Передача, распределение и накопление электроэнергии

Сравнительный анализ вариантов технического решения плавного пуска мощных асинхронных электродвигателей

6 октября 2008 г. в 15:26

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.

👉 Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

Читайте также
Новости по теме
Объявления по теме

ПРОДАМ: Бесколлекторные двигатели Assun Motor

Бесколлекторный электродвигатель — это устройство, преобразующее постоянный ток в механическую энергию вращения. Особенностью бесколлекторных двигателей является отсутствие ограничений в частоте вращения ротора благодаря отсутствию щеток и коллектора. Благодаря широкому диапазону скоростей, высокой мощности и надежности, возможности адаптации под специальные условия, решение купить бесколлекторный двигатель является хорошим выбором для решения различных задач. В нашем каталоге представлен широкий ассортимент электронных и электромеханических компонентов и готовых решений ведущих мировых производителей. Мы напрямую работаем с производителями, поэтому готовы предложить полный ассортимент товаров каждого бренда, включая те, что производятся под индивидуальный заказ. Для точной подборки или поиска нужных аналогов по техническим параметрам, оставьте заявку для связи с нашим специалистом. Мы подберем варианты оптимального решения для Вашей задачи из полного ассортимента технических каталогов товаров производителей.
Воронцова Марина · ИНЕЛСО · 26 марта · Россия · г Санкт-Петербург
Бесколлекторные двигатели Assun Motor

ПРОДАМ: Крановые электродвигатели

Асинхронные крановые электродвигатели, в соответствии с ГОСТ ІЕС 60034-5-2011, имеют степень защиты IP54. Сегодня можно приобрести электродвигатели данной категории с короткозамкнутым или фазным ротором. Это оборудование характеризуется закрытым исполнением и применяется для приводов грузоподъемных механизмов в различных сферах промышленности. Крановые электродвигатели подходят для механизмов с длительным, повторно-кратковременным или же кратковременным рабочим режимом. Чтобы выдерживать немалые нагрузки, устройства специальной серии имеют повышенный запас прочности деталей, механических узлов. Допустимая температура воздуха от -50°С до +40°С Крановые двигатели предназначены для работы от сети частотой 50 и 60 Гц, напряжением 220/380, 230/400, 240/415, 380/660, 380, 415, 500В; Монтажное исполнение Крановые электродвигатели могут иметь следующее исполнение: — 1001 (на лапах, 1 конец вала) — 1002 (на лапах, 2 конца вала) — 2001 (лапы + фланец, 1 конец вала) — 2002 (лапы + фланец, 2 конца вала) Характеристики изоляции питания крановых двигателей Все виды крановых двигателей имеют изоляцию классов нагревостойкости Н и F, питание от сети напряжения 220/380 В. Трехфазные крановые электродвигатели отличает климатическое исполнение «У1».
Николаев Леонид · ЭНЕРГОПУСК · 22 марта · Россия · г Москва
Крановые электродвигатели

ПРОДАМ: ООО "УралСнаб" Контрольно-измерительные приборы и автоматика

Преобразователи частоты (ABB, Schneider Electric) Предназначены для управления трехфазными асинхронными электродвигателями. Обеспечивают плавный пуск и остановку двигателя, а также обеспечивают автоматическое регулирование технологического процесса путем изменения скорости вращения двигателя. Номинальное напряжение: однофазное 200/240 В (переменного тока), 50/60 Гц. Выходное напряжение: трехфазное 200/240 В (переменного тока). Преобразователь частоты ATV 11HU41M2E имеет встроенный вентилятор. Степень защиты: IP 41 (корпус), IP 21 (в месте подключения клеммниками, расположенными на верхней и нижней стенках аппарата). Преобразователи частоты ATV31HU 380-500В Schneider Electric (Франция) Предназначены для управления трехфазными асинхронными электродвигателями. Обеспечивают плавный пуск и остановку двигателя, а также обеспечивают автоматическое регулирование технологического процесса путем изменения скорости вращения двигателя. Номинальное напряжение: трехфазное 380—500 В, 50/60 Гц. Максимальное выходное напряжение: трехфазное 380—500 В. Новые лабораторные источники питания АКТАКОМ.Вместо снятых с производства источников питания АТН-1236, АТН-1237, АТН-2232 выпущены новые модификации АТН-1236В, АТН-1237В, АТН-2232В аналоговых лабораторных источников электропитания с высоко-стабилизированными по току и напряжению выходными сигналами. Все новые модели лабораторных ИП (с индексом B), по сравнению с ранее выпускаемыми устройствами, получили дополнительные изменения в электрические схемы, которые существенно не затрагивают их основные выходные параметры. Многофункциональные клещи-ватметр АКИП-2303 могут применяться для работы в одно-фазных и трех-фазных промышленных сетях. и являются полнофункциональным инструментом для работников энергетических служб. Новые модели цифровых мультиметров c возможностью измерения истинных среднеквадратичных значений (True RMS); высокой разрядностю дисплея и надёжным, защищённым от пыли и влаги корпусом класса защиты...
Кашин Игорь · ООО"УралСнаб" · 29 февраля · Россия · Пермский край
ООО "УралСнаб" Контрольно-измерительные приборы и автоматика

ПРОДАМ: Микродвигатели коллекторные Assun Motor

Коллекторный двигатель — это двигатель постоянного тока с постоянными магнитами, который применяется вместо асинхронных электродвигателей, когда их применение нецелесообразно в силу различных технико-экономических причин. Как правило, это маломощные приборы и оборудование. На сайте компании ИНЕЛСО Вы можете подобрать по требуемым характеристикам и купить коллекторный двигатель, подходящий под Ваши задачи. В нашем каталоге представлен широкий ассортимент электронных и электромеханических компонентов и готовых решений ведущих мировых производителей. Мы напрямую работаем с производителями, поэтому готовы предложить полный ассортимент товаров каждого бренда, включая те, что производятся под индивидуальный заказ. Для точной подборки или поиска нужных аналогов по техническим параметрам, оставьте заявку для связи с нашим специалистом. Мы подберем варианты оптимального решения для Вашей задачи из полного ассортимента технических каталогов товаров производителей.
Воронцова Марина · ИНЕЛСО · 26 марта · Россия · г Санкт-Петербург
Микродвигатели коллекторные Assun Motor

ПРОДАМ: Взрывозащищенные рудничные электродвигатели 2АИМУР

Электродвигатель Электродвигатель 2АИМУР 315 M4 H 250/1500 1001 250кВт 660/1140В представляют собой асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и используются для привода устройств в действие в разнообразных сферах гражданского и промышленного строительства. В том числе под землей, а так же в химической, нефтедобывающей и прочих промышленностях. Вид климатического исполнения электродвигателей У, УХЛ , ХЛ , Т и категория размещения 1, 2 ,5 по ГОСТ 15150-69. Номинальный режим работы двигателей S1 по ГОСТ Р 52776-2007. По согласованию с производителем, возможна работа двигателей в режимах S2, S3, S4. Двигатели работоспособны на высоте над уровнем моря до 1000 м, при рабочей температуре окружающего воздуха: - в исполнении УХЛ — от плюс 40 до минус 60°С; - в исполнении Т — от плюс 50 до минус 10°С (предельное значение — плюс 60°С); - в исполнении У — от плюс 40°С до минус 45°С. Двигатели в исполнении УХЛ работоспособны при верхнем значении относительной влажности 100% при температуре 25°С. Взрывозащищенность двигателей обеспечивается видом взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка» по ГОСТ Р 52350.1- 2005 за счет заключения электрических частей во взрывонепроницаемую оболочку, которая может выдерживать давление взрыва внутри нее и исключает передачу взрыва в окружающую взрывоопасную среду. Взрывонепроницаемость оболочки двигателей обеспечивается применением щелевой взрывозащиты. Обеспечение взрывонепроницаемости ввода кабеля во вводное отделение достигается с помощью эластичного резинового уплотнительного кольца. Все наружные болты и гайки, крепящие детали, обеспечивающие взрывозащищенность, а также токоведущие и заземляющие зажимы предохранены от самоотвинчивания применением пружинных шайб и контргаек. Степень защиты двигателей и вводного устройства от внешних воздействий не ниже IP54 по ГОСТ 17494-87.
Николаев Леонид · ЭНЕРГОПУСК · 22 марта · Россия · г Москва
Взрывозащищенные рудничные электродвигатели 2АИМУР
Российский производитель и бренд низковольтной аппаратуры: электрооборудования для ввода, распределения и учета электричества, локальной автоматизации технологических процессов, а также комплексных энергоэффективных решений для любой отрасли индустрии.