHMS OF CONTROL FREQUENCY CONVERTERS ELECTRICALLY DRIVEN GASPUMPING UNIT

Садиков Д.Г.

Инженер 2 категории ОАО «Гипрогазцентр», Аспирант, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЧАСТОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДНОГО ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА

Аннотация

В статье рассмотрены проблемы энергосбережения при эксплуатации электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА). Для экономии электроэнергии в этой области применяются высоковольтные преобразователи частоты в совокупности с высокоскоростными асинхронными двигателями. Предлагаются варианты разработки эффективных алгоритмов управления ЭГПА по выбранным критериям.

Ключевые слова: энергосбережение, электропривод, автоматизация, алгоритм управления.

Sadikov D.G.

Engeneer 2 category, JSC "Giprogazcentre", Postgraduate student, Nizhny Novgorod State Technical University

n.a. R.E. Alekseev

DEVELOPMENT OF ALGORITHMS OF CONTROL FREQUENCY CONVERTERS ELECTRICALLY DRIVEN GAS-PUMPING UNIT

Abstract

The article considers the problems of energy saving in the operation of electrically driven gas pumping unit. Energy savings in this area are used high-voltage frequency converters in conjunction with the high-speed asynchronous motors. Suggest the variants of development of effective algorithms to control electrically driven gas pumping unit on selected criterions.

Keywords: energy saving, eltcnric drive, automation, control algorithm.

В настоящее время все большую остроту принимает проблема энергосбережения, обусловленная не только ростом потребления электроэнергии в промышленности, но и ограниченностью запасов природных ресурсов. Одним из направлений решения указанной выше проблемы в области энергетики является использование перспективных схем полупроводниковых преобразователей электроэнергии и применение эффективных алгоритмов для их управления.

Сегодня во всех развитых странах свыше 60% вырабатываемой электроэнергии проходит через полупроводниковые преобразователи. В России этот показатель составляет менее 30 %. Рост этого значения до мирового уровня позволит экономить до 15-20% от всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Поэтому уровень развития силовой электроники и преобразовательной техники оказывает значительное влияние на энергетику в целом.

В данной работе рассматривается применение полупроводниковых преобразователей в электроприводах, обслуживающих газотранспортную систему.

Развитие полупроводниковой техники привело к достижению качественно нового уровня в области преобразования электрической энергии. В настоящее время для достижения оптимальных характеристик электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА) в любых режимах работы системы появилась возможность применять преобразователи частоты (ПЧ) в совокупности с высокоскоростными асинхронными двигателями (АД) в сочетании с активным магнитным подвесом ротора АД. Магнитный подвес позволяет отказаться от потребления смазки, увеличить пожаробезопасность и снизить энергопотребление агрегатов.

При использовании высокоскоростных АД встает вопрос об исключении из стандартной системы электродвигатель-редуктор-нагнетатель промежуточного звена, которым в данном случае является редуктор. Одним из вариантов решения этого вопроса является соединение на одном валу ротора двигателя и одной или нескольких ступеней нагнетателя. Это позволит повысить КПД ЭГПА, а также увеличить диапазон регулирования. Стоит также отметить, что соединение в едином моноблоке электродвигателя и нагнетателя дает выйгрыш по массогабаритным показателям системы и снижает эксплуатационные расходы.

Таким образом, преимущества от применения частотно-регулируемого привода в ЭГПА заключаются в следующем:

• • экономия электроэнергии;
  • высокий КПД;
  • низкие эксплуатационные расходы;
  • высокие массогабаритные показатели;
  • автоматическое поддержание заданного давления в напорном трубопроводе;
  • плавный пуск и остановка насосного агрегата с исключением гидроударов в системе и ударных механических нагрузок на механизм;
  • увеличение срока службы механического и электрического оборудования;
  • надежная защита электродвигателя в аварийных режимах (короткое замыкание, перегруз и т.д.);
  • снижение потребления реактивной мощности;
  • меньшее влияние на окружающую среду, по сравнению с газотурбинными ГПА.

Использование преобразователей частоты открывает широкие возможности для разработки и внедрения различных алгоритмов управления ЭГПА. Цифровые системы автоматического управления (САУ) позволяют реализовывать различные алгоритмы управления, контроля и диагностики ПЧ и ЭГПА в целом. Кроме того они более надежные и гибкие по сравнению с аналоговыми системами управления. Поэтому в дальнейшем речь пойдет именно о цифровых САУ ЭГПА.

Обобщенная схема преобразователя частоты АД с системой управления представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 Структурная схема частотно-регулируемого электропривода на базе АД

Алгоритмы управления

Современные преобразователи частоты обеспечивают формирование и регулирование основной гармоники выходного напряжения методами импульсной модуляции. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) по синусоидальному закону получила наибольшее распространение на практике, несмотря на низкое использование напряжения источника питания.

Существуют два подхода к решению данной задачи: модифицирование алгоритмов синусоидальной центрированной ШИМ путем введения третьей гармоники синусоидального сигнала, пилообразного сигнала и т.д. и переход к широтно-импульсной модуляции базовых векторов или векторной ШИМ (ВШИМ). Модификации синусоидальной центрированной ШИМ имеют существенный недостаток – ухудшение гармонического состава выходного напряжения ПЧ. Более перспективным средством достижения поставленной цели является векторная ШИМ, которая позволяет увеличить выходное напряжение преобразователя частоты при снижении коммутационных потерь в силовых ключах инвертора на 1/3.

Оптималь­ное управление асинхронным электродвигателем связано с изменением амплитуды, фазы и частоты векторов тока и потокосцепления для получения максимального динамического момента. Оптимальное взаимное расположение векторов тока и потокосцепления достигается в системе векторного управления асинхронным электродвигателем.

По аналогии с приводом постоянного тока с двухзонным регулированием в системе векторного управления имеются два входных воздействия: канал управления скоростью  потокосцеплением ротора.

В каждом канале имеется ПИ-регулятор скорости РС и потока РП. Два регулятора тока РТ1 и РТ2 осуществляют регу­лирование ортогональных составляющих тока статора  и . В системе векторного управления возможно взаимное влияние каналов управления. Компенсация этого влияния, развязка ка­налов осуществляются в блоке коррекции.

Структурная схема системы векторного управления приведена на рисунке 2.

Здесь преобразователь частоты представлен передаточной функцией

,

где  - коэффициент передачи преобразователя частоты;  - постоянная времени преобразователя частоты, которая принимается за малую постоянную времени  объекта управления.

- параметры электродвигателя как объекта управления; ,  и  - коэффициенты передачи обратной связи по току, скорости и потокосцеплению соответственно;

.

Контуры тока настраиваются на технический оптимум. Регуляторы тока в обоих каналах управления рассчитываются по формуле

Контур регулирования потока также настраивается на технический оптимум, при этом передаточная функция регулятора потока

Таким образом, подбирая необходимые передаточные функции регуляторов потокосцепления, тока и скорости (при наличии), а также реализации в соответствии с ними векторного управления инвертором ПЧ достигаются оптимальные характеристики ЭГПА с точки зрения энергосбережения, влияния на питающую сеть, выходных характеристик в любом заданном режиме работы.

Система векторного управления отличаются большой сложностью. На практике применяют упрощенные варианты этой системы.

Установка датчиков магнитного потока в воздушном зазоре асинхронного электродвигателя в системах прямого управления векторами его потокосцеплений требует дополнительных изменений в кон­структивных решениях серийно выпускаемых двигателей и сопровождает­ся снижением надежности электропривода. Поэтому в современ­ных и наиболее совершенных частотно-регулируемых электроприводах, в которых системы программного управления реализованы на основе микропроцессорной техники, информацию о векторах потокосцеплений электрической машины получают косвенным путем на основе ее математических моделей. При этом базовыми являются структуры управления с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора и модульным принципом построе­ния систем управления. Последнее создает возможность комбина­ций различных структур управления моментом и скоростью АД, включающих как прямое (с помощью тахогенератора или импульсного датчика), так и кос­венное (по модели) определение реальной скорости двигателя. Выбор структур управления определяется технологическими тре­бованиями к электроприводу и его эксплуатационными особен­ностями.

Дальнейшее повышение качества выходного напряжения возможно при увеличении числа уровней путем построения многоуровневых схем автономных инверторов напряжения (АИН). Такие схемы более сложные, чем двухуровневые, и поэтому их применение оправдано при больших мощностях (более 1 МВт). Алгоритм управления при этом значительно усложняется. Данное схемное решение позволяет приблизить форму выходного тока инвертора к синусоиде, что положительно сказывается на работе электродвигателя ЭГПА в целом т.е. исчезают такие негативные моменты как пульсации момента на валу двигателя и повышенный нагрев статорных обмоток токами высших гармоник. Это особенно важно при питании от ПЧ стандартных общепромышленных электродвигателей, конструкция которых не рассчитана на питание импульсным напряжением и током.

Использование 3-х, 4-х и более уровневой ШИМ в совокупности с векторным управлением инвертором позволяет, в конечном итоге, отказаться от использования дорогостоящих выходных фильтров двигателя.

Большое значение имеет выбор критериев оценки алгоритмов управления непосредственным преобразователем частоты в составе ЭГПА. На базе этих критериев производится исследование оптимизационной задачи и проведение оптимизации функции управления по выбранному критерию.

Так как мощность ЭГПА, как правило, составляет единицы и десятки мегаватт, большое значение для питающей энергосистемы и приводного электродвигателя играет гармонический состав тока и напряжения на входе и выходе ПЧ. Поэтому важной задачей является оптимизировать алгоритм управления преобразователем частоты таким образом, чтобы гармонический состав напряжений и токов на входе и выходе преобразователя оставался оптимальным во всех режимах работы агрегата.

Ещё одним фактором, влияющим на эффективность использования ПЧ ЭГПА, является рациональное использование частотного регулирования не только в качестве элемента системы управления конкретного агрегата, а как составную часть комплексных системных решений с подключением широкого набора средств автоматизации технологического процесса в целом по компрессорному цеху и компрессорной станции. Такие решения позволят получить дополнительный эффект, который очевидно окажется больше простой экономии электрической энергии.

Обеспечение  электромагнитной совместимости (ЭМС) ПЧ

При оценке эффективности применения ПЧ в составе ЭГПА одним из важных критериев является возможность его сопряжения со стандартными высоковольтными синхронными двигателями, так как инвертор, являясь источником высших гармоник, оказывает влияние как на потери в двигателе и его допустимую нагрузку, так и на изоляцию статора. Это обстоятельство является особенно важным, и его нужно учитывать при выборе типа ПЧ для стандартных высоковольтных синхронных двигателей, имеющих ограниченные запасы изоляционной прочности.

Генерация в питающую сеть высших гармоник тока и напряжения и возникающие при этом отклонения параметров качества электроэнергии от значений, регламентируемых ГОСТ 13109-97, также может ограничить применение ПЧ.

Применение модуляционных методов управления силовыми электронными ключами и многоуровневых схем инверторов позволяет эффективно решить задачу ЭМС высоковольтного ПЧ с синхронным двигателем. Ряд фирм-производителей для улучшения формы выходного напряжения устанавливает на выходе ПЧ емкостные или индуктивно-емкостные (синусоидальные) фильтры, что повышает стоимость преобразователя. Без выходных фильтров ЭМС обеспечивается в многоуровневых схемах.

ЭМС высоковольтных ПЧ с питающей сетью электроснабжения обеспечивается либо традиционными способами — такими как увеличение эквивалентной фазности (пульсности) сетевого выпрямителя, либо искусственным повышением мощности короткого замыкания в точке присоединения ПЧ. В большинстве случаев  применяются 12- или 18-пульсные сетевые выпрямители на диодах или SCR-тиристорах, что позволяет ограничить в спектре высших гармоник 5-ю и 7-ю либо также 11-ю и 13-ю гармоники. Применение 24-пульсных схем выпрямления практически полностью решает проблему ЭМС ПЧ с питающей сетью. Однако этот способ требует дополнительных капитальных затрат из-за сложности изготовления многообмоточного согласующего трансформатора и очень большого числа силовых полупроводниковых элементов в выпрямительном силовом каскаде ПЧ.

Наиболее эффективным способом обеспечения ЭМС ПЧ с питающей сетью, применяющимся как правило, при сопряжении высоковольтных ПЧ со «слабыми» сетями электроснабжения, в которых соотношение

S_{кз_сети}/S_ПЧ  < (30...35)

Потребление таким выпрямителем из сети практически активного тока квазисинусоидальной формы с низким содержанием высших гармоник полностью решает задачу обеспечения требуемого значения коэффициента несинусоидальности формы напряжения, нормируемого стандартом на качество электроэнергии ГОСТ 13109-97.

Стоит отметить, что наиболее удачной топологией ПЧ с точки зрения обеспечения ЭМС с питающей сетью является схема многоуровневого АИН.

Важной задачей с точки зрения обеспечения ЭМС ПЧ является оптимизация алгоритма управления ПЧ таким образом, чтобы гармонический состав напряжений и токов на входе и выходе преобразователя оставался оптимальным во всех режимах работы агрегата.

В заключении можно сказать, что применение частотно-регулируемых ЭГПА на базе АД и разработка эффективных алгоритмов управления позволяют значительно повысить энергоэффективность газотранспортной системы.