Сравнительный анализ вариантов технического решения плавного пуска мощных асинхронных электродвигателей

Опубликовано: 6 октября 2008 г. в 15:26, 1719 просмотров Комментировать

В настоящей статье предлагается вариант технического решения плавного пуска мощных асинхронных двигателей разработки Научно-производственного предприятия «Сатурн», который принципиально отличается от всех, используемых в России. Оцениваются и анализируются его технические характеристики, в сравнении с частотными преобразователями и устройствами плавного пуска на основе фазового метода, выполненными на контроллерах импортного производства.

В нефтяной и газовой промышленности в приводах технологических агрегатов и различных вспомогательных механизмов широко применяются асинхронные электродвигатели.

Стадия пуска асинхронного электродвигателя была и остается наиболее ответственным режимом работы электродвигателя, в немалой степени определяющим его ресурс и ресурс работы электропривода в целом. Это особенно актуально для приводов насосов с «вентиляторной» характеристикой, где кратность токов перегрузки достигает максимальных величин. Достижения в области плавного пуска асинхронных электродвигателей как частотным, так и фазовым методами столь впечатляющи, что необходимость плавного пуска не вызывает уже никакого сомнения у большинства потребителей. Преимущества плавного пуска, в сравнении с прямым, хорошо известны, напомним лишь основные: уменьшаются значения пусковых токов до 1,5-3 кратного значения, снижается риск механического разрушения привода и вала двигателя (погружного), уменьшаются электромеханические усилия в обмотках электродвигателя, сводится к минимуму гидроудар в системе, пуск насоса на открытую задвижку практически не отличается от пуска на закрытую задвижку.

Преимущества частотного метода плавного пуска в сравнении с фазовым очевидны и бесспорны: возможность разгона по любому алгоритму и возможность регулирования оборотов электродвигателя и, следовательно, технологического процесса, который этот электродвигатель обслуживает. Однако, вместе с массовым внедрением частотных электроприводов, потребитель начинает сталкиваться с негативными явлениями работы преобразователя: появлениям гармонических составляющих на стороне двигателя (в основном) и на стороне сети. Это связано с несовершенством или, чаще всего, с отсутствием вообще фильтрокомпенсирующих устройств из-за их высокой стоимости. К недостаткам преобразователей относятся: высокая стоимость самих преобразователей, сложность технического решения, большие потери от прямого падения напряжения на силовых элементах, необходимость выполнения рекомендаций производителей по снижению загрузки по мощности.

Появление устройств плавного пуска на основе фазового метода регулирования и их совершенствование все чаще приводит потребителя к выбору такого устройства именно тогда, когда нет острой необходимости регулирования скорости вращения электропривода или есть возможность решить эту проблему количеством насосов и повторно-кратко временным режимом их работы.

Преимущества устройств плавного пуска на основе фазового метода, в сравнении с частотными преобразователями, когда не нужно регулирование скорости, на наш взгляд, также очевидны: значительно меньшие стоимость и потери от прямого падения напряжения на силовых элементах, простота схемы и, как следствие, большая надежность, наличие гармонических составляющих только во время пуска (5-40 с). При этом качество плавного пуска при фазовом методе почти не отличается от частотного пуска.

Мы предлагаем вашему вниманию один из вариантов технического решения устройства плавного пуска с фазовым методом регулирования напряжения, на основе которого выполнены все тиристорные выключатели-коммутаторы с плавным пуском разработки и производства Научно-производственного предприятия «Сатурн» на токи от 100 до 1000 А и напряжения 0,4; 2,4; 3,1; 3,6; 4,5; 6,0 кВ (последний в стадии разработки).

Рис. 1. Типичная осциллограмма напряжения
на фазе электродвигателя на холостом ходу
при плавном пуске.

Рис. 2. Осциллограмма динамики тока
нагруженного электродвигателя при плавном пуске.

Рис. 3. Тиристорный коммутатор.

Наш вариант технического решения и, следовательно, все наши изделия отличаются от других производителей, прежде всего, отсутствием контроллера плавного пуска, поскольку мы считаем, что задача плавного пуска довольно простая и может качественно решаться с помощью обычных микросхем и дискретных элементов. Функцию контроллера у нас выполняет модуль плавного пуска, который с помощью датчиков синхронизации и драйверов управления тиристорами задает определенный алгоритм изменения напряжения на входе двигателя, т.е. время плавного пуска и стартовое напряжение. Главными критериями качества плавного пуска, на наш взгляд, являются равенство токов по фазам и отсутствие двухфазного режима во всем диапазоне изменения напряжения при пуске.

Система управления, построенная по такому принципу, позволила нам выполнить выключатели с плавным пуском не только на напряжение 0,4 кВ, но и выше 1000 В с обеспечением необходимых развязок. В выключателях на напряжения 3,6 и 4,5 кВ используется последовательное соединение тиристоров, также как и в разрабатываемом выключателе на 6 кВ. 

Во всех устройствах отсутствует байпас (шунтирование контактором или вакуумным выключателем после пуска), хотя мы и не запрещаем его использование по желанию заказчика. Наши изделия рассчитаны на естественное охлаждение тиристоров и работу в продолжительном режиме при температуре окружающей среды от плюс 40°С до минус 45°С (отдельные изделия, по желанию заказчика, рассчитаны на работу до плюс 60°С). Такое выполнение не бесспорно, но мы успешно отстаиваем свою точку зрения.

Недостатки такого исполнения: потери от прямого падения напряжения на силовых элементах — 0,1% от коммутируемой мощности в высоковольтных изделиях и менее 0,5% в классе 0,4 кВ. Да и эти потери можно и нужно превращать в полезную энергию, поскольку большинство станций работают в условиях воздействия низких температур и имеют подогрев. При наличии автоматического регулирования температуры потери в коммутаторе можно использовать как полезное тепло для поддержания рабочей температуры в станции.

Габариты и масса наших изделий соизмеримы или даже меньше, чем у аналогов, т.к. в их изделиях необходимо разместить контактор, соединители между ним и устройством плавного пуска, и обеспечить принудительную вентиляцию устройства плавного пуска, которая имеется почти у всех производителей на мощности выше 22 кВт.

Преимущества наших изделий: в 4-5 раз большие перегрузочные характеристики, т.к. мы используем более мощные тиристоры, рассчитанные на продолжительную работу в режиме номинального тока, возможность плавного нарастания тока и набора оборотов двигателя с нулевого значения. Количество включений в час мы не ограничиваем, возможности наших аппаратов по перегрузке выше возможностей двигателей. Но главным преимуществом такого решения является обеспечение предельного быстродействия при отключении в аварийной ситуации. При использовании наших изделий в станциях с современными контроллерами защиты, мы можем обеспечить время отключения даже при коротком замыкании не более 30 мс (с учетом реакции контроллера не более 10 мс). При таком быстродействии риск повреждения оборудования от дуги минимален (как известно, серьезные разрушения начинаются при времени отключения более 100 мс). Процесс отключения носит естественный характер выключения тиристора в нуле синусоиды; при этом отсутствуют перенапряжения, возникающие при отключении контакторов и, особенно, вакуумных выключателей из-за невозможности обеспечить нулевое значение тока среза.

Все наши коммутаторы имеют систему слежения за набором оборотов двигателя (без тахометра) с автоматическим отключением функции плавного пуска при достижении оборотов, близких к номинальному значению. Это позволяет нам избежать биений двигателя на завершающей стадии плавного пуска, причем независимо от нагрузки двигателя, т.е. система управления, обеспечивает синхронность с сетью во всем диапазоне нагрузок, начиная от холостого хода (только вал двигателя) до номинального значения. Это выполнить достаточно сложно, поскольку на холостом ходу cos двигателя близится к нулю, а при полной нагрузке близится к единице.

Существенным отличием от аналогов является и наличие системы индикации состояния тиристоров, имеющееся в изделиях 0,4-3,1 кВ. Наличие такой системы снижает риск аварии при отключении аппарата со сгоревшим тиристором. В выключателях на высокое напряжение систему индикации выполнить можно, но с увеличением количества тиристоров увеличивается количество датчиков состояния тиристоров и, следовательно, количество связей и развязок. Значительно усложняется конструкция, а с увеличением риска перекрытия изоляции теряется смысл выполнения такой системы.

Задание алгоритма плавного пуска производится с помощью вынесенных на лицевую панель аппарата программного переключателя времени плавного пуска и потенциометра установки стартового напряжения.

В настоящее время разработчиками контроллеров защиты («Алнас электроника» и «Ижевский радиозавод»), с которыми наши изделия работают совместно в станциях управления КТППН, рассматривается вопрос о задании режимов плавного пуска от контроллера защиты с полным сохранением оригинальности технического решения.

В коммутаторах, по желанию заказчиков, предусмотрена задержка повторного включения на 3+6 с и возможность переключения на режим прямого пуска.

На рисунках 1 и 2 представлены типичные осциллограммы напряжения и тока при плавном пуске, а на рисунке 3, в качестве иллюстрации конструктивного исполнения, представлен образец тиристорного коммутатора на напряжение 0,4 кВ и ток 630А. В изделиях 0,4-2,4 кВ практически все узлы унифицированы, а сами они отличаются только тиристорами и наличием ограничителей напряжения для защиты тиристоров в высоковольтных аппаратах.

Необходимо отметить, что во всех изделиях использованы только российские технологии и комплектующие (кроме конденсаторов), в том числе и силовые тиристоры Саранского завода «Электровыпрямитель».

Высоковольтные изделия на напряжения 3,6; 4,5 и 6 кВ конструктивно выполнены иначе, здесь все несущие конструкции корпуса состоят только из изоляционных материалов, а отличием технического решения является наличие дополнительных развязок, обеспечивающих управление последовательно соединенными тиристорами.

Тиристорные коммутаторы на напряжения 0,4 и 2,4 кВ имеют достаточный опыт эксплуатации в составе станций управления КТППН Минского электротехнического завода, Самарского завода «Электрощит», ячеек НКУ-0,4 кВ Озерского завода энергетических устройств «Энергопром», Тюменского приборостроительного завода, ООО «Север-снабкомплектмонтаж» (в двух последних применялись коммутаторы без плавного пуска), Белорецкого металлургического комбината (БМК). В БМК тиристорные коммутаторы используются давно и успешно (нет ни одного отказа за все время эксплуатации) для проката проволоки, при этом главной задачей является обеспечение плавного пуска при заправке проволоки для исключения ее разрыва. Операция заправки уменьшилась до нескольких минут. В настоящее время около 100 приводов запускаются нашими коммутаторами. Имеется положительный опыт эксплуатации коммутаторов на 0,4 кВ на предприятии ЖКХ (МУП «Люберецкая теплосеть», г. Люберцы Московской области) и ОАО «Татнефть» (НГДУ «Ямаш-нефть»). Тиристорные коммутаторы на напряжение 2,4 кВ эксплуатируются в старых и модернизированных станциях управления КТППН в ООО «Самара-Электро-Сервис» ОАО «Самаранефтегаз» (г. Отрадный Самарской области). При испытаниях ТК-2,4-120ПП в КТППН контроллером было зарегистрировано превышение пускового тока в 1,2 раза против 5-кратного значения при прямом пуске при равенстве токов по фазам в течение всего времени разгона двигателя.

Необходимо отметить применение ТК-3,1-120ПП в новых станциях КТППН-400 Минского электротехнического завода и серии ТК-0,4-630ПП, ТК-0,4-400ПП и ТК-0,4-250ПП в ячейках НКУ Чебоксарского электроаппаратного завода. Достаточный опыт эксплуатации изделий, выполненных на основе описанного технического решения, позволяет нам надеяться на глубокий анализ, положительную оценку наших изделий и заинтересованность в них эксплуатирующих и проектных организаций. Второй проблемой, которой занимается коллектив нашего предприятия, является разработка и производство приборов контроля изоляции для станций управления погружными насосами, в которых используется питающая сеть с изолированной нейтралью.

Результатом этой работы являются серийно выпускаемые приборы контроля изоляции Ф4106М-01 для замены приборов Ф4106 производства завода «Мегомметр», г. Умань, Республика Украина. Отличием наших изделий является надежная работа с исключением ложных включений и отключений, характерных для Ф4106, т.е. создание приборов вызвано необходимостью обеспечения совместной работы прибора контроля изоляции и тиристорного коммутатора ТК-2,4-120ПП в станции управления КТППН-82. Приборы контроля изоляции Ф4106М-01 могут применяться везде, где находят применение приборы Ф4106, они полностью взаимозаменяемы. Ф4106М-01 хорошо зарекомендовали себя в работе в ООО «Самара — Электро-Сервис» ОАО «Самаранефтегаз» (г. Отрадный Самарской области), в станциях КТППН Самарского завода «Электрощит». Партия Ф4106М-01 проходит эксплуатационные испытания в ОАО «Енисейгеофизика» (г. Минусинск, Красноярский край).

Имея опыт в разработке ф4106М-01, мы разработали устройство Ф4106М-02 для измерения сопротивления изоляции в новых станциях с контроллером, достаточно простое по техническому решению. Оно состоит из высоковольтного высокоомного (несколько сотен кОм) делителя и блока сопряжения с контроллером.

Преимущества: высокое быстродействие (до 200 мс), малая мощность делителя, высокая помехозащищенность из-за отсутствия прямой связи напряжения контролируемой сети с входом контроллера, небольшая погрешность измерения(+10%), низкий уровень пульсаций выходного сигнала (не более 2 мВ).

Работа макетного образца изделия проверена в условиях, близких к реальной эксплуатации на стенде ОАО «Борец». Ф4106М-02 практически готов к серийному производству. Необходимо отметить, что по применению изделие универсально: оно может быть использовано как в станциях, выполненных по типу КТППН, так и ШГС; по напряжению оно охватывает весь ряд до 4,5 кВ. 

ООО «Тороид»,
Ерошкин  А. В.,
Шейкин  Ю. И.

Рекомендуем почитать

Тиристорные коммутаторы с плавным пуском и приборы контроля изоляции разработки и производства НПП «Сатурн»
7 октября 2008 г. в 17:48
Плавный пуск асинхронных двигателей методом фазового регулирования напряжения становится в настоящее время все более актуальным с появлением надежных тиристорных пусковых устройств, обеспечивающих плавность разгона во всем диапазоне скорости двигателя.
Концепция интеллектуальной системы электроснабжения (ИСЭЛ) от группы «РУСЭЛТ»
30 марта 2010 г. в 15:04
Группа «РУСЭЛТ» разработала Интеллектуальную Систему Электроснабжения (ИСЭЛ) — это распределенный комплекс электротехнического оборудования, аппаратного и программного обеспечения, необходимого и достаточного для безопасного, рационального и эффективного управления электроснабжением объекта.
Как выбрать тиристорный регулятор
8 мая 2013 г. в 11:56
Вы решили приобрести тиристорный регулятор мощности? Что ж, это не проблема, достаточно набрать в поисковике «тиристорный регулятор», и вашему вниманию будет предложено масса вариантов — как отечественного, так и импортного производства. Как не остаться у разбитого корыта в погоне за дешевизной и нужно ли покупать самую дорогую импортную модель? Рассмотрим критерии выбора.
Применение тиристорных регуляторов для ограничения нагрузки в сети 0,4 кВ
22 января 2014 г. в 15:55
Несмотря на повышение стоимости энергии, эффективность использования энергоресурсов в России до сих пор остается недопустимо низкой. Поэтому ограничение мощности, потребляемой электрооборудованием — первостепенная задача практического энергосбережения.
Групповой плавный пуск высоковольтных синхронных электроприводов компрессорных станций
18 августа 2008 г. в 05:00
Компрессорные станции (КС) предназначены для получения сжатого воздуха (СВ), являющегося наряду с электрической и тепловой энергией одним из основных энергоносителей во многих отраслях промышленности [1-3]. Большие объемы сжатого воздуха производятся на предприятиях нефтеперерабатывающей и химической промышленности, а также в горно-металлургическом комплексе. Сжатый воздух в основном используется в технологии для перемешивания растворов, расплавов, пульпы и транспортирования этих и других материалов. Кроме этого СВ востребован пневмоинструментом, пневмооборудованием и для выполнения вспомогательных работ: уборка пыли, обдув стрелок, очистка стрелок и др.

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.