Энергосберегающий электропривод технологических установок трубопроводного транспорта газа, нефти и нефтепродуктов

M.S. Ershov, A.D. Yarizov

ТНЕ

POWER SAVING ELECTRIC DRIVE OF TECHNOLOGICAL INSTALLATIONS OF PIPELINE TRANSPORT OF GAS, OILAND OILPRODUCTS А

Textbook

MOSCOW Издательский центр

РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина

2011

М.С. Ершов, А.Д. Яризов

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХУСТАНОВОК ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА ГАЗА, НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ Учебное пособие Допущено Учебно-.методическuiw объединениеw вузов Российской Федерации по нефтегазовому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров

131000 «Нефтегазовое

дело», по представленuю Ученого совета

Российского государственного университета нефти и газа шtею/ И.МГубкина

МОСКВА Издательский центр

РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина

2011

УДК

ББК

621.313 31.261.2 Е80

Р е ц е нз е н ты: доктор техн. наук, профессор А.В. Ляхомский (заведующий кафедрой «Электрификации и энергоэффективности горных предприятий»), канд. техн. наук С.В. Жичкuн

(главный специалист электротехнического отдела ОАО «Гидротрубопровод»)

Ершов М.С., Яризов А.Д.

Е80

Энергосберегающий электропривод технологических установок трубопроводного транспорта газа, нефти и нефте­ продуктов: Учеб. пособие для вузов. М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2011. - 246 с.: ил.

ISBN 978-5-91961-013-7 Приводятся сведения о принципах построения, составе, режимах ра­

боты, характеристиках и применении электропривода для технологиче­ ских установок трубопроводного транспорта углеводородного сырья. Из­ ложены

основные

вопросы

теории,

даны

сведения

о

механике

и

динами­

ческих свойствах электропривода. Приводятся данные о силовых полупроводниковых приборах, преоб­ разователях электрической энергии, электродвигателях и системах управ­ ления регулируемых электроприводов. Рассмотрены вопросы энергосбе­ режения, достигаемого при применении регулируемого электропривода.

Для

студентов

нефтегазовых

вузов

и

факультетов,

а

также

может

быть полезна студентам механических и электротехнических специально­ стей и слушателям учебных центров повышения квалификации инженер­ но-технических работников нефтегазовой промышленности. Данное издание является собственностью РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина и его репродуцирование (воспроизведение) любыми способами без согласия университета запрещается.

ISBN 978-5-91961-013-7

© ©

Ершов М.С., Яризов А.Д.,

2011

Российский государственный университет

нефти и газа имени И.М. Губкина,

2011

© Голубев В.С., оформлении серии, 2011

•

ВВЕДЕНИЕ

Развитие

топливно-энергетического

комплекса

(ТЭК) России во многом определяется успешным ре­

шением задач, стоящих перед трубопроводным транс­ портом энергоресурсов.

Трубопроводный транспорт самый экономичный и экологически чистый вид транспорта углеводородного

сырья, его использование обеспечивает гарантирован­

ную поставку больших грузопотоков газа, нефти и нефтепродуктов потребителям. Протяженность магистральных трубопроводов, по которым осуществляется транспорт продукции нефте­

газового комплекса, на начало

220

г. составила около

2009

тыс. км.

В общем объеме транспорта энергоресурсов по ма­

гистральным

56%,

нефти

трубопроводам

40 %,

доля

нефтепродуктов

газа

составляет

4 %.

Добываемый в России природный газ поступает в

магистральные газопроводы, объединенные в Единую систему газоснабжения (ЕСГ),

-

крупнейший в мире

и уникальный технологический комплекс.

Трубопроводный транспорт включает в себя боль­ шое

тов.

число

подземных

24 7

технологических

и

агрега­

хранилищах

России

эксплуатируются

газокомпрессорных станций с агрегатами общей

установленной нефтепроводов

395

сооружений

В частности, на магистральных газопроводах и

мощностью и

42

млн

кВт.

нефтепродуктопроводов

нефтеперекачивающих

станций,

В

состав входят

резервуарные

парки общей вместимостью 17,5 млн м 3 . Осуществляется

строительство

системы Восточная Сибирь

-

нефтепроводной

Тихий океан (ВСТО)

5

протяженностью

80

км с пропускной способностью

4368

млн т нефти в год для поставки нефти на россий­

ский Дальний Восток и страны Азиатско- Тихоокеан­

ского региона (АТР). Продолжается

реализация

проекта

~Северный

поток» пропускной способностью 55 млрд м 3 в год, которому присвоен статус ~TEN» (Трансевропейской

сети),

имеющий

большое

значение

для

обеспече­

ния потребителей европейского рынка в природном газе.

Ведется

активная

подготовительная

проекту ~Южный поток»

работа по

пропускной способностью

30 млрд м 3 в год. За последние годы резко возросла роль трубопро­ водного

транспорта

в

экономике

страны,

он

активно

влияет на формирование и развитие ТЭК страны и

отдельных регионов, обеспечивая транспорт энергоре­ сурсов

как внутри страны,

так и на экспорт в страны

ближнего и дальнего зарубежья. Уровень

надежности

системы

трубопроводного

транспорта во многом определяет стабильность обес­ печения

потребителей

важнейшими

топливно-энер­

гетическими ресурсами. Бесперебойное функциониро­

вание этой системы, увеличение ресурса ее работы, повышение экологической безопасности и снижение аварийности

в

значительной

степени

определяют­

ся правильно выбранной технической политикой, в частности,

реализацией

программ

планово-предупре­

дительного ремонта, диагностики, а также техническо­ го

перевооружения

и

реконструкции

с

внедрени­

ем передовых достижений современной науки и тех­ ники.

Важное порта

место в системе трубопроводного транс­

энергоресурсов

занимают

электротехнические

установки и комплексы. На этапе развития техники,

достигнутого

на

начало

XXI

века

благодаря

рево­

люционным достижениям в

области силовой и ин­

формационной

электротехнические

тановки

и

электроники,

комплексы

стали

во

многом

ус­

определять

технические возможности трубопроводного транспор­ та, его

производительность, безопасность, ресурс ра­

боты и экономичность.

6

Трубопроводный транспорт энергоресурсов являет­

ся крупным потребителем энергии: так, доля затрат на электроэнергию,

требуемую

ти, составляет от

16

до

для

20 %

транспорта

неф­

от всей совокупности

затрат.

Развитие

трубопроводного

транспорта

на

совре­

менном этапе увязывается с проведением эффектив­

ной

энергосберегающей

возможно

как

политики.

Добиться

совершенствованием

этого

технологического

процесса, так и применением современных энергосбе­ регающих технологий. Среди них использование регу­

лируемого электропривода обеспечивает наивысший потенциал экономии электроэнергии.

Успехи, достигнутые за последние два десятилетия

в области силовой и информационной электроники, позволяют

создавать

для

оснащения

перекачивающих

агрегатов мощные (десятки МЕт) частотно-регулируе­ мые электроприводы.

Наряду с достижением энергосберегающего эффек­ та,

применение

регулируемого

электропривода

для

перекачивающих агрегатов обеспечивает ресурсосбере­ гающий эффект за счет плавности пуска и останова, увеличения

межремонтных

периодов

и

щадящих

ре­

жимов работы как самих агрегатов, так и арматуры трубопроводов. Ресурсосберегающий

эффект

достигается

также

применением более простых и дешевых по сравнению с

частотно-регулируемым

электроприводом

автомати­

ческих устройств плавного пуска и торможения элек­

тродвигателей. В настоящее время при проектировании новых и реконструкции существующих технологически устано­

вок трубопроводного транспорта углеводородного сы­ рья ОАО «Газпром~ и ОАО АК «Транснефть~ преду­ сматривают

оснащение

перекачивающих

агрегатов

системами регулируемого электропривода или устрой­

ствами плавного пуска электродвигателей. Цель

издания

студентам

и

нимающемуся

настоящей

книги

-

инженерно-техническому

проектированием

электрооборудования газо-

и

предоставить персоналу,

за­

эксплуатацией

и нефтеперекачивающих

7

станций, материал, отражающий современное состоя­ ние,

возможности

и

характеристики

энерго-

и

ресур­

сосберегающих систем электропривода. Авторы считают своим приятным долгом выразить

благодарность ведущему инженеру

С.И. Скреплевой,

без чьего непосредственного участия в работе по под­

готовке рукописи книги к изданию, она не могла бы выйти в свет.

•

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АД АВО АВР АИИ АИТ АПВ АСУ АСУТП

-

асинхронный электродвигатель аппарат воздушного охлаждения автоматическое включение резерва

автономный инвертор напряжения автономный инвертор тока автоматическое повторное включение автоматизированная система управления автоматизированная система управления

технологи-

ческим процессом

АТД

асинхронный турбодвигатель

СД

-

СИФУ

-система импульсно-фазового управления

стд

-

вд гкс ГПА ГРС дк с ДПР жк кс мк ми МПУ ипс

ПУ пхг пч РМ РОМ

СУ тк тм тп УППТ

вентильный двигатель головная компрессорная станция

газоперекачивающий агрегат газораспределительная станция дожимная компрессорная станция датчик положения ротора

жидкокристаллический дисплей компрессорная станция микроконтроллер

магистральный нефтепровод механическое передаточное устройство нефтеперекачивающая станция

преобразовательное устройство подземное хранилище газа

преобразователь частоты рабочая машина рабочий (исполнительный) орган рабочей машины синхронный двигатель

синхронный турбодвигатель система управления

турбокомпрессор турбомашина тиристорный преобразователь устройство плавного пуска и торможения

9

шим ЭГПА эд эмо эмп эмс эп

ВР

DSP

-

широтно-импульсная модуляция

электроприводной газоперекачивающий агрегат электродвигатель

электромагнитная обстановка электромагнитная помеха электромагнитная совместимость электропривод

-биполярный транзистор (Bipolar Transistor) - цифровой сигнальный процессор ( Digital Signal

Pro-

cessor)

DTC

-

прямое

управление

моментом

электродвигателя

(Direct Torque Control)

GCT

-тиристор, управляемый через

затвор

(Gate-Commu-

tated Thyristor) -запираемый тиристор (Gate-Turn-Off) биполярный транзистор с изолированным затвором

GTO IGBT

-

IGCT

-

IPM

управления (Intcgrated Gate-Commutated Thyristor) -интеллектуальный силовой модуль (Intelligent Power

(Insulated Gate Bipolar Transistor) запираемый

тиристор

с интегрированной

системой

Modue)

MOSFET SCR SGCT

полевой

транзистор

с

изолированным

затвором

( Metal- Oxide- Semicondactor Field- Effect Transistor) - тиристор (Silicon Controlled Rectifier) -полностью

управляемый

(запираемый)

симметричным управляющим электродом

cal Gate-Commutated Transistor)

тиристор

(Symmetri

с

•

Глава

1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

1.1.

НАЗНАЧЕНИЕ, СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ

ЭЛЕКТРОПРИВОДА Электрическим скую

систему,

приводам

( Э П)

предназначенную

называют

для

электромеханиче­

приведения

в

движение

рабочих органов машин, целенаправленного управления этими процессами и состоятую из электродвигательного, преобразова­ тельного, передаточного, управляющего и информационного уст­

ройств.

Электродвигательное устройство трическую

энергию,

формируя

совместно

поступающую

с

из

передаточным

( ЭД) сети,

преобразует в

элек­

механическую,

устройством

заданные

формы движения рабочих (исполнительных) органов машин. Рабочая :машина (РМ) - устройство, выполняющее механи­ ческие движения с целью преобразования материала (вещества). Рабочие машины разделяются на технологические, преобразую­ щие форму, свойства материала, и транспортные, преобразую­ щие положение материала (перемещаемого вещества).

Рабочий (исполнительный) орган рабочей машины (РОМ)­ часть рабочей машины, непосредственно осуществляющая преоб­ разование формы, свойства, положение материала (вещества) в технологическом процессе.

Исполнительным органом центробежного насоса является ра­ бочее колесо, портпевого компрессора - поршень. Технологический агрегат совокупность приводного дви­ гателя и рабочей машины, например, электродвигателя с ком­ прессором.

Иреобразовательное устройство (ПУ) служит для преобра­ зования одного вида электрической энергии в другой (например,

преобразует с помощью выпрямительных устройств переменный ток в постоянный; переменный ток одной частоты в переменный ток другой). Оно предназначено для управления потоком элек-

11

трической энергии, поступающей из сети в целях регулирования

режимов работы двигателя и механизма. Передаточное устройство предназначено для преобразова­ ния форм движения и передачи механической энергии от двига­

телей к исполнительному органу рабочей машины. Оно содержит механические передачи (редукторы, мультипликаторы, клинаре­

менные передачи) и соединительные муфты, необходимые для передачи вырабатываемой двигателем механической энергии ра­ бочему органу. Управляющее и информационное устройство предназначе­ но

для

формирования

заданных

законов

управления

потоком

энергии и движения рабочих органов машин. Эти устройства представляют собой информационную слаботочную часть систе­ мы управления, предназначенную для получения информации о

параметрах функционирования электропривода и выработки тре­

буемых законов управления. Управляющее устройство предназначено для реализации вы­

бранных законов управления рабочих органов машин.

потоками

энергии и движением

В настоящее время в качестве управляющих устройств нахо­

дят широкое применение средства вычислительной техники. Информационное трических

и

устройство

неэлектрических

-

совокупность датчиков элек­

параметров

электропривода,

пред­

назначенных для получения информации о процессе функциони­ рования электропривода.

Функциональная схема электропривода приведена на рис. 1.1. Преобразовательное устройство ПУ подключено к источнику электрической энергии ИЭ мощностью Ре (обычно промышлен­ ная сеть перемениого тока) с неуправляемыми напряжением сети

Ис, током Ic и частотой .fc. На выходе ПУ получают электроэнер­ гию мощностью Рэ с другими параметрами И, I, f, которая по­ ступает в электродвигатель Эд, преобразующий электрическую энергию в механическую Рм с

моментом на валу Мд и угловой

скоростью его вращения сод.

Пройдя механическое передаточное устройство МПУ, поток

механической энергии мощностью Рм преобразуется в поток та­ кого же вида энергии мощностью Рр (момент

рость

со),

М, угловая ско­

который воспринимается рабочим органом машины

РОМ.

Преобразование

потока

энергии,

поступающего

из

сети,

в

энергию, воспринимаемую РОМ сопровождается потерями, вели­ чина которых

зависит

не

только

от типа

и

качества

элементов

электропривода, но и от припятых законов управления потоками

энергии, формируемых управляющим устройством УУ. Вопросы повышения производительности труда, качества вы-

12

Ре иэ

Uc

.

Рм

PJ

:::=-::

ПУ

и

fc

/с

~

эд

f

1

г--~

Мд

м

ffiд

())

РОМ

1----

уу

L._.

Рр

МПУ

Задание

~·

Потоки электрической и

Е

механической энергии Каналы передачи информации

Рис.

1.1.

Функциональная схема электропривода

пускаемой продукции, энерго- и ресурсосбережения неразрывно связаны с применением регулируемого электропривода.

Регулирование переменных (координат) ЭП

-

тока, скорости,

ускорения или положения требуется при управлении движением РОМ. Кроме того, при работе самого ЭП возникает необходи­ мость в ограничении тепловых и механических нагрузок. Регули­ рование

переменных величин

ЭП

осуществляется

целенаправ­

ленным воздействием, вырабатываемым системой управления. В зависимости от выполняемых функций, вида и числа регу­ лируемых координат,

а

также

степени

автоматизации

технологи­

ческих процессов ЭП делятся на неавтоматизированные и авто­ матизированные.

В автоматизировттых ЭП операции управления в соответст­

вии

с

требованиями

технологического

процесса

выполняются

автоматической системой управления. Автоматизированные ЭП делятся, в свою очередь, на разомкнутые и замкнутые.

В разомкнутом ЭП внешние воздействия (возмущения), на­

пример, момент нагрузки и колебания напряжения сети, оказы­ вают влияние на его переменные. В связи с этим такой ЭП не

может обеспечить высокое качество регулирования. Разомкнутые ЭП строятся по несложным схемам и поэтому просты в наладке и эксплуатации.

В замкнутом ЭП обеспечивается полное или частичное уст­ ранение

влияния

внешнего

возмущения

на

управляемые

пере-

13

менные (координаты) ЭП. Для этого в ЭП используется инфор­

мация по управляемым координатам (например, току, скорости, перемещению) или внешним возмущениям. Информацию полу­ чают при помощи различных датчиков (тока, напряжения, скоро­ сти и др.), сигналы от которых поступают в управляющее уст­

ройство электропривода. Преимущества ЭП по сравнению с другими видами привода состоит в следующем:

экономичность, поскольку электродвигатель совершает работу без выделения газов и шума; преобразование электрической энергии в механическую осу­ ществляется с малыми потерями, причем КПД в широком диапа­ зоне изменения нагрузки изменяется незначительно;

допускает значительные кратковременные

перегрузки (в

2-3

раза); возможность выполнения электродвигателей, защищенных от пыли, влаги и взрывоопасных газов;

большой диапазон мощностей и номинальных скоростей по­ зволяет в ряде случаев отказаться от механических передач меж­

ду отдельными звеньями рабочей машины; хорошие регулировочные свойства электродвигателей позво­

ляют наилучшим образом приспоеобить ЭП к требованиям тех­ нологического процесса.

Применеине ЭП способствует повышению качества продук­ ции, снижению себестоимости и повышению производительности труда. Около 60 % всей вырабатываемой электрической энергии идет на преобразование ее в механическую, т.е. используется электроприводами.

Для

технологических

углеводородного сырья

установок

магистрального

характерна высокая

транспорта

концентрация

на од­

ном объекте большого числа электродвигателей большой мощно­ сти. Например, на ряде нефтеперекачивающих станций Западной

Сибири суммарная установленная мощность электродвигателей может

составлять

70

МЕт,

а

на

компрессорных

станциях

100

МВ т и более.

1.2.

УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

-

Движение рабочей машины в соответствии с требованиями технологического электропривода. различные

щихся

14

виды

процесса В

совершается

механической

усилий,

части

моментов

характером действия.

механической ЭП

частью

могут действовать

сопротивлений,

различаю­

Например, при работе рабочей машины, приводимой в движе­ ние двигателем,

в

противления Мс

установившемся режиме возникает момент со­

(статический момент), который разделяют на

активный и реактивный. Статический момент, возникающий только при движении и всегда направленный против движения,

называют реактивным.

Этот момент Мс Р возникает как реакция на движение рабочего органа и всегда препятствует движению. К реактивным моментам

сопротивления относится момент, создаваемый силами трения. Эти силы всегда препятствуют движению, и при реверсе элек­

тропривода момент, обусловленный силами трения, также меняет направление, а функция Мс Р =Л (J)) при (J) = О претерпевает раз­ рыв.

Активный (потенциальный) момент, прикладываемый к рабо­ чему органу машины,

создается силами

тяжести

(например,

в

грузоподъемных механизмах).

При

подъеме

остается

или спуске груза

постоянным,

иными

направление силы тяжести

словами,

вода направление активного момента

при

реверсе

электропри­

Мс" сохраняется неизмен­

ным.

Характеристики реактивного и активного моментов сопротив­

ления приведены на рис.

(J)

а

о

Рис.

1.2.

1.2.

б

(J)

о

Мса

Характеристики реактивного (а) и активного (б) моментов сопротив­

ления движению

15

Особенностью характеристики активного момента сопротив­ ления является то, что момент при подъеме груза несколько пре­

вышает

момент

сопротивления

при

спуске

груза,

что

связано

с

учетом потерь на трение в механических передачах.

Согласно (со

первому

= const)

закону

Ньютона

равномерное

происходит при

равенстве

момента,

вращение

развиваемого

двигателем, и момента сопротивления, создаваемого рабочей ма­ шиной, т.е. М

=

Мс. Если М

-

тропривода, а если М< Мс

>

Мс, то получаем ускорение элек­

замедление.

Таким образом, при неравномерном вращении имеется раз­ ность между вращающим моментом двигателя М и статическим моментом Мс, т.е.

(1.1) где Мдин

-

динамический момент.

Если Мдин

*

О, то происходит изменение скорости механиче­

ской системы: при Мдин

ление.

>

О

-

ускорение, а при Мдин

Режим, при котором Мдин

*

<

О

-

замед­

О, называют динамическим

или переходным.

Изменение скорости (ускорение или замедление электропри­

вода) определяется с помощью второго закона Ньютона:

мдин

d(j)

= м- мс = J dt'

где ](кг·м 2 )

-

(1.2)

момент инерции всех движущихся частей, приве­

денный к валу двигателя. Следует отметить, что формула

(1.2)

справедлива, если мо­

мент инерции постоянен. Уравнение, отражающее второй закон Ньютона

для

вращательного

движения,

называют

уравнением

движения электропривода. В уравнение движения электропривода входит момент сопро­

тивления движению Мс, приведенный к валу двигателя. Пересчет

Мс рм, возникающего на валу рабочей машины, к валу двигателя называют приведением момента. Если рабочая машина приво­ дится

(рис.

от

1.3),

электродвигателя

через

редуктор

или

мультипликатор

то в соответствии с законом сохранения энергии при

увеличении (уменьшении) скорости в

l

раз, во столько же раз

уменьшается (увеличивается) момент. С учетом КПД

(11)

полу­

чим момент на валу рабочей машины:

(1.3) откуда

приведенный

рабочей машины:

16

к

валу

двигателя

момент

сопротивления

2

1

3

Мс рм mрм Рис. 1.3. Кинематическая схема электропривода: 1 - электродвпгате.'Iь; 2 - передаточныii механпзм;

мс

= MCJ'\1/iYJ,

где

i

= ma/mp,

1

3 -

рабочая машпна

(1.4) -

передаточный коэффициент редуктора

или мультипликатора

(i > 1)

(i < 1).

Приведение момента инерции рабочей машины к валу двига­ теля производится из уравнения баланса кинетической энергии. Если рабочая машина приводится в движение через редуктор (мультипликатор), то момент инерции}', приведенный к валу двигателя, определяется по формуле

] / = ]"" ' 1-

(1.5)

,')

где ]р, 1

момент инерции исполнительного органа рабочей ма­

-

шины.

Общий момент инерции электропривода равен сумме приве­ деиных

к

валу

двигателя

моментов

инерции

всех

движущихся

частей электропривода, включая двигатель. Моменты инерт~ии электролвигателей привалятся в каталогах.

Иногда в каталогах приводится значение махового момента GD 2 . Для того, чтобы на йти момент инерции, нужно GD 2 разделить на

=

2

четыре, т.е.] GD /4. Воспользовавшись уравнением

( 1.2),

можно определить время

пуска, торможения и реверса электропривода

(1.6) При этом нужно иметь зависимости статического момента и момента, развиваемого двигателем, как функции скорости.

17

1.3.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Моменты, создаваемые двигателем и исполнительным органом

рабочей машины, могут иметь разные значения при различных частотах вращения.

При выборе электродвигателя необходимо, чтобы его элек­ тромеханические свойства соответствовали технологическим тре­

бованиям приводимой им рабочей машины. К электромеханиче­ ским свойствам в первую очередь относится механическая харак­ теристика.

Механической

характеристикой

электродвигателя

называют

зависимость между частотой вращения вала двигателя и разви­

ваемым им n =/(М). Вместо частоты вращения вала n можно записать w =/(М), так как эти величины пропорциональны w = = тсп/30. Механические характеристики асинхронного двигателя

Асинхронной называется электрическая машина, обмотка ста­ тора

которой

подключается

к

источнику

переменнаго

обмотка ротора выполняется короткозамкнутой чьей клетки) или фазной, при этом

тока,

а

(в виде бели­

ее выводы подключаются

к контактным кольцам, расположенным на валу электрической

машины. У славное графическое обозначение асинхронного ко­ роткозамкнутого двигателя приведено

зажимы

для подключения обмотки

на рис.

1.4,

на котором

статора к сети обозначены

С1, С2, СЗ.

CI

С2 СЗ

Рис.

1.4.

ческое

Условное

изображение

хронного

асин­

короткозамкнуто­

го двигателя

18

графи­

У

асинхронных

двигателей

(АД)

частота

меньше частоты вращения магнитного

вращения

поля статора.

ротора

Принцип

действия АД основан на электромагнитном взаимодействии меж­ ду

вращающимся

магнитным

полем

статора,

создаваемым

систе­

мой трехфазного тока, протекающего по его обмотке, и токами в обмотке ротора, протекающими под действием наводимой в ней ЭДС.

Угловая скорость вращающегося магнитного поля зависит от

числа пар полюсов двигателя р и частоты перемениого тока подводимого к обмотке статора: ш

= 2nfjp.

(1.7)

При р = магнитного

3000

f,

1

и

поля

f

Гц угловая

50

=

составит

ша =

скорость вращающегося рад/с,

314

что

соответствует

обjмин.

Электромагнитное взаимодействие между статором и ротором АД возможно только при наличии разности угловых скоростей вращения ша

=

ш

магнитного

поля

статора

ша

и

ротора

ш,

так

как

при

магнитное поле статора неподвижно относительно ротора

и в обмотке последнего в соответствии с законом электромагнит­ ной индукции не может индуцироваться ЭДС и, следовательно,

ток в ней протекать не будет. Отношение

s = ffio -

(J)

= по -

ffio называется

ш

п

(

1.8)

по

= ша, s = 1

скольжением

при ш

асинхронной

машины

(s =

О

при

= 0).

Электромагнитный момент М на валу асинхронной машины пропорционален величине магнитного потока и активной состав­

ляющей тока в обмотке ротора, которая зависит от величины скольжения.

Если известны параметры обмоток статора и ротора АД, то его электромагнитный момент может быть определен по формуле

(1.9)

где т

Rc -

-

число фаз обмотки статора; И

-

фазное напряжение сети;

активное сопротивление фазы обмотки статора;

Rp -

активное

сопротивление фазы обмотки ротора, приведеиное к статору; Хс индуктивное сопротивление фазы обмотки статора; Хр

-

-

индуктив­

ное сопротивление фазы обмотки ротора, приведеиное к статору.

19

Из

(1.9)

вытекает, что момент АД является сложной функци­

ей скольжения

s,

который имеет максимум при скольжении Sю

называемый критическим моментом.

Критическое скольжение по параметрам обмоток двигателя определяется по формуле

( 1.10)

Подставив

(1.10)

в

(1.9),

получим выражение для определе­

ния критического момента

(1.11)

Значение Мк обычно определяют с помощью коэффициента перегрузочной способности асинхронного двигателя Л, приводи­ мого в каталогах:

мк

= ЛМНОМ'

где Мном -

( 1.12)

номинальный момент АД при Sном (Sном -

номинальное

скольжение двигателя, также приводимое в каталоге). Критическое скольжение Sк по данным каталога часто опреде­

ляют по приближенной формуле

(1.13) Номинальный момент АД (Н·м) вычисляют по формуле

Мном

= 9550 рном

где Рном

пном

-

(1.14)

'

номинальная мощность двигателя (кВт); nном

-

номи­

нальная частота вращения (об/мин). Электромагнитная мощность, передаваемая через воздушный зазор от статора к ротору АД, определяется по формуле

Рэ

= Мшо = Рп + Рм = РэS + Рэ(1 - s),

где

Рп

=

Мш 0 s

скольжения); Рм гателя; М

-

-

мощность

потерь

= Мш 0 (1 - s) -

( 1.15) в

цепи

ротора

(мощность

полезная мощность на валу дви­

электромагнитный момент АД.

Для расчета механической характеристики АД мощностью бо­ лее

20

100

кВт пользуются

упрощенной формулой Класса.

( 1.16) Часто требуется рассчитать характеристику только в рабочей части в интервале от

s

= О до Sю где она почти прямолинейна. В

этом случае применяют формулу

м= мном s.

( 1.17)

5 ном

Значение пускового момента АД можно определить подста­ новкой

s= 1

в формулу

(1.9) (1.18)

или по данным каталога

( 1.19) где Км

кратность пускового момента по отношению к номи­

-

нальному, приводимая в каталогах.

Номинальный 1 1 ном и пусковой 11 п токи статора АД определя­ ются по паспортным данным:

J

-

1ном-

рном .10

h

"\/ 3 Ино м

COS

3

.

Шном, то нужно снижать момент Мдоп (участок бв), чтобы мощность оста­ лась допустимой (участок гд). Таким образом, электропривод может работать в двух режимах: при постоянном моменте или при постоянной мощности.

Существует группа рабочих машин (вентиляторы, центробеж­ ные насосы и компрессоры), у которых регулирование скорости вверх

от

номинального

значения

может

привести

к

значитель­

ным перегрузкам, так как момент, создаваемый ими, существенно (в ряде случаев во второй степени, а мощность в третьей степе­

ни) зависит от скорости.

1.8.

ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ

СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Важнейшая задача современного электропривода

-

экономич­

ное и плавное регулирование его координат (скорости, перемеще­

ния, тока и др.) в требуемом диапазоне с высокой надежностью. В целях автоматизации и обеспечения энергетической эффек­ тивности технологического процесса транспорта углеводородного

сырья требуется регулирование скорости электроприводов цен­

тробежных насосов и компрессоров. Регулированием

называется принудительное

изменение

ско­

рости электропривода в соответствии с требованиями технологи­ ческого процесса, независимо от момента статической нагрузки на валу двигателя.

Диапазон vегулирования скорости

-

это отношение средних

значений скоростей, полученных из максимальной и минималь­

ной

по

скорости

механических

характеристик

при

изменении

нагрузки на валу двигателя в заданных пределах. Определение диапазона регулирования показано на рис. ответствует максимальной, а прямая

2 -

1.19,

где прямая

1

со­

минимальной по скоро­

сти механической характеристике электродвигателя.

Предположим, что регулировочные характеристики будут пе­ ремещаться вниз параллельна характеристике

1,

имея ту же же­

сткость ~· При этом нижней предельной характеристикой, обес­ печивающей требуемый максимальный момент Мю будет харак­ теристика

2.

Диапазон регулирования будет определяться как отношение максимальной скорости к минимальной: нему

моменту

из

заданных

D = COmax/COmin

минимального

и

по сред­

максимального

его

значения Мер= Из

(Mmax- Mmin)/2. графиков (см. рис. 1.19) найдем М

шах

+М.

mш.

2р

comin

=

М

шах

-М

min

(1.28)

2р

откуда получим

(1.29) Из

формулы

(1.29)

следует,

что

диапазон

регулирования

зависит от жесткости механической характеристики электродви-

41

м

Mm~x Рис.

1.19.

К определению диапазона

регулирования

скорости

вода

электропри­

Рис.

1.20.

К

определению

статиче­

ской ошибки регулирования скорости электропривода

гателя: чем больше жесткость, тем больше диапазон регулиро­ вания.

Точность регулирования при заданном моменте нагрузки ха­

рактеризуется ошибкой ~сос (рис. 1.20). Для электропривода с линейной механической характеристикой статическая ошибка

(1.30) т.е. величина статической ошибки обратно пропорциональна же­ сткости механической характеристики. Плавность регулирования оценивают коэффициентом плав­ ности

К

пл

где

=

(J)

.

cpz cocpi-cocp(i-1) '

cocpi -

cocp(i- 1) -

(1.31) средние угловые скорости двух близлежащих

механических характеристик соответственно.

Коэффициент плавности в пределе стремится к бесконечно­ сти, поскольку разность двух близлежащих средних скоростей приближается к нулю. Направление регулирования скорости: регулирование выше и ниже основной скорости, определяемой естественной механи­

ческой характеристикой (двухзонное регулирование); прямое и

обратное направление скорости (нереверсивный и реверсивный электропривод).

Допустимая нагрузка двигателя. Двигатель при работе должен быть полностью использован по нагреву. Лучший вари­ ант для обеспечения этого условия, если требуемый способ регу-

42

Рис .

1.21.

Механические характери-

стики электропривода, работающего

а

М

в различных режимах:

а

-

Мс = coнst, Рд , = coнst; б

-

Ре =

= coнst, м_, " = coнst

~--,_----~---------+----

L'..w

w

б м

Рис .

1.22.

времени

График

скорости

изменения

во

~----,_--------------~-- 00

электропривода

(пер еходная характеристика)

о ли рования

(в

режиме

постоянного

момента

или

постоянной

мощности) двигателя и рабочей машины совпадают. Если же момент сопротивления рабочей мощности Мс

= const, 43

а регулирование скорости осуществляется при Р

= const,

то во

всем диапазоне регулирования ~сос будет недоиспользована мощ­ ность двигателя (рис. 1.21, а). Если же для рабочей машины, ра­ ботающей при Ре = const, применить привод, работающей при М = const, то двигатель также будет недогружен в диапазоне из­ менения скорости ~со (рис. 1.21, б). Несоответствие этих зависи­ мостей вызывает недоиспользование двигателя по нагреву, при этом

ухудшаются

также

и

другие

характеристики

электропри­

вода.

Динамические показатели качества регулирования оцени­

ваются: быстродействием, перерегулированием и колебательно­ стью.

Быстродействие

оценивают временем tp (рис.

1.22),

в тече­

ние которого график изменения скорости входит в заданную зо­

ну ~

(2 ... 5 %)

отклонения скорости от установившегася значе­

ния СОу.

-

Перерегулирования го

отклонения

скорости

процентпае к

отношение

установившемуел

максимально­

значению

скорости

соу, т.е.

(J)

CJ =-m_ax_

-(J)

__::_Y

100 %.

Колебателъностъ го отклонения

(1.32) процентпае

-

скорости к

отношение

установившемуел

максимально­

значению

скорости

соу, т.е.

(1.33) где Ai и Ai +l соответственно амплитуды колебаний, разделен­ ные периодом колебаний. Экономичность регулирования технико-экономических

расчетов,

-

определяется

которые

учитывают

на

основе

капиталь­

ные затраты на реализацию выбранного способа регулирования и эксплуатационные расходы, обусловленные обслуживанием регу­ лируемого

электропривода

и

его

энергетическими

показателями

(КПД и коэффициент мощности).

1.9.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ СКАЛЯРНОГО УПРАВЛЕНИЯ

ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ Принцип

скалярного

управления

частотно-регулируемого

асинхронного электропривода базируется на изменении частоты и текущих значений напряжения, магнитного потока и тока дви­ гателя.

44

Управляемость двигателя при этом может обеспечиваться взаимосвязанным регулированием либо частоты и напряжения, либо частоты и тока статора двигателя. Первый способ управле­ ния принято называть частотным управлением, а второй тотно-токовым

час­

-

управлением.

Выбор способа управления определяется совокупностью ста­ тических, динамических и энергетических требований к электро­ приводу.

Скалярный принцип частотного управления наиболее распро­ странен в электроприводах с асинхронным двигателем.

При частотном управлении электромагнитный момент АД за­ висит

от

частоты

и

напряжения

перемениого

тока,

питающего

статор электрической машины. Наличие двух независимых кана­ лов управления (уровнем напряжения и частотой) дает возмож­

ность реализовать в системе преобразователь частоты

-

асин­

хронный двигатель (ПЧ-АД) различные законы управления.

Академиком М.П. Костенко установлено, что при сохранении

=

постоянной перегрузочной способности двигателя Л

Мк/Мном

регулирование параметров АД и сети должно осуществляться по закону

(1.34) где Мю Мном

-

соответственно критический (максимальный) и

номинальный момент электродвигателя; М 1 , М2 -

значения элек­

тромагнитного момента, соответствующие величинам

магнитного

потока Ф 1 и Ф 2 , U1 и U2 - значения напряжений на статоре; ft, значения частоты перемениого тока, питающего статор двига­

h-

теля.

Если индексы величин знаменателей в формулах

(1.34)

отне­

сти к номинальным значениям (напряжению и частоте тока се­

ти), то можно записать

u1 - 1,

гм:-.

Ином- fном V~' здесь U1, h - напряжение

(1.35) и частота на выходе преобразователя

частоты.

Обозначив И1/Ином

= у;

h/fном

=

а; М1/Мном

= fl,

окончательно

получим

у= а

.Jfi.

Управляя двигателем в соответствии с выражением

(1.36) (1.36)

при

неиасыщенной магнитной системе электрической машины, мож-

45

но сохранить практически неизменным коэффициент мощности,

скольжение, перегрузочную способность независимо от измене­ ния частоты.

Виды нагрузки определяют различные формы взаимосвязан­

ного статического управления напряжением и частотой. При постоянном моменте нагрузки

у= а, или

(1.37)

U/f = const.

Закон, определяемый формулой

(1.37),

часто называют номи­

нальным.

При постоянной мощности Р = cMf = const, где с - конструктивная постоянная двигателя, будем иметь

(1.38) Часто нагрузка зависит от скорости:

(1.39) При вентиляторной нагрузке

У = J;

( n = 2)

21 f:roм = а · 2

2

(1.40)

Механические характеристики привода, сохраняющего теоре­

тически постоянство перегрузочной способности двигателя при вышеуказанных видах нагрузки, приведены на рис.

б

а

(!)

(!)

= 1,0

0,8 0,6 (1

Р

о

1.23.

= const

= 0,2

о Рис.

Механические

характеристики

м электропривода,

о

м

управляемого

системе преобразователь частоты - асинхронный двигатель: а - при постоянном моменте; б - при постоянной мощности; в торной нагрузке

46

Однако,

в

(!)

(1

1.23.

-

по

при вентиля­

как видно из графиков, изображенных пунктирными линиями, сохранить постоянство перегрузочной способности двигателя не удается. Это связано с тем, что с уменьшением частоты растет влияние падения напряжения в

активном сопротивлении статор­

ной цепи, которое при выводе основных законов управления не учитывал ось.

Влияние активного сопротивления статора скомпенсировано,

по закону

IR 1

R1

двигателя будет

если регулирование напряжения

осуществлять

компенсации, т.е.

-

U-IR

--т=const.

(1.41)

Для того, чтобы реализовать принцип скалярного частотного управления, необходимо в соответствии с выражением (1.35) взаимосвязано управлять напряжением на статоре

АД при изме­

нении частоты.

Скалярный принцип частотного управления наиболее распро­ странен в асинхронном электроприводе. Ему свойственна техни­ ческая

простота

измерения

возможность построения

переменных

величин

разомкнутых систем

а

также

управления

АД,

скоро­

стью.

Однако в разомкнутых системах ПЧ-АД не удается достичь

большого диапазона регулирования скорости, поскольку в значи­ тельной грузки

степени на

проявляется

механическую

влияние

изменения

характеристику

привода.

момента на­ В частотно­

управляемых замкнутых (с обратными связями по току, скорости или другим величинам) системах электропривода диапазон

ре­

гулирования скорости расширяется до 50:1. Разомкнутые системы скалярного управления (без обратной связи по скорости) являются относительно простыми и дешевы­

ми. Они характеризуются небольшим диапазоном регулирования скорости и низкой точностью. Несмотря электропривод

на со

низкие

показатели

скалярным

качества

управлением

во

регулирования, многих

случаях

полностью удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям. Это имеет прямое отношение к электроприводу турбомашин, требования к показателям качества регулирования к которому невысокие.

Сущность скалярного управления состоит в следующем. Пре­

образователю частоты (ПЧ) задается частота и амплитуда выходного напряжения. Частота задается либо напрямую с пуль­ та управления, либо с регулятора технологического параметра. В последнем случае используется обратная связь по технологи­ ческому параметру, т.е. давлению, расходу жидкости, температуре

47

и т.д., а необходимая амплитуда напряжения является функцией частоты.

Типовым законом в

является закон

U/f = const,

системах скалярного управления

который для рабочих машин с венти­

ляторной характеристикой не является с энергетической точки зрения оптимальным.

При скалярном управлении момент двигателя не регулирует­

ся, а определяется нагрузкой. В случае применепил регулятора

технологического параметра электропривод работает на такой скорости, которая обеспечивает заданный уровень технологиче­ ского параметра.

Скалярное управление может быть реализовано при отсутст­ вии датчиков напряжения, тока и скорости. Тем не менее,

все

современные ПЧ содержат датчики тока и напряжения для обес­ печения сервисных, защитных и других дополнительных функ­

ций.

Для ~рбомашин с вентиляторным моментом сопротивления

Мс

= Кмш

применяют закон скалярного управления И/f

= const,

что обусловлено тем, что в этом случае момент нагрузки имеет степенную зависимость от скорости. В связи с этим нет необхо­ димости поддерживать высокую перегрузочную способность во всем диапазоне частот,

т.е.

имеется

возможность

улучшить

энер­

гетические показатели при снижении скорости. При низких ско­

ростях двигатель привода турбомашины работает с малым мо­ ментом

нагрузки,

поэтому

падение

напряжения

на

активных

со­

противлениях статора и уменьшение перегрузочной способности мало влияют на работу двигателя в установившемся режиме. Рассмотрим законы скалярного управления при частотном ре­ гулировании скорости СД с неявно выраженными полюсами из

условия обеспечения заданной перегрузочной способности (угол нагрузки

8

= 8ном = const).

Электромагнитный

момент

СД

определяется

по

формуле

(1.22). Приняв допущение, что магнитная система СД не насыщена и

ЭДС пропорциональна току возбуждения, формулу

(1.22)

можно

записать в виде

UI

М=А-в sin8

f

(1.42)

'

где Iв- ток возбуждения СД; А

-

постоянная величина.

При постоянном значении угла нагрузки двигателя

(8 = const)

закон регулирования напряжения и тока возбуждения определя­ ется из соотношения

АИ

sin8 48

ном

I

в ном

мномfном

(1.43)

откуда следует

UIB

Mf

UHOMIB нам

мномfном.

При И/f

=

Инам!fном

(1.44)

= const

из

(1.43) получим зависимость то­

ка возбуждения СД от момента на валу:

(1.45) т.е. при

И/f

= const

ток возбуждения синхронного двигателя

должен изменяться пропорционально моменту нагрузки.

=

Для Iв/Iв нам = const из (1.43) также следует, что И/f = Инам!fном = const и регулирование производится при постоянном

моменте (М= Мном)· При регулировании в режиме постоянной мощности регули­ рование

осуществляется

только

изменением

частоты

при

неиз­

менных значениях тока возбуждения и напряжения. При частотном регулировании скорости СД для случая по­ стоянного

момента нагрузки

на

его

валу

напряжение

на выходе

ПЧ следует изменять по закону И/f = const при постоянном зна­ чении тока возбуждения. Если же момент нагрузки зависит от скорости, то наряду с изменением частоты требуется изменение напряжения и тока возбуждения СД.

f

1.10. РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ВЕНТИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Вентильным называют двигатель, в котором коммутация фаз

обмотки статора осуществляется с помощью полупроводникового коммутатора,

управляемого

сигналами

датчика

положения

ро­

тора.

Вентильные двигатели (ВД) сочетают в себе преимущества машин постоянного тока, так как имеют разнообразные механи­ ческие

характеристики,

хорошие

регулировочные

свойства,

и

бесконтактность асинхронных машин. Поэтому ВД также назы­

вают бесконтактными двигателями постоянного тока. Вентильный двигатель представляет собой систему (рис.

1.24,

а), состоящую из синхронной машины СМ, датчика положения ротора

ДПР, установленного на его валу, и внешнего электрон­

ного коммутатора ЭК. Синхронная машина имеет фазные обмот­

ки на статоре (якоре) и ротор с обмоткой возбуждения или постоянные магниты (для двигателей мощностью менее 50 КВт)

49

а

От в~ямителя и

+ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

wt

',

Uв

/

-

:!1_ - '---'-ot---+-t-'-''------1 wt'

Uc~~\юi Рис.

а

-

1.24.

Регулируемый электропривод с вентильным двигателем:

прпнцпппа.1:ьная схема; б

-

векторные дпаграммы магнптодвпжущпх сп.:т

(МДС) в фазных обмотках статора п графпкп фазных напряженпl!

из

материалов,

6·10 3 кА/м).

имеющих

большую

коэрцитивную

силу

(до

Электронный коммутатор обеспечивает ступенчатое измене­ ние фазных напряжений. Он включает в себя распределитель им­ пульсов РИ, управляющий транзисторами Т1- Т6 инвертора И.

Использование ДПР является особенностью вентильного дви­ гателя,

так

мутатора

как

сигналы

поступают

от

на переключение полупроводников системы

управления

в

ком­

зависимости

от

положения ротора, то есть частота выходного напряжения (или

тока) задается с помощью ДПР. Синхронный двигатель с таким

коммутатором представляет собой обращенный двигатель посто­ янного тока, в котором неподвижный статор является якорем, а вращающийся ротор

-

источником магнитного поля.

В ВД функции коллектора

обычной машины постоянного то­

ка выполняет коммутатор, а функции щеток

-

ДПР. В отличие

от двигателя постоянного тока в ВД якорь и коллектор (статор и коммутатор) неподвижны, а щетки (ДПР) и магниты, располо­ женные на роторе, вращаются. Коммутатор вместе с ДПР выпол­ няет те же функции, что и щеточно-коллекторный узел машины постоянного тока. При включенном ДПР коммутация фазовых

обмоток синхронного двигателя при вращении ротора аналогична коммутации в машине постоянного тока, осуществляемой кол­ лектором.

При

50

этой установке щеток в машине постоянного тока на

нейтраль соответствует в ВД пространственный угол между век­ тором

магнитного

потока

ротора

и

результирующим

потоком фазных обмоток статора, равный Мостовой

магнитным

эл. градусов.

90

трехфазный коммутатор (см. рис.

1.24,

а) осущест­

вляет шесть коммутаций за один оборот вала (одна пара полюсов двигателя) и аналогичен коллектору машины постоянного тока с шестью пластинами.

Таким образом, ВД представляет собой электрическую маши­ ну,

управляемую путем

изменения частоты

с

самосинхронизаци­

ей. Частотное управление с самосинхронизацией заключается в том,

что

управление

полупроводниками

коммутатора

осуществ­

ляется в функции углового положения ротора ВД и реализуется с помощью ДПР.

Датчики положения ротора ВД представляют собой встроен­ ный в двигатель узел, состоящий из чувствительных элементов, закрепленных на статоре

и сигнальных элементов, закрепленных

на роторе. В качестве ДПР используются различные типы датчи­ ков: индукционные, ЭДС Холла, фотоэлектрические и др. Разра­

ботаны также ряд косвенных методов определения положения ротора.

Принцип работы ВД поясняют диаграммы фазных напряже­ ний и токов (рис. 1.24, б). Если ротор синхронной машины СМ находится в положении

1,

При этом, как следует

из рисунка, обмотки статора А и С при­

соединяются

параллельна

то открыты транзисторы Т1, ТЗ и Т6. к

положительному

полюсу

источника

питания, последовательно с которыми соединена обмотка В. По­

этому на каждой из обмоток фаз А и С будет напряжение 1/З И, а на обмотке В - 2/З И (положение 1 на диаграмме фазных на­ пряжений). При повороте ротора на ЗО эл. градусов при открытых тран­

зисторах ТЗ и Т6 закрывается транзистор Т1 и открывается Т2.

Фазные напряжения становятся такими, как изображено в поло­ жении 2 на диаграмме (рис. 1.24, б). При этом изменится век­ торная диаграмма фазных токов и, следовательно, направление вектора результирующей магиитодвижущей силы (МДС), созда­

ваемой токами в трех обмотках статора (вектор большей длины, рис. см. рис. 1.24, б). При взаимодействии магнитного поля ротора с результирую­ щей

МДС

статора возникает вращающийся

момент двигателя,

определяемый по формуле

М

= С ФаРрез sin 8,

где С

ра;

-

(1.46)

конструктивная постоянная; Фа

Fрез

(меньше

МДС

-

магнитный поток рото­

-

результирующая

обмоток

90

эл. градусов) между векторами Фа и Fрез·

статора;

8 -

угол

51

За один цикл работы коммутатора ротор двигателя совершит один оборот, а частота вращения вала будет определяться часто­ той следования сигналов от ДПР. Скорость

ВД

можно

регулировать,

изменяя

напряжение

на

статоре и ток возбуждения. В последнем случае обмотка возбуж­ дения ВД получает питание от источника постоянного тока через контактные кольца и щетки.

Механические

тикам

двигателя

характеристики

постоянного

ВД

тока

с

аналогичны

характерис­

независимым

возбужде­

нием.

Для получения высокого качества регулирования в статиче­ ских и динамических режимах в электроприводах с ВД исполь­

зуются различные обратные связи. Диапазон регулирования скорости, который можно получить

в системе привода с ВД, имеющими

дополнительную обратную

связь по скорости, может достигать 1:50 000. Вентильные двигатели обладают рядом

положительных

свойств. К ним следует отнести возможность изготовления их в широком диапазоне мощностей, частот вращения и напряжений.

Они характеризуются высокой надежностью, большим сроком службы и высоким качеством регулирования. ВД могут быть вы­ полнены

во

взрывазащищенном исполнении.

Они

находят ис­

пользование для привода рабочих машин, для которых примене­ ние коллекторных машин либо затруднено, либо вообще невоз­ можно, и вместе с тем требуется, чтобы они имели характеристи­ ки коллекторных машин. Весьма перспективно применение ВД в электроприводах установок магистрального транспорта углеводо­

родного сырья.

По сравнению с АД, питаемым от преобразователя частоты, вентильный двигатель обладает следующими преимуществами: он имеет лучший КПД из-за отсутствия потерь на скольжение,

малый момент инерции и вследствие этого более высокое быст­ родействие и лучшую управляемость.

1.11.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ИСПОЛНЕНИЯ

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Большое разнообразие рабочих машин и различные условия окружающей среды, в которых они эксплуатируются, привели к

необходимости создания многочисленных конструктивных форм исполнения

электродвигателей.

Конструктивные

исполнения

электродвигателей определяются требованиями защиты от внеш­ них воздействий; климатическими условиями и условиями (кате­

гориями) размещения; способом монтажа; способом охлаждения.

52

Защитные

характеристики

электродвигателей

от

внешних

воздействий обозначаются кодом IP (первые буквы английских слов Intemational Promection - защита по нормам, рекомендуемым Международной электротехнической комиссией (МЭК)), за ко­

торыми следуют две цифры. Первая цифра (от О до 6) обознача­ ет код степени защиты от проникновения внутрь оболочки твер­ дых тел, а вторая (от О до

от попадания воды и влаги.

8) -

По степени защиты электродвигателей от внешних воздейст­

вий различают следующие виды исполнения электродвигателей:

защищенное, щенное,

каплезащищенное,

пылезащищенное,

брызгозащищенное,

закрытое,

герметичное,

водозащи­

взрывозащи­

щенное.

Защищенное

специальные

(IP21-IP22

и

приспособления

др.)

-

электродвигатели

(крышки,

кожухи,

имеют

сетки).

При

этом между крышками и щитами или станиной двигателя остав­

ляются щели, необходимые для циркуляции охлаждающего воз­ духа. Такие двигатели могут устанавливаться только в закрытых

помещениях, так как они не имеют приспособлений, защищаю­ щих ОТ ДОЖДЯ.

Ерызгазащищенное и каплезащищенное

(IP23-IP24

и др.)

-

двигатели имеют приспособления, защищающие их от проникно­ вения к токоведущим

и вращающимся частям

капель воды и во­

дяных брызг. В этих двигателях все отверстия, расположенные в верхних

частях

корпуса

и

подшипниковых

щитов,

закрывают

глухими крышками; отверстия, расположенные сбоку, защища­ ются

кожухами,

сетками.

крышками

и

жалюзи,

а расположенные

снизу

-

Такие двигатели могут устанавливаться на открытом

воздухе.

Водазащищенное

(IP55-IP56) -

электродвигатели недоступны

проникновению внутрь струй воды любого направления (в том числе и снизу). В них предусмотрены уплотнения прокладками и сальниками. Случайно попавшая в них вода вытекает или удаля­ ется охлаждающим воздухом. Такие электродвигатели применя­

ют на морских объектах нефте- и газодобычи. Пылезащищенное (IP65-IP66) - электродвигатели защищены от попадания внутрь пыли в опасных для нормальной работы количествах.

Закрытое

(IP44-IP54) -

внутреннее пространство электродви­

гателя изолировано от внешней среды. Герметичное

(IP67-IP68) -

электродвигатели

выполнены

с

особо плотной изоляцией от окружающей среды, препятствую­ щей сообщению с их внутренним пространством при определен­ ной разности давлений снаружи и внутри двигателя. Такие дви­

гатели могут работать под водой (водонепроницаемые). В нефтя­ ной

промышленности

получили

распространение

погружные

53

двигатели, предназначенные для длительной работы в жидкости (нефть, нефтепродукты).

Электродвигатели, предназначенные для работы в особых ус­ ловиях,

имеют

специальное

исполнение,

например,

взрывозащи­

щенное. Они могут работать во взрыва- и пожароопасной среде, так

как

их

конструкция

исключает

возможность

возникновения

взрыва и воспламенения газов в окружающем пространстве. При

взрыве газов, накопившихся внутри оболочки, пламя не может проникнуть в окружающую среду.

В зависимости от макроклиматических условий эксплуатации электродвигателей и категорий мест их размещения им присваи­

ваются определенные обозначения. Электродвигатели, предназначенные для эксплуатации на су­

ше, реках и озерах, в макроклиматических районах с умеренным

климатом, имеют обозначение У; с холодным тропическим тропическим

ше

-

-

ТВ; сухим тропическим Т;

-

-

ХЛ; влажным

ТС; сухим и влажным

для всех макроклиматических районов на су­

О. Электрооборудование, предназначенное для установки

на морских объектах в макроклиматических районах с умеренно холодным морским климатом, имеет обозначение М; с тропиче­ ским морским

-

ТМ; в неограниченных морских районах

-

О М.

Электрооборудование, предназначенное для всех макроклимати­

ческих районов на суше и на море, обозначается буквой В. В

зависимости

от

условий

размещения

предусматривается

различное исполнение электрооборудования, которому также присваивается определенное обозначение. Электрооборудование, которое может эксплуатироваться на открытом воздухе, имеет обозначение 1; в закрытом помещении, где температура и влажность воздуха несущественно отличаются

от наружного воздуха,

- 2;

в закрытом помещении, где колебание

температуры и влажности воздуха, а также воздействие песка, пыли существенно меньше, чем на открытом воздухе, мещениях с искусственно

виями (закрытые отапливаемые помещения)

повышенной влажностью

- 3;

в по­

регулируемыми климатическими усло­

- 4;

в помещениях с

- 5.

Буквы и цифры, обозначающие климатическое исполнение и категорию места размещения вводятся в условное обозначение типа электродвигателя. Например, СТД-6300-2УХЛ4

-

синхрон­

ный турбодвигатель (для привода центробежных насосов и ком­

прессоров) мощностью

6300

кВт, число полюсов

2 (3000

климатическое исполнение УХЛ, категория размещения

об/мин),

4.

Конструктивное исполнение электродвигателей по способу монтажа обозначается в соответствии со стандартом МЭК кодом, состоящим из двух букв IM1 (первые буквы английских слов Intemational Mounting) и четырех цифр.

54

Первая цифра обозначает конструктивное исполнение элек­ трических машин и определяет их группу (IM1- IM9). Наиболее распространены

группы:

IM1 lM2 -

подшипниковыми щитами;

электродвигатели

на

лапах

с

на лапах с двумя подшипнико­

выми щитами и фланцем на одном или обоих подшипниковых щитах; IМЗ -без лап с фланцем на одном или двух подшипни­ ковых щитах; IM4- без лап с фланцем на станине. Вторая цифра обозначает конструктивное исполнение бо­ лее детально. Так, в группе

(рис.

1.25-

IM1

исполнения

IM1001

и

IM1101

это машины с двумя подшипниковыми щитами соот­

ветственно на обычных и приподнятых лапах, а

маши­

ны с одним подшипниковым щитом. В группе

цифра

IM1201 lM2 вторая

характеризует вид лап (обычные или приподнятые), число флан­ цев (на одном или обоих щитах) и вид фланца (доступен или недоступен с обратной стороны). В группе IМЗ вторая цифра обозначает число подшипниковых щитов, число и вид фланцев;

-

при одном фланце

сторону двигателя, на котором он располо­

жен, и сторону, в которую обращена опорная плоскость фланца. В группе IM4 цифра О на втором месте обозначает машину с двумя подшипниковыми щитами и фланцем, доступным с обрат­ ной стороны, причем фланец расположен на стороне выступаю­ щего конца вала.

Третья цифра в группах

IM1-IM4

характеризует направление

конца вала; сравните например, исполнения IM1001, IM1011 и IM1031 (рис. 1.25), которые отличаются только положением дви­ гателя в пространстве.

Четвертая цифра во всех группах конца вала. Так,

1

и

обозначает исполнение

соответственно один и два цилиндриче­

2-

ских конца вала.

IM1001

2

IM1011

IM1031

IM1101

3

,-

~ "

'

~1

1

·

J~~

.

li ~:L f~~·· ~·, ,~

~

1

~~

Рис.

1.25.

:

i

1

L-.:.-....1

~

IMЗOII

IM2202 '-!

IM2001 //

·

щ-г-Тl

Jш ~-~s Р

t:pJ

IM2101

IM1201

!~

LJ"(: х

~

IM4001 6

Ш.Р

~

··6=1

Примеры коиструктивиого исполиеиия электродвигателей по способу

монтажа:

16 -

лапы;

2 - ва.>: 3 -подшипниковый 7 - стояковыii подш1шнпк

щпт;

4 -

приподнятые лапы:

5 -

фланец;

станпна;

55

В группу М7 входят электродвигатели со стаяновыми под­

шипниками (без

подшипниковых щитов).

полнение электродвигателя, имеющего код

вается следующим образом: вторая цифра на лапах; третья цифра цифра

1-

1 -

Конструктивное

ис­

IM7211 расшифровы­ 2 - электродвигатель

с фундаментной плитой; четвертая

с одним цилиндрическим концом вала.

Охлаждение электродвигателей

-

это процесс отвода от них

тепла с помощью хладагентов (жидкостей или газов). Система охлаждения может состоять из одной или двух цепей для цирку­ ляции хладагента.

Способ охлаждения электродвигателей обозначается кодом 1С (первые буквы английских слов Intemational Cooling, обозна­ чающих охлаждение по

нормам МЭК), и для каждой цепи цир­

куляции вводят группу знаков из одной буквы, обозначающей вид хладагента, и двух цифр. Буквой А, например, обозначают воздух,

w-

воду.

Первая цифра (0-9) обозначает устройство цепи циркуляции хладагента. Например, О - свободная циркуляция, когда хлада­

гент свободно подводится к двигателю из окружающей среды и свободно в нее возвращается; 4 - охлаждение при помощи на­ ружной поверхности двигателя, когда первичный хладагент цир­ кулирует по замкнутой системе и отдает свое тепло через по­ верхность корпуса вторичному хладагенту

-

окружающей среде.

Вторая цифра (0-9) обозначает способ перемещения хлада­ гента. Например, О - свободная конвекция, когда движение хла­ дагента осуществляется

за счет

разности

рующее действие ротора незначительно;

которой

температур,

1-

а

вентили­

самовентиляция, при

движение хладагента осуществляется вентилирующим

действием ротора или при помощи вентилятора на его валу;

7 -

перемещение при помощи отдельного и независимого устройства или подачей хладагента под давлением.

В обозначении способа охлаждения сначала пишут группу знаков для вторичного хладагента, а затем для первичного. Если

в качестве обоих хладагентов служит воздух, применяют упро­ щенное обозначение - букву А опускают. Большинство взрывазащищенных асинхронных электродвига­

телей

имеют закрытое

исполнение.

В них предусмотрены две

цепи охлаждения. В первой воздух циркулирует с помощью вен­

тилятора, установленного на валу ротора, по замкнутой системе и передает тепло корпусу машины. Во второй

цепи охлаждения

воздух из окружающей среды с помощью наружного вентилятора охлаждает наружную поверхность корпуса, который для увели­

чения теплоотдачи выполняют ребристым. Такой способ охлаж­

дения обозначают IC0141, где первые две цифры определяют способ охлаждения внешней поверхности электрической маши-

56

ны, а последующие две

-

внутренней.

В этом случае внешняя

поверхность машины обдувается вентилятором, а воздух внутри ее перемещается ротором или дополнительным вентилятором.

В электроприводах технологических установок магистрально­ го

транспорта углеводородного

вазащищенные

сырья

электродвигатели

с

находят применение

видом

взрывазащиты

взры­

«запол­

нение или продувка оболочки под избыточным давлением за­

щитным газом». Такие могут иметь код

IC37,

электродвигатели по способу охлаждения где первая цифра означает, что электриче­

ская машина имеет трубы для подвода и отвода воздуха, а вторая цифра

воздух перемещается вентилятором, оснащенным при­

-

водным

двигателем,

не

установленным

на

охлаждаемом

двига­

теле.

1.12.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБОМАШИН

И ГИДАИЛИЧЕСКОЙ СЕТИ Рабочим органом турбомашины (ТМ) (центробежный насос, вентилятор, компрессор) является рабочее колесо. Под действием центробежных сил при прохождении потока жидкости (газа) че­ рез рабочее колесо происходит увеличение энергии потока (дав­ ления и скорости). Характеристиками ТМ (рис.

1.26)

называют зависимости ос­

новных параметров (напора Н, мощности Р, КПД

(расхода)

Q при

леса диаметром

11)

от подачи

определенной угловой скорости ш рабочего ко­

D.

Одной из основных характеристик ТМ является ее расходно­

напорная характеристика

Q-H,

т.е. зависимость между расходом

и развиваемым ТМ напором.

Характеристики Q-H зависят от конструктивных особенно­ стей ТМ, они могут быть пологими, крутопадающими, имеющи­ ми максимум, а также провалы (рис.

1.27).

Характеристики Q-H турбомашины приближенно можно опи­ сать уравнением квадратичной параболы

(1.47) где Но- напор, развиваемый ТМ при

ческое сопротивление ТМ, с 2 jм 5 . Как следует из рис. 1.26 кривая

Q

~ О, м; Rтм- гидравли­

КПД ТМ имеет явно выра­

женный максимум, который определяет область (отмечена штри­

ховкой) наиболее рационального использования ТМ, т.е. область тех значений Q и Н, при работе с которыми и постоянной скоро­ сти колеса КПД ТМ оставался бы достаточно высоким.

57

H, P, 1l

1

н

1

Q Рис. 1.26. Характеристики турбома­ шины при постоянной скорости рабо­

о Рис.

1 - н= f(Q); 2 - р = f(Q); 3 - Т] = область = j( Q). Заштрихованная

1.27.

Типы характеристик

Q-H

турбомашин:

1-

чего колеса:

Q пологая;

имеющая

2 -

крутопадающая;

максимум;

4

-

3 -

имеющая

провал

рабочая зона

Следует отметить, что КПД насоса при номинальной частоте вращения не является номинальным. За номинальный КПД на­ соса принимается максимальное значение КПД при номинальной

частоте вращения рабочего колеса. Прочие значения КПД приво­ дятся в виде экспериментальных кривых в каталогах.

Реальные эксплуатационные характеристики ТМ могут быть получены только при совместном анализе характеристик ТМ и

гидравлической сети, на которую она работает (рис.

1.28).

Характеристика гидравлической сети показывает, какой напор

должен быть создан ТМ в начале сети для перемещения по ней определенного количества жидкости или газа. Этот напор скла­

дывается из двух составляющих: статического напора Не, идуще­ го на подъем жидкости (газа) на определенную высоту (геодези­

ческий напор), и динамического напора, необходимого для пре­ одоления сопротивления гидравлической сети. Потери напора на

внутреннее трение, трение потока о стенки трубопровода и на преодоление местных сопротивлений пропорциональны квадрату производительности ТМ. Характеристика гидравлической сети с постоянными парамет­ рами описывается уравнением

(1.48) где Не

-

статический напор, обусловленный разностью геодезиче­

ских отметок подачи и приема перекачиваемого вещества;

Re -

сопротивление сети, с 2 jм 5 , зависящее от ее протяженности, попе­ речного сечения

58

трубопровода,

шероховатости его внутренней

поверхности, наличия местных сопротивлений (колен, обратных клапанов, задвижек и др.), вязкости перекачиваемого вещества и др.

При отсутствии противодавления (Не= О) уравнение характе­ ристики сети примет вид

(1.49) Пересечение характеристики Q-H турбомашины и гидравли­ ческой сети (точка К на рис. 1.28) определяет рабочий режим ТМ (т.е. значения Q1, Н1 и 11 1, при котором будет работать уста­ новка.

Производительность

ТМ

можно

регулировать

следующими

способами: Изменением

1.

параметров

гидравлической

сети,

например,

дросселированием.

2.

Воздействием на конструктивные параметры самой ТМ, на­

пример, изменением угла атаки лопастей рабочего колеса. 3. Изменением скорости вращения рабочего колеса, воздейст­ вием на привод ТМ. При регулировании производительности ТМ воздействием на гидравлическую сеть характеристика ТМ остается неизменной, а

характеристика сети перемещается от предельной рабочей точки к1 (рис.

1.29)

Н, Т1

(задвижка полностью открыта) ДО точки Нз (за-

2

1

Q Рис.

1.28.

Работа турбомашины на

гидравлическую

сеть

с

постоянными

параметрами:

характеристика

1 -

2 -

характеристика

сети

при

Н,;

3 -

наличии

турбомашины; гидравлической

противодавления

характеристика

К- рабочий режим

(Q,

КПД;

Н1 )

точка

Рис.

1.29.

тельности

Регулирование производи­

турбомашины

изменением

параметров гидравлической (дросселированием):

сети

1 - характеристика турбомашины; 2 характеристика гидравлической сети с полностью открытой задвижкой; 3 - то же, с неполностью открытой задвижкой

59

движка полностью закрыта). ответствует вертикальному

Q=

Полностью закрытая задвижка со­

положению

характеристики

сети,

т.е.

О.

При таком способе регулирования возможно регулирование производительности

только

вниз

от

предельного

значения,

соот­

ветствующего полностью открытой задвижке. При дросселирова­

нии часть напора

W

(см. рис.

1.29)

теряется на регулирующем

устройстве.

Для устранения W, бесполезно теряемого в дросселирующем органе, в ряде случаев используют обточенное рабочее колесо. Однако решение об обточке и замене колес следует принимать, если работа с ним будет продолжаться длительное время и об­ ратная его замена потребуется не скоро. При замене рабочих ко­ лес целесообразно использовать стандартные колеса меньшего диаметра, изготавливаемые промышленностью.

При воздействии на конструктивные параметры ТМ (поворот

лопаток рабочего колеса либо направляющего аппарата) характе­ ристика сети остается неизменной, а характеристика ТМ изменя­

ет свою крутизну (рис.

1.30).

Если производительность регулируют изменяя скорость вра­

щения рабочего колеса, то характеристики ТМ перемещаются по вертикали, а характеристика гидравлической сети остается неиз­

менной (рис.

1.31).

Одной из основных особенностей нагрузочных машин для н

н

о Рис.

Q

1.30.

Регулирование производи­

тельности турбомашины воздействи­ ем на ее

параметры.

Характеристики: 1-2 - турбомашины при различных углах атаки лопастей рабочего колеса; 3 - гидравлической сети

60

о Рис.

1.31.

Q Регулирование производи­

тельности турбомашины изменением скорости рабочего колеса. Характеристика турбомашины: 1 - при номинальной скорости; 2 - при пони­ женной скорости; 3 - характеристика

гидравлической сети

привода является зависимость статического момента сопротивле­

ния на валу ТМ от угловой скорости Мс =/(со). На характер рас­ сматриваемой зависимости существенно влияет характеристика

гидравлической сети, на которую работает ТМ, а именно: соот­ ношение

между

статической

и

динамической

составляющими

напора.

При отсутствии статической составляющей напора (противо­

давления)

механическая

характеристика

ТМ

определяется

по

формуле

(1.50) где Мтр ~

0,05

Мном

-

момент, обусловленный силами трения.

При отсутствии противодавления справедливы следующие со­ отношения:

Q! _со!

Qz -

ffi2

или

Q = KQ

·со;

( 1.51)

(1.52)

(1.53)

мMz1 l.::J_J или М= Км· со 2 coz 2

(1.54)

)

и характеристики пропорциональности

(1.55) где н! и

Qj -

напор и производительность тм для данной сети

при номинальной скорости рабочего колеса ТМ. Формулы

(1.51)-(1.54)

называют формулами

приведения

к

новому значению.

По мере роста Не (противодавления)

сокращается диапазон

регулирования ТМ по производительности, а момент сопротив­ ления при снижении скорости уменьшается интенсивнее, чем это

определяется зависимостью (1.54). Обычно турбомашинами называют рабочие машины с венти­ ляторным характером нагрузки. Это определение не вполне пра­ вильно распространять на все ТМ, так как если для вентилято­ ров

характерна

квадратичная

зависимость

момента

от

скорости,

61

то для других ТМ, работающих на противодавление,

эта зависи­

мость оказывается более сложной. Поэтому под вентиляторной характеристикой нагрузки при­ менительно ко всем ТМ следует понимать некоторую характери­

стику, особенностью которой является существенное снижение момента сопротивления по мере уменьшения скорости вращения

рабочего колеса. Для облегчения условий пуска ТМ применяют меры по их разгрузке. Так, для турбокомпрессоров разгрузку осуществляют, соединяя полость нагнетания со всасом, а насосы обычно запус­ каются при закрытой задвижке. В этом случае энергия, подводи­ мая

к насосу расходуется

на перемешивание

и нагрев жидкости.

Такой способ пуска в большинстве случаев вызван желанием исключить удары и пульсации давления в гидравлической сети.

Пуск на закрытую задвижку применяется, если электрообору­ дование перекачивающего агрегата не может обеспечить пуск на открытую задвижку.

Пуск на открытую задвижку предпочтительней, так как обес­ печивает наименьшие динамические нагрузки в обвязке агрегата и благоприятно сказывается на работе обратного клапана. При наличии обратного клапана и пуске насоса на открытую задвижку на начальном

этапе

по

мере

увеличения

скорости

вра­

щения ТМ напор будет увеличиваться. Обратный клапан на этом этапе будет закрыт до тех пор, пока развиваемый насосом напор не станет равным lfc, которому будет соответствовать скорость СОм. Ниже этой скорости обратный клапан откроется, и насос бу­ дет работать на сеть с противодавлением, создавая момент со­ противления движению и напор, определяемые по более слож­ ным формулам, чем (1.50), (1.52). Для насосов

характерна существенная

зависимость

момента

сопротивления на валу от скорости, поскольку насосы обычно работают на сеть с противодавлением. Эта зависимость более резкая, чем квадратичная (вентиляторная).

При регулировании

скорости от нуля до СОм сначала зависимость носит квадратичный характер, а затем, когда насос разовьет напор, достаточный для преодоления статического напора lfc, характер зависимости Мс

= /(со)

=

изменится и будет зависеть от статической составляющей

напора.

Турбомашины, входящие в состав перекачивающего агрегата, создают нагрузочный момент на валу приводного двигателя.

Рассмотрев их характеристики, можно отметить особенности режима их работы: - режим их работы - продолжительный;

-

при наличии разности геодезических отметок осуществляет-

ся работа на сеть с противодавлением;

62

-

требуемый диапазон регулирования производительности от номинального значения; наиболее совершенным способом регулирования производи­

30-40 % вниз

-

тельности является регулирование скорости вращение рабочего колеса;

-

при пуске с разгрузкой (соединение полостей нагнетания и

всасывания) пусковой момент не превышает ке на закрытую задвижку составляет

(0,4+0,8)

0,4

Мном, а при пус­

Мном·

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Назовите основные элементы, входящие в состав электро­

1.

привода.

В чем заключается отличие автоматизированного электро­

2.

привода от неавтоматизированного? Назовите

3.

преимущества электропривода по

сравнению

с

другими видами привода.

Что такое статические активный и реактивный

4.

моменты

сопротивления движению?

Чем создаются статические активные и реактивные момен­

5.

ты сопротивления движению? Укажите их отличительные осо­

бенности.

6.

Напишите уравнение движения электропривода (уравнение

моментов) и объясните все его составляющие. На основании каких законов устанавливают формулы при­

7.

ведения статических моментов к оси вала двигателя? На основании каких законов устанавливают формулы при­

8.

ведения моментов инерции движущихся частей к оси вала двига­

теля?

9.

Дайте определение механической характеристики

двигате­

ля и рабочей машины.

1О.

Назовите

основные

параметры

механической

характери­

стики асинхронного двигателя.

11.

Какое влияние на момент асинхронного двигателя оказы­

вает снижение напряжения?

12.

Почему изменяется скольжение асинхронного двигателя с

изменением нагрузки?

13.

От каких параметров двигателя зависит критический мо­

мент и критическое скольжение асинхронного двигателя?

14.

Напишите уравнение

Класса для

характеристики асинхронного двигателя.

расчета механической

Укажите область

его

применения.

15.

Перечислите традиционные способы пуска асинхронного

двигателя. Укажите их недостатки.

16.

Объясните принцип действия синхронного двигателя.

63

Начертите

17.

механическую

характеристику

синхронного

двигателя.

18.

Какое влияние на момент синхронного двигателя оказыва­

ет снижение напряжения?

19. Как отразится на режиме работы синхронного двигателя увеличение тока возбуждения? 20.

С какой целью при пуске синхронного двигателя в цепь

обмотки возбуждения вводится резистор? Назовите

21.

основные

типы

механических

характеристик

электродвигателей.

22.

Назовите основные типы тормозных режимов электродви­

гателей.

23.

Назовите основные способы регулирования скорости асин­

хронных и синхронных двигателей.

24.

Напишите формулы, определяющие зависимость расхода,

напора, момента и мощности для турбомашины, работающей на гидравлическую сеть без противодавления. 25. Назовите способы регулирования производительности тур­ бомашин. 26. Назовите виды электродвигателей по степени защиты обо­ лочки от внешних воздействий. Каким кодом обозначаются за­ щитные

характеристики?

Каким кодом обозначаются конструктивные исполнения электродвигателей по способу монтажа? 28. Каким кодом обозначается способ охлаждения электродви­

27.

гателей?

•

Глава

2

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА И САМОТЕХНИКА

УСТРОЙСТВ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

2.1.

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СОВРЕМЕННЫХ

УСТРОЙСТВ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Одним из эффективных направлений энергосберегающих тех­ нологий в настоящее время является широкое применение уст­ ройств силовой электроники. Достигнутый за последние

20

лет

уровень развития этой наукоемкой и быстроразвивающейся об­ ласти техники выдвинул ее на передовые рубежи высоких тех­ нологий. Промытленное освоение полностью управляемых силовых по­

лупроводниковых приборов, характеризующихся высокими зна­ чениями коммутируемой мощности, КПД, массагабаритных по­ казателей и надежности, позволило осуществлять экономичное

преобразование электроэнергии и открыло широкие возможности для создания современных преобразовательных устройств. В

нефтегазовой

промышленности устройства силовой

троники находят все большее

элек­

применение в коммутационных

аппаратах, устройствах плавного пуска и регулирования скорости

электроприводов технологических установок, агрегатов беспере­

бойного питания и др. Силовая электроника лением

потоками

область техники, связанная с управ­

-

электроэнергии

посредством

мощных

элек­

тронных приборов, которые, как правило, работают в ключе­ вых режимах, пропуская или блокируя поток электроэнер­ гии, что

лять

позволяет, изменяя

усредненными

требуемым

законам.

алгоритмы их переключения, управ­

значениями

Это

мгновенной

интенсивно

мощности

развивающаяся

по

область

науки и техники, охватывающая по существу все сферы деятель­

ности человека-промышленность, добывающие

отрасли, транс­

порт и др.

Основными элементами силовой электроники служат полу­

проводниковые приборы, обладающие характеристикой ключево-

65

го

элемента,

которые

коммутируют

(включают

и

отключают)

участки электрической цепи. Действие ключевого элемента основано на том, что во вклю­

ченном состоянии он обладает очень малым, а в выключенном весьма большим сопротивлением. Обозначение ключевого элемента показано на рис. 2.1, а. Основными противление

параметрами

во

ключевого

включенном

и

элемента

выключенном

являются

состояниях,

со­

оста­

точное напряжение и быстродействие, определяемое временем переключения.

Вольт-амперная характеристика «идеализированного:\> ключе­

вого элемента показана на рис. Элементы

с

такими

2.1, б.

вольт-амперными

характеристиками

имеют два устойчивых состояния: включенное, соответствующее

Rвю

=

О (участок

1

вольт-амперной характеристики); выключен­

ное, соответствующее Rвык1

=

оо (участок

2).

При этом должно

обеспечиваться мгновенное переключение из одного состояния в другое, и наоборот, по соответствующему логическому сигналу управления ну левой мощности.

Реальные ключевые элементы, у которых Rвю =1= О и Rвьп;.1 =1= оо, могут лишь приближаться по своим параметрам к «идеализиро­ ванным:\>. При этом разные параметры накладывают и различные ограничения на возможность эффективного использования клю­ чей.

Так,

например,

вольт-амперная

характеристика

реального

элемента, имеющего падение напряжения при прямом токе !'!.И5 и

обратный ток Ы 5 (рис.

2.1, в), определяет

потери мощности в

ключе в проводящем и непроводящем состояниях.

Потери

мощности

в

ключе

сказываются на

КПД

силового

электронного устройства, поэтому их снижение является одной

из основных задач разработчиков приборов.

б

в

is

is 1

а

s

Вы кл.

~)---В кл. is

-

---

11Us

2

0

о

Рис. 2.1. Обозначение ключевого элемента (а). Вольтамперные характеристики ключевых элементов: идеализированного (б); реального (в)

66

Динамические потери в ключевом элементе, возникающие в процессе

его коммутации,

накладывают ограничение

на

повыше­

ние рабочих частот силовых электронных устройств. В то же время повышение рабочих частот силовых электрон­ ных

устройств

вой

электронике

является

за

доминирующей

последние

годы.

тенденцией

Это

улучшить

дает

технико-экономические показатели ных устройств и повысить их быстродействие.

в

сило­

возможность

преобразователь­

В настоящее время функции ключевых элементов выполняют

полупроводниковые приборы различных типов. К элементам силовой электроники относят приборы, рассчитанные на пре­ дельные значения среднего или действующего значения тока бо­ лее

10

А.

Классификацию ключевых элементов проводят по степени их управляемости. При этом под признаком управляемости подра­

зумевают возможность переводить

прибор из проводящего со­ стояния в непроводящее и обратно посредством воздействия на него маломощным управляющим сигналом.

По степени управляемости управляемые полупроводниковые

приборы разделяются на следующие группы: 1. Не полностью управляемые приборы, которые можно с по­ мощью

управляющего

сигнала

переводить

только

в

проводящее

состояние, но не наоборот (традиционные тиристоры, симисто­ ры).

2. Полностью управляемые (запираемые) приборы, которые можно переводить в проводящее состояние и обратно посредст­ вом

управляющего

сигнала

(транзисторы,

запираемые

тири­

сторы). Силовая электроника,

начиная с 80-х годов прошлого столе­

тия, переживает вторую революцию.

Ее

интенсивное развитие

обусловлено освоением производства за последние

15-25 лет но­ вых полностью управляемых приборов силовой электроники, из которых в настоящее время наибольшее распространение полу­ чили следующие типы:

1. Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET- Metal-Oxide-Semicond uctor Field- Effect-Transistor ). 2. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT-Insulated Gate Bipolar Transistor). 3. Pfgbhftvst nbhbcnjhs (GTO-Gate-Nurn-Off). 4. Запираемые тиристоры, управляемые через затвор ( GCTGate-Commutated Thyristor). 5. Запираемые тиристоры с интегрированной системой управ­ ления (IGCT-Integrated Gate-Commutated Thyristor). 6. Запираемые тиристоры с полевым управлением (MCTMOS-Control Thyristor), содержащие в системе управления два 67

полевых транзистора,

один

из

которых

обеспечивает

процесс

включения, подавая импульс тока на управляющий электрод, а другой

-

процесс выключения тиристора.

Низкий уровень потерь энергии и малая мощность управле­

ния современных приборов силовой электроники позволяют реа­ лизовать

сталле

силовые интегральные схемы,

технологическими

приемами

в которых на одном

изготавливаются

кри­

силовые

ключевые элементы, устройства, их управления, защиты

и диаг­

ностики. Такие устройства получили название интеллектуальных

силовых ( Smart Intelligent) схем. Их можно определить как уст­ ройства, функционально и конструктивно объединяющие эле­ менты силовой и информационной электроники на основе высо­

ких технологий и интеграции. Области

применепил приборов

силовой электроники следующие:

Традиционные тиристоры (SCR) - преобразователи с естест­ венной (сетевой) коммутацией большой (свыше 1 Мв·А) мощно­ сти,

применяемые

ковольтных

для

электроприводов

регулируемых

постоянного

электроприводов

тока,

перемениого

высо­

тока,

мощных статических компенсаторов реактивной мощности, тех­

нологических целей (электролиз, гальваника, плавка).

Запираемые тиристоры свыше

1

(GTO) -

преобразователи мощностью

Мв·А для привода вентиляторов, компрессоров, насосов

(в том числе высоковольтных);

мощных агрегатов бесперебойно­

го питания (АБП); статических компенсаторов реактивной мощ­ ности.

GCT превосходит GTO по быстродействию и стойкости к скоростям изменения тока и напряжения. Последние разработки GCT способны блокировать напряжение до 6 кВ и управлять током до

6

кА.

Тиристоры

МСТ имеют ряд принципиальных преимуществ

перед тиристорами типа

GTO и GCT в отношении быстродейст­ вия и в более простой реализации системы управления. Область применепил GCT и МСТ аналогична GTO. Биполярные транзисторы с изолированным затвором

(IGBT)-

преобразователи мощностью до единиц МВ·А для электроприво­ дов перемениого тока, АБП, статических компенсаторов реактив­ ной мощности и активных фильтров, ключевых источников пи­ тания.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

высокочастотные

преобразователи

(сотни

(MOSFET) -

килогерц)

и низко­ вольтные преобразователи для приводов вентильных двигателей, компактных АБП, ключевых источников питания.

Симистары

(Triac) -

преобразователи для пуска и управле­

ния двигателями перемениого тока, ключи и реле.

Указанные выше полностью управляемые приборы силовой

68

электроники

в

настоящее

время

вытесняют практически

из всех

областей (за исключением устройств плавного пуска электродви­ гателей) применявшиеся ранее традиционные тиристоры

Silicon Controlled Rectifier) и биполярные силовые (BPT-Bipolar Power Transistor), так как при тех же мых

токах

и

напряжениях

они

имеют

значительно

мощности управления и время коммутации,

(SCR-

транзисторы коммутируе­ меньшие

стойкость к пере­

грузкам по току и напряжению, а также более широкую область безопасной работы. Высокие частоты коммутации (до 50 кГц), простота и малая мощность систем управления обеспечили зна­ чительное улучшение технико-экономических показателей

( сни­

жение габаритов и массы, повышение надежности и КПД) пре­

образовательного оборудования на базе IGBT по сравнению с оборудованием с использованием тиристоров (SCR).

IGBT

является

продуктом

развития

технологии

силовых

транзисторов и сочетает в себе два транзистора в одной полупро­

водниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Прибор введен в силовую цепь выводами биполярного транзистора Е (эмиттер) и С (коллектор), а цепь управления- выводом

G

(затвор).

Таким образом, IGBT имеет три внешних выхода: эмит­ тер, коллектор, затвор. Сочетание двух приборов в одной струк­ туре позволило объединить достоинства полевых и биполяр­ ных

транзисторов:

высокое

входное

сопротивление

с

высокой

токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включенном со­ стоянии.

Коммерческое

использование

прошлого столетия Параметры

IGBT

IGBT

началось

с

80-х

годов

и уже прошло шесть поколений их развития. существенно улучшались, утраиваясь каждые

два-три года.

IGBT

будет в устройствах силовой электроники занимать до­

минирующее положение как минимум следующее десятилетие.

По прогнозам в ближайшие годы IGBT полностью заменят традиционные биполярные транзисторы и GTO в преобразова­ тельном оборудовании мощностью до единиц МВ·А. В области малых мощностей и низковольтных преобразователей будут до­ минировать MOSFET, а в области больших мощностей (выше

3

МВ·А)

- IGCT

и GСТ.

За последнее десятилетие рядом фирм (АВЕ, «MitsuЬishi~ и др.) освоено серийное производство нового класса приборов си­ ловой электроники IGСТ-тиристоров, управляемых по затвору. По сравнению с

GTO

пряжения при прямом

у

IGCT

токе,

значительно снижены падение на­

мощность управления

снижена при­

мерно в 5 раз, уменьшены статические и динамические потери; значительно увеличено быстродействие. На базе IGCT изготов-

69

лен и с

1996

года проходит опытную эксплуатацию преобразова­

тель мощностью

100

Мв·А (г. Бремен).

Число квалификационных испытаний и опыт эксплуатации

преобразователей на базе IGCT показали, что для 3 Мв·А трех­ фазного инвертора можно получить наработку на отказ не менее 45 лет и интенсивность потока отказов не более 2300 FIT ( FIT соответствует одному отказу на миллиард часов).

Ожидается, что приборы IGCT будут основными элементами для применепил в области средних и больших напряжений мощ­ ностью от Таблица

0,5

до

100

Мв·А. Это достигается последовательным

2.1

Сравнительные характеристики современных приборов силовой электроники с двухсторонним теплоотводом

Относи­

Тип прибора

Преимущества

Недостатки

тельная стоимость

Традицион­

Самые

ный тиристор

включенном состоянии.

нудительному

Самая высокая перегрузочная

ранию

способность. Высокая надежность.

щему электроду. Низкая рабочая час-

(SCR)

низкие

Возможность и

потери

во

параллельного

последовательного

Не

способен по

к

при­ заии­

управляю-

тота

соеди-

нения

Запираемый

Способность к управляемому

Высокие

тиристор

запиранию.

включенном

Сравнительно

(GTO)

высокая

пере­

потери

во

нии.

грузочная способность.

Очень большие поте­

Возможность

ри

последователь­

в

системе

ного соединения.

ления.

Рабочие частоты до при напряжении до

управления.

250 Гц 4 кВ

2

состоя­

Сложные Большие

управ­

системы потери при

переключении

Запираемый тиристор

с

Способность к управляемому

Не

выявлены

из-за

запиранию.

недостаточного

опыта

Перегрузочная

интегриро­

способность

3

эксплуатации

такая же, как у GTO. Низкие потери во включен­

ванным управлением

(IGCT)

ном

состоянии

на

переклю­

чение.

Рабочие

частоты до

единиц

килогерц.

Встроенный

блок

управле­

ния.

Возможность

последователь­

ного соединения

Биполярный транзистор

с

изолированным

ром

затво-

(IGBT)

Способность к управляемому

Большие

запиранию.

включенном

Высокая рабочая частота (де­ сятки килогерц). Простая неэнергоемкая сис­ тема управления.

Встроенный драйвер

70

нии

потери

во

состоя­

4

соединением мощных приборов. возможность

последовательного

Высокая надежность соединения

и

IGCT

достаточного

коли­

чества приборов открывает широкие перспектины их примене­ ния в области очень высоких мощностей и в специальном сило­

вом оборудовании. По сравнению с другими

IGCT

приборами силовой электроники

не имеют реальных конкурентов в этом диапазоне мощно­

стей, так как соответствуют дополнительным требованиям по низкой стоимости, малому количеству элементов в преобразова­ теле и высокой эффективности. Модификацией запираемого тиристора

стью

управляемый

электродом

SGCT,

тиристор

с

GTO

является полно­

симметричным

управляющим

который имеет встроенный в модуль форми­

рователь импульсов управления (драйвер). Размещение драйвера

в непосредственной близости от прибора силовой электроники дает

возможность

снизить

индуктивность

цепи

управления,

что

обеспечивает эффективное управление.

SGCT имеет эксплуатационные характеристики, аналогичные IGCT (малые коммутационные потери и высокую надежность). По сравнению с GTO обеспечивает работу при более высоких частотах, что приводит к снижению массы и габаритов фильтров. В табл. 2.1 приведены сравнительные характеристики совре­ менных приборов силовой электроники, а в табл. 2.2 - парамет­ ры некоторых из них производства фирм АВЕ и «MitsuЬishi Electric~. Таблица

2.2

Параметры приборов силовой электроники Фирма-

Тип прибора Традиционный

«АВЕ

тиристор

tors»

GTO

Ток, А

Напряжение, в

Scmiconduc- 5STP 34N5200

3500

4400

Scmiconduc- 5SGT 30]6004

3000

6000

Scmiconduc- 5SHY 35L4502

4000

6000

1200 2400 600 6000 1200

4500 1700 6500 6000 3300

Марка

изготовитель

«АВЕ

tors» IGCT

«АВЕ

tors» IGBT

«MitsuЬishi

Elec- CM1200HC-90R СМ2400НС-34Н

tric»

CM600HG-130H FG6000AU-D

GCT IPM

(интеллекrуальный модуль) Пр и меч а н и я:

РМ1200НСЕ330-1

1.

Ток для традиционного тиристора

-

номинальный сред­

ний ток, для остальных (полностью управляемых) приборов повторяющийся запираемый ток.

2.

- максимальный IGBT - максимальное на­ приборов - повторяющийся им­

Напряжение для

пряжение коллектор-эмиттер, для остальных пульс напряжения в закрытом состоянии

71

Приборы силовой электроники выпускают следующие зару­ бежные фирмы: АВЕ (Швейцария), «lnternational Rectifier~ (США), «Semikron~ (ФРГ), «MitsuЬishi~ (Япония), «Fuji~ (Япо­ ния) и др. В России выпуск таких приборов осуществляют ОАО «Электровыпрямитель~

(г.

Саранск),

ОАО

«Контур~

(г.

Челя­

бинск), ОАО «Энергомодуль~ (г. Чебоксары) и др. Для

ройств

улучшения

технико-экономических

показателей

силовой электроники широко используется

уст­

интеграция

силовых ключей, соединенных, как правило, по типовым наибо­ лее распространенным схемам.

Интегрированные отдельные приборы в одном, обычно пласт­ массовом корпусе

с

теплоотводящим основанием

составляют мо­

дуль.

При этом металлическое основание для отвода теплоты отде­ ляется

от токоведущих

элементов

специальным

электроизоляци­

онным слоем. Этот слой, с одной стороны, обеспечивает необхо­ димую электрическую изоляцию интегрированных элементов, а с

другой

-

хорошую

теплопроводность

между

токопроводящими

элементами и металлическим основанием.

Следует отметить, что более половины всех современных си­ ловых полупроводниковых приборов выпускаются и будут вы­ пускаться в модульном исполнении.

В простейшем случае

мо­

дуль представляет собой один или совокупность силовых ключе­ вых элементов, а в более сложном - преобразователь параметров электрической энергии. Одно-, двух-, четырех- и шестиключевые

модули позволяют создавать компактные и надежные преобразо­ вательные

устройства.

Выпускаются

также

функционально

за­

конченные модули, например, преобразователь частоты, с проме­ жуточным звеном постоянного тока. На рис.

2.2

приведены схе­

мы

модулей IGBT, выпускаемых фирмой «Mitsubishi~. Обычно модули выпускаются с обратным и быстро восста­ навливающимися диодами (FRD) или без них. По быстродействию IGBT уступают MOSFET, но значитель­ но превосходят биполярные. Ток управления

IGBT

мал, поэтому

цепь управления- драй­

вер конструктивно компактна. В модулях

IGBT

драйверы могут

быть непосредственно включены в их структуру. Главные направления в области разработки перспектинных типов IGBT в ближайшие годы - это расширение диапазона ра­ бочих токов до 2000 А и рабочего напряжения до 12000 В, часто­ ты переключепил до

70

кГц при улучшении

формы

импульсов

и упрощении схем управления.

Применеине модулей позволяет значительно снизить массу,

габариты и стоимость преобразовательных устройств. Их исполь­ зование существенно влияет не только на технико-экономические

72

б

в

J J 2

Рис. 2.2. Схемы модулей IGBT: а - одноключевого; б- двухключевого (полумостового); в - трехфазного мосто­ вого; z - преобразователя частоты по схеме выпрямитель-инвертор

показатели оборудования, но и изменяет технологию проектиро­ вания устройств силовой электроники, сводя ее к выбору эле­

ментов высокой заводской готовности на требуемые входные и выходные параметры.

За последние годы значительно возросли параметры (ток, на­

пряжение,

быстродействие)

электроники:

диодов,

традиционных

транзисторов,

приборов

оптотиристоров

и

силовой тиристо­

ров. Кроме диодов одиночного исполнения выпускаются силовые

модули, включающие в себя последовательно-параллельные сборки и схемы мостовых конфигураций. Интеллектуальные силовые модули (IPM-Intelligent Power Modules) имеют высокий КПД и являются новым этапом разви­

тия силовых ключей на базе IGBT модулей. Они представляют собой функционально законченное изделие, исполненное в ком­ пактном

изолированном

корпусе.

Кроме

силовой части схемы

преобразователя (мостового одно- или трехфазного выпрямителя, мостового инвертора), могут содержать в одном корпусе также датчики, драйверы, устройства защит и диагностики, источники питания и др.

В настоящее время образователи частоты

в основном представляют собой пре­ электроприводов перемениого тока (ис­

IPM

ключая контроллер перемениого тока). В последующих поколе-

73

ниях

IPM

планируется

контроллер

на

базе

однокристальной

ЭВМ включить в состав модуля. Основной тенденцией развития современных полупроводни­

ковых устройств является переход от использования дискретных

компонентов к силовым электронным системам, объединяющим в едином конструктиве функции силовой электроники (преобра­ зователь на базе ключевых элементов, драйверы, устройства управления полупроводниковым прибором, устройства защиты) и информационной электроники (контроллер), датчики тока и напряжения, электрические аппараты и др.

У славные графические обозначения различных типов полно­ стью управляемых полупроводниковых приборов представлены на рис.

2.3.

Обозначения (рис.

электродов

биполярных

транзисторов

(ВТ)

а), используемые в отечественной и зарубежной лите-

2.3,

ратуре, следующие:

Б(В) - база (Base), Э(Е) -эмиттер (Eшitter), К(С) - коллек­ тор (Collektor). Для отпирания биполярных транзисторов следует по цепи эмиттер-база в направлении стрелки пропустить ток, величина которого значительно меньше (например, в

10-15

раз), чем ос­

новной рабочий ток, проходящий по цепи эмиттер-коллектор. Для запирания транзистора ток управления по цепи эмиттер­

база должен быть равен нулю, а для форсированного более на­ дежного процесса запирания к электродам

Б(В), Э(Е) должно

быть приложено отрицательное напряжение, формируемое, как правило,

отдельным

источником.

Полярность запирающего на­

пряжения должна быть направлена встречно по отношению к направлению отпирающего тока база-эмиттер. На рис. 2.3, б приведены условные графические изображения полевых транзисторов (FET-field-ef'fect traвsistшs) с индуциро­ ванным

каналом

n-

и р-типа:

б

а

К(С)

К

в

C(D)

С

г

К(С)

К

А(А)

Б(В)-Q Б -Q З(G)~ ~ З(G~ -ЧQ УЭ(G~ 3

Э(Е)

э

И(S)

и

Э(Е)

p-n-p

п-р-п

n

р

p-n-p

э

К( С)

п-р-п

Рис. 2.3. Условные графические обозначения полностью управляемых полу­ проводниковых приборов: а - бппо.'Iярных тр~нзпrторов (ВТ); б - по.!' Продолжительность пуска

tп может варьироваться в пределах от

2

до

30

с

( 1-90

с

-

специ-

U,%

t Рис. 2.23. Диаграмма изменения напряжения иа зажимах статора двигателя, реализуемая устройством плавного пуска и торможения

107

б

а

/1/ ном

1п н

/1/ ном

5 4

5 4

3 2

3 2

1п н

1 о

1 о

t

t

в

/1/ ном

5 4

1п н

3 2 1 о

Рис.

t

2.24.

Графики изменения во времени тока при пуске электродвигателя от

УППТ при способах управления: а - напряженнем на зажпмах статора; б - током; в ток пo.'Iнoi'I (номпна.>ьныi'I) нагрузкп УППТ

-

моментом двпгателя; lн

альная настройка), а продолжительность торможения tт

30

-

от

1

11 -

до

с. Пусковой ток двигателя может устанавливаться в пределах

fншr· В УППТ могут быть реализованы следующие способы управ­

(1-4)

ления:

напряжением

на

зажимах

статора,

током

двигателя,

мо­

ментом двигателя.

Управление напряжением обеспечивает теля,

однако

ток

и

момент

двигателя

при

плавный пуск двига­ пуске

не

контролиру­

ются. Поскольку отсутствуют обратная связь по току и контроль момента двигателя, при пуске возможны броски тока (рис. 2.24, а). Данный способ управления не пригоден для электроприводов с тяжелым пуском.

Управление током обеспечивает при пуске ограничение пуско­ вого тока. Изменение напряжения на зажимах статора происхо­

дит таким образом, что в течение большей части времени пуска ток двигателя поддерживается постоянным по величине встроен­

ным регулятором (рис.

108

2.24,

б).

Уровень ограничения пускового тока является основным па­ раметром

пуска и устанавливается

пользователем

в

зависимости

от конкретного применения.

Управление моментом является наиболее совершенным спосо­ бом пуска. В этом случае УППТ следит за требуемым значением момента, обеспечивая пуск с минимальным значением тока, тре­ буемым для создания этого момента. Применеине системы уп­ равления с контролем момента двигателя обеспечивает линейный график изменения скорости во времени, т.е. пуск при постоян­ ном ускорении.

В

некоторых

функции

УППТ

управления

возможна

насосом.

реализация

График

специальной

изменения

тока для такого управления показан на рис.

2.24,

во

времени

в. При таком

управлении устраняются гидравлические удары в трубопровод­ ной системе.

В случае пробоя тиристора предусмотрена функция аварийно­ го прямого пуска двигателя.

На

рис.

2.25

приведены

осциллограммы

тока

и

момента

двигателя при прямом пуске от сети и от устройства плавного пуска.

С помощью УППТ могут быть реализованы следующие спо­ собы торможения двигателя: скатом (плавным изменением напряжения на зажимах ста­

-

тора двигателя);

-свободным выбегом (отключением двигателя от сети); -в некоторых УППТ динамическим торможением (подачей в

обмотку статора постоянного тока). В последнем случае тиристорный блок УППТ работает как выпрямитель.

Фирмы поставщики представляют пользователю комплексное решение задач управления, реализуемых УППТ. Например, фир­

мой «Semikron~ разработан универсальный контроллер системы плавного пуска серии SKSS1, который включает в себя все эле­ менты, необходимые для управления тиристорным блоком УППТ трехфазного асинхронного двигателя.

Основные характеристики и возможности УППТ на базе кон­ троллера

•

SKSS1:

независимое

управление

режимом

пуска

и

останова

двига­

пуска

и

останова

двига­

теля;

•

регулирование

теля в диапазоне

• • та

продолжительности

1-100

с;

программируемый режим ограничения пускового тока;

мониторинг состояния неисправности, небалапса фаз; защи­

от

выхода

уровня

напряжения

из

допуска,

перегрузки

по

мощности, повреждения тиристорного модуля;

109

Прямой пуск

Плавный пуск

Рис.

2.25.

тока

и

Осциллограммы

момента

при прямом

двигателя

пуске

от сети

и от устройства плавного пуска

Ток

двигателя ......;...... [······! .. ····i...... j ......!

f..... ; ..... ~·····~·····~·····JI··; .. ··i·· ......;......;...... ;...... ;...... !·····

·····t·····t·····t·····f·"''

Момент двигателя

:::::с:.1::: т::::г· i·::~. :· 1.i±rJL . . ,. . .,. . ,. . ,

... "ftt'" :II!-I] J:Jj]:: ~:г· :

:

:

:

:

:

• светодиодпая индикация рабочего состояния, режима огра­ ничения тока, состояния неисправности, обрыва фазы, отказа тиристорного модуля и др.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Объясните различия

1.

между не полностью и полностью

управляемыми полупроводниковыми приборами. 2. Объясните принцип действия тиристора.

3. 4.

По каким признакам классифицируются тиристоры?

Назовите

преимущества полупроводниковых приборов

в

модульном исполнении.

Какие полупроводниковые устройства называют выпрями­

5.

телями?

6. 7.

По каким признакам классифицируют выпрямители?

Какие полупроводниковые приборы используют в неуправ­

ляемых и управляемых выпрямителях?

8.

Назовите преимущества шестифазных схем выпрямления

по сравнению с двухфазными.

9.

Объясните принцип действия преобразователя частоты с

непосредственной связью с сетью.

1О.

Какими средствами достигается изменение частоты и на­

пряжения на выходе преобразователя частоты с непосредствен­ ной связью с сетью?

11.

Назовите основные настроечные параметры графика изме­

нения напряжения на выходе УППТ. Возможен

12.

ли

пуск

синхронного

электродвигателя

от

УППТ?

13.

Дайте сравнительную оценку пуска электродвигателя от

УППТ и традиционных способов пуска.

14.

С какой целью в начале пуска электродвигателя на выходе

УППТ формируется импульс напряжения?

15. Нарисуйте графики изменения пускового тока во времени при способах управления, реализуемых в УППТ: напряжением, током, моментом.

16.

Объясните назначение аналоговых дискретных и релейных

входов и выходов в системе управления УППТ.

17.

Назовите способы торможения электродвигателей, реали­

зуемые с помощью УППТ.

•

Глава

3

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА

ГАЗА, НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

3.1.

НАЗНАЧЕНИЕ И ОПИСАНИЕ РАБОТЫ

КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРАНСПОРТА ГАЗА Основные месторождения газа в России расположены на зна­

чительном расстоянии от крупных потребителей. Подача газа к ним осуществляется по магистральным

газопроводам различного

диаметра. При движении газа из-за разного рода гидравлических

сопротивлений по длине трубопровода происходит падение его давления, что может привести к снижению пропускной способ­ ности газопровода.

Для поддержания заданного расхода транспортируемого газа и

обеспечения его оптимального давления в трубопроводе се газопровода устанавливаются компрессорные Современная компрессорная станция

-

по трас­

станции (КС).

это сложное инженерное

сооружение, обеспечивающее основные технологические процес­ сы по подготовке и транспорту природного газа. Принципиаль­ ная схема расположения КС вдоль трассы магистрального газо­

провода приведена на рис.

3.1.

Здесь же показаны изменения

давления и температуры газа между компрессорными станциями.

Компрессорная станция является неотъемлемой составной ча­

стью магистрального газопровода, обеспечивающего транспорт газа с помощью энергетического оборудования, установленного на КС.

Она служит управляющим элементом в комплексе со­

оружений, входящих в магистральный газопровод. Именно пара­

метрами работы КС определяется режим работы газопровода. Наличие КС позволяет регулировать режим работы газопровода при колебаниях потребления газа, максимально используя при этом аккумулирующую способность газопровода.

112

Рис. 3.1. Схема газопровода и изменения параметров газа (температуры и дав­ ления) вдоль трассы

На магистральных газопроводах различают три основные типа КС: головные, линейные и дожимные. Головные компрессорные станции (ГКС) устанавливаются не­ посредственно

после

газового

месторождения

и

предназначены

для поддержания необходимого давления газа для его дальней­ шего

транспорта

по

магистральным

газопроводам,

когда

в

ре­

зультате разработки газового месторождения пластовое давление в нем снижается.

Характерной особенностью ГКС является высокая степень сжатия на станции, обеспечиваемая последовательной работой нескольких

газоперекачивающих

агрегатов

(ГПА).

На

ГКС

предъявляются повышенные требования к качеству подготовки газа

очистке его от механических примесей, осушке от газово­

-

го конденсата и влаги, а также удаления, при их наличии, побоч­ ных продуктов (сероводорода, углекислоты и т.д.).

Линейные компрессорные станции устанавливаются на магист­ ральных газопроводах, как правило, через

100-150

км. Назначе­

нием КС является компримирование поступающего на станцию

природного газа, с давления входа до давления выхода, требуе­ мого для обеспечения постоянного и заданного расхода газа по магистральному газопроводу. Крупные магистральные газопрово­

ды строятся в основном на давления р =

7,45

сматриваются

газопроводов

ление

9,8

При

и

возможности

11,8

строительства

и

8,3

МПа. Рас­ на

дав­

М Па.

повышении

давления

увеличивается

толщина

стенки

трубопровода, стоимость единицы его длины, однако эксплуата­ ционные расходы при этом снижаются.

113

Дожимные компрессорные станции (ДКС) устанавливаются на подземных хранилищах газа (ПХГ). Назначением ДКС является подача газа в подземное

хранилище газа от магистрального газо­

провода и отбор природного газа из подземного хранилища (как правило, в зимний период времени) для последующей подачи его

в магистральный газопровод или непосредственно потребителям газа. ДКС строятся также и на газовом месторождении при паде­

нии пластового давления ниже давления в магистральном трубо­ проводе. Отличительной особенностью ДКС от линейных КС является высокая степень сжатия

(2-4),

улучшенная подготовка

газа (осушители, сепараторы, пылеуловители), поступающего из подземного

хранилища

с

целью

его

очистки

от

механических

примесей и влаги, выносимых с газом.

Около потребителей газа строятся также газораспределитель­ ные станции ( ГРС), где газ редуцируется до необходимого дав­ ления (р

=

1,2; 0,6; 0,3

МПа) перед подачей его в сети газового

хозяйства. Количество

газа,

перекачиваемого

через

КС,

регулируют,

включая и отключая работающие газоперекачивающие агрегаты, изменепял частоту вращения приводного устройства нагнетателя и другими методами. Однако во всех случаях стремятся к тому,

чтобы необходимое количество газа перекачать меньшим числом агрегатов,

что

приводит,

естественно,

гии на нужды перекачки и,

к

меньшему

расходу

энер­

как следствие, к увеличению подачи

товарного газа по газопроводу.

Регулирование пропускной способности газопровода путем отключения работы отдельных КС при расчетной производи­ тельности газопровода обычно не практикуется из-за перерасхода энергозатрат на компримирование газа при такой схеме работы. И только в тех случаях, когда подача газа по газопроводу замет­ но снижается сравнительно с

плановой (например, летом),

от­

дельные КС могут быть временно остановлены. Все

ранее

сказанное

свидетельствует о

том, что

транспорт

газа на большие расстояния представляет собой весьма слож­ ную техническую задачу, от решения которой во многом зави­

сит развитие газовой промышленности и экономики страны в целом.

Компрессорная станция в зависимости от числа ниток маги­

стральных газопроводов может состоять из одного, двух и более компрессорных цехов, оборудованных одним или несколькими типами ГПА. Как правило, каждый цех КС работает на свой га­ зопровод. Из-за технологических соображений транспорта газа компрессорные цеха могут быть соединены специальными пере­ мычками на входе и выходе станции.

В зависимости от типа центробежных нагнетателей, исполь-

114

зуемых на КС, различают две принципиальные схемы обвязок Г ПА:

-

схему с параллельной коллекторной обвязкой, применяемую

для полнонапорных нагнетателей;

-

схему с последовательной коллекторной обвязкой, приме­

няемую для неполнонапорных нагнетателей. Полнонапорные натетатели. Проточная часть этих нагнетате­

лей сконструирована таким образом, что позволяет при номи­ нальной

частоте

вращения

определяемую

1,45-1,50,

газа на входе и

ротора

создать

расчетными

степень

проектными

сжатия

до

давлениями

выходе компрессорной станции.

Неполнонапорные натетатели. Проточная часть этих нагнета­

телей рассчитана на степень сжатия до

1,23-1,25. В эксплуатации бывает необходимость в двух- или трехступенчатом сжатии, т.е. в обеспечении степени сжатия

1,45

и более. Последнее характерно

в основном для станций подземного хранения газа. В настоящее время на КС эксплуатируются электропривод­ ные

агрегаты

с

полнонапорными

нагнетателями

мощностью

12,5-25 МЕт и неполнонапорными нагнетателями 4-12,5 МЕт. Следует отметить, что неполнонапорные

мощностью нагнетатели

морально и физически устарели и их производство прекращено.

Полнонапорные нагнетатели соединяются между собой только параллельно, неполнонапорные нагнетатели объединяются по различным

схемам:

параллельно,

последовательно

и

по

смешан­

ным схемам. Обычно неполнонапорные нагнетатели в компрес­ сорном цехе разбивают на группы. Внутри каждой группы нагне­ татели соединяются последовательно, а группы между собой параллельно.

Преимущества по

сравнению

с

использования

полнонапорных

неполнонапорными

состоит

в

нагнетателей

значительном

уп­

рощении трубопроводной системы КС, уменьшении числа запор­ ной арматуры, а также в упрощении управления. Технологическая представлена на рис.

схема

линейной

компрессорной

станции

3.2.

Обязательным элементом КС на газопроводах большого диа­ метра

~

(D

1020-1420

мм) является наличие аппаратов воздуш­

ного охлаждения (АВО) газа. В них за счет высоких значений

коэффициентов оребрения

(примерно

8-20),

характеризующих

отношение площади наружной поверхности к площади поверхно­

сти гладких труб, при продувке вентиляторами охлаждающего воздуха осуществляется процесс теплообмена. Глубина охлажде­ ния газа в

ет

зависимости от числа включенных аппаратов достига­

15-25 ас. Охлаждение газа в АВО преследует две цели:

1.

Предотвращение

нарушения

антикоррозионной

изоляции

115

Рис. 3.2. Технологическая схема лииейиой компрессорпой станции: 1 - машетральный газопровод; 2 - кран; 3 - баikпасная лнння; 4 - пылеуловн­ те.адпте.>ь

3 -

му.>ьтпплпкатор;

4 -

газоотделптель;

5 -

~ккумулятор масла;

6 -

Рис.

(1

4.2.

агрегатов

Расположение в

компрессор­

ном цехе:

а

-

галерея нагнетателей;

б галерея приводных электродвигателей

б

осуществляется встроенными воздухоохладителями, работающи­ ми на пресной или морской воде.

Выброс нагретого воздуха из двигателя с разомкнутым цик­ лом вентиляции осуществляется через жалюзи в корпусе статора.

Двигатели

мощностью

6300, 8000

кВт с

разомкнутым

циклом

вентиляции оснащаются встроенными фильтрами грубой и тон­

кой очистки поступающего воздуха и коробами отвода воздуха за пределы зоны обслуживания. Технические характеристики электродвигателей для привода

центробежных нагнетателей приведены в табл.

4.1.

Главные приводные электродвигатели компрессорной станции (КС) устанавливают вне помещения нагнетателей, которое явля­

ется помещением со взрывоопасной зоной. Нагнетательный цех отделяется от машинного зала перегородкой. Однако не исклю-

124

СТД

п

р

2

12500

УХЛ4 Вид кли.иатичесtшго исполнения и категория раз.иещения

(УХЛ4, УХЛ3.1, Т4)

Цикл вентиляции

(Р- разо.икиутый,

Число полюсов

Мощность

П- продуваелtый; М

12500

3- за.икиутый)

2

кВт

- .иодернизированный;

Г- для гаювого нагнетttt111!ЛЯ

Синхронный турбодвигатель

Рис.

4.3.

Структура условного обозначения двигателя

Т а б .'1 11 ц а

4.1

Технические характеристики электродвигателей для привода

центробежных нагнетателей Номп-

Номн-

Н().'IЬНi1Я

налъное

мощ-

напряже-

Двнгате.'lъ

ПОСТЪ,

нпе ста-

кВт

тора, кВ

Частота

Крат-

враще-

Н ОСТЪ

HIIЯ,

кпд

обjм11н

пускового тока

КратН ОСТЪ пускового момента

СТД-4000-2

4000

-

6 10

3000

--

0,975 0,974

7,22

2,07

СТД-5000-2

5000

-

6 10

3000

0,976 0,975

6,69

1,92

СТД-6300-2

6300

-

6 10

3000

--

0,975 0,976

6,28

1,62

СТД-8000-2

8000

-

6 10

3000

--

0,979 0,977

6,93

1,76

СТД-10000-2

10000

-

6 10

3000

0,978 0,979

8,1

2,06

СТД-12500-2

12500

-

6 10

3000

--

0,979 0,978

8,86

2,24

Пр н меч а н (опережающий).

11 е.

Коэффнцнент

MOЩHOCTII

э.'Iектродв11гатеrеl!

cos

(р][Щ[

=

0,9

125

чается возможность установки электродвигателей и компрессо­

ров в общем зале при использовании взрывазащищенных машин. В качестве таких машин могут служить электродвигатели СТ ДП, выпускаемые промышленностью для тех же напряжений и мощ­ ностей, что и двигатели СТ Д.

Питание обмоток возбуждения синхронных двигателей осу­ ществляется от тиристорных возбудителей. Применеине тиристорных возбудителей обеспечивает бесшум­ ность, сокращение площади и отсутствие фундамента, возмож­ ность

использования

в

системах автоматического

(например, для поддержания постоянства

cos

регулирования

ер или напряжения

на шинах), малые мощности сигналов управления и др.

Тиристорные возбудители, выполняемые с различными схе­ мами

соединения

тиристоров

в

зависимости

от

мощности

син­

хронных приводов, находят все большее применение в нефтяной и газовой промышленности.

Тиристорные возбудители предназначены как для питания обмотки возбуждения, так и для управления и автоматического регулирования тока возбуждения при прямом и реакторном пус­ ке, синхронном и аварийном режимах синхронных двигателей

серии СТ Д. В схеме возбуждения предусмотрены режимы авто­ матического, ручного и аварийного управления током возбужде­

ния и режим опробования. При работе в режиме ручного управления возбудитель обес­ печивает:

1.

Автоматическую подачу возбуждения при прямом или ре­

акторном пуске в функции скольжения ротора в диапазоне изме­

1-5 % или в функции тока статора. 2. Плавное регулирование тока возбуждения в диапазо­ (0,3-1,1) Iвном с возможностью подстройки граничных преде­

нения скольжения не

лов.

3. Ограничение минимального значения напряжения возбуж­ дения в диапазоне (0-0,5) Ивном· 4. Ограничение тока возбуждения по максимуму значением, регулируемым в пределах

(1,2-1,8)

Iвном·

Ограничение тока возбуждения с выдержкой времени при длительной перегрузке обмотки ротора величиной, регулируемой

5.

в пределах

(0,9-1,1) Iвном· 6. Форсирование по напряжению, кратностью не менее 2,25 Ивном при номинальном напряжении сети и форсированном токе возбуждения кратностью 1,8 Iвном· 7. Гашение магнитного поля при штатных и аварийных от­ ключениях двигателя путем перевода тиристорного преобразова­ теля в инверторный режим.

8. 126

Стабилизацию тока возбуждения с точностью

±5 %

при

изменении температуры обмотки возбуждения от холодного со­ стояния до установившегася теплового режима и при изменении

напряжения питания возбудителя в диапазоне (0,85-1,1) Ивном· Возбудитель обеспечивает защиту от: внутренних коротких замыканий в преобразователе; внешних коротких замыканий на стороне постоянного тока; потери возбуждения и затянутого пус­ ка синхронного двигателя со временем срабатывания, регулируе­ мым в пределах от 5 до 20 с. При работе в режиме автоматического управления возбуди­ тель обеспечивает автоматическое регулирование тока возбужде­ ния

с

целью

поддержания

заданного

значения

напряжения

на

статоре, коэффициента мощности, а также параметра, косвенно соответствующего углу

нагрузки

8

двигателя.

В возбудителе предусмотрен автоматический переход в режим автоматического управления,

в

управления

результате

при

которых

неисправностях могут

в

возникнуть

системе

недопусти­

мое снижение тока возбуждения или выпадения электродвигате­ ля из синхронного режима.

В режиме опробования проверяется работоспособность систем управления и защит тиристорного преобразователя, автоматиче­ ского регулятора возбуждения при отключенном от сети статоре двигателя.

Система управления синхронного двигателя может оснащать­

ся

подсистемой

автоматического

кратковременного

исчезновения

самозапуска

напряжения,

двигателя

повлекшего

после за

со­

бой отключение двигателя от сети. Для

уменьшения

пика

тока,

который

вследствие

сложения

ЭДС, наводимой в обмотке статора магнитным полем выбегаю­ щего ротора,

с вновь

появившемся

напряжением

на статоре дви­

гателя может значительно превышать пусковой ток, используется система гашения магнитного поля.

Принцип работы возбудителя в режиме ручного и автомати­ ческого управления можно уяснить из функциональной схемы (рис.

4.4).

Основным элементом возбудителя является основной тири­ сторный преобразователь ОП, который получает питание от сети перемениого тока через автоматический выключатель сующий

силовой

преобразователя

трансформатор

входит

система

Т1.

В

состав

51

и согла­

тиристорного

импульсно-фазового

управле­

ния ик.

Параллельна

MS

обмотке

возбуждения

через тиристорный ключ

сопротивление

синхронного

V1F, V2F

подключено

двигателя пусковое

R1. Последовательно с обмоткой возбуждения

включено токовое герконовое реле К. Последовательно с пуско­ вым сопротивлением включен трансформатор тока Т2. Управле-

127

380

Рис.

4.4.

Фуикциональная схема тиристорноrо возбудителя серии ВТЕ-320

в

ние тиристорным преобразователем осуществляется импульсами, поступающими из импульсно-фазовых каналов ИК.

В режиме ручного управления на вход блока сумматора уста­ вак и ограничений СУО поступают сигналы от схем: пуска П,

форсирования тока возбуждения Ф, инвертирования напряжения возбуждения И, ограничения тока ротора ОТР, защиты от корот­ кого замыкания ЗКЗ, датчиков тока ротора ДТР и схемы стаби­ лизации тока ротора СТР. В режиме автоматического управле­

ния схема стабилизации тока отключается переключателем ре­

жимов работы 52 и на вход сумматора уставак поступает сигнал от блока автоматического регулирования возбуждения АРЕ. Схема ограничения тока ротора ОТР предназначена для ог­ раничения

тока

ротора

при

перегрузке,

причем

время

ограниче­

ния сигналом обратно пропорционально величине перегрузки. Входным сигналом схемы служит сигнал от датчика тока ротора ДТР, составной частью которого являются трансформаторы тока

ТЗ-Т5. Ключ управления

КУ служит для включения цепи статора

масляным выключателем

Q

при прямом пуске двигателя от сети.

Он может быть также использован в качестве ключа разрешения при управлении синхронным двигателем со стороны.

При самозапуске двигателя к тиристорному возбудителю предъявляется требование погасить магнитное поле статора дви­ гателя до допустимого значения за время перерыва электропита­

ния, которое определяется в большинстве случаев временем сра­ батывания систем АПВ и АВР, составляющим 0,5-2,5 с. Сигнал на форсированное гашение магнитного поля подается в возбуди­ тель в этом случае не от масляного выключателя

Q

двигателя, а

от аппаратуры, определяющей перерыв питания в сети, напри­

мер, реле

направления мощности и др. На рис.

4.4

замыкающий

контакт такой аппаратуры обозначен ФГ. Наиболее эффективным методом форсированного магнитного

поля

статора является

сочетание

режимов

гашения инверти­

рования и протинавключения тока ротора. Для обеспечения это­ го режима в схему возбуждения вводится дополнительный пре­ образователь ДП, выполненный по нулевой или мостовой схеме.

Питание

дополнительного

преобразователя

осуществляется

от

согласующего трансформатора Т1 через выключатель SЗ.

Технические характеристики тиристорных возбудителей серии ВТЕ-320 приведены в табл. 4.2. При отключении масляного выключателя

Q происходит

также

форсированное гашение поля двигателя вследствие перевода ос­

новного преобразователя в инверторный режим. Схема защиты от затянувшегася пуска ЗЗП представляет со­

бой реле времени, которое срабатывает при протекании тока че-

129

Таблица

4.2

Технические характеристики тиристорных возбудителей серии ВТЕ-320-6

Тип воз б у-

Схема

Номипальвый

выпрям-

выпрям-

дителя

ления

ленный ток, А

Но ми-

Макси-

пальвое

мальное

выпрям-

выпрям-

ленное

ленное

напря-

напря-

жение, В

жение, В

75

170

при

Коэффици-

номи-

ент

моrо

пальной

мощ-

двиrате-

нагрузке

н ости

ля

кпд

Тип воз-

буждае-

ВТЕ-

Трех-

320/75

фазная с

1600-2

нулевым

стд-

ВЫВОДОМ

2000-2

ВТЕ-

320/115

320

Трехфазная с

320

115

91,0

260

92,2

~

~

0,32

0,32

стд-

стд-

2500-2 стд-

нулевым

3150-2

ВЫВОДОМ

стд-

4000-2 ВТЕ-

320/150

ВТЕ-

320/230

Трехфазная

320

150

340

91,5

~

0,37

стд-

5000-2

м ос то-

стд-

вая

6300-2

Трехфазная

320

230

520

92,8

~

0,37

стд-

8000-2 стд-

м ос то-

10000-2

вая

стд-

12500-2

рез пусковое сопротивление. Сигнал на включение схемы защи­ ты поступает от трансформатора Т2. Ток через пусковое сопро­ тивление протекает при пуске под воздействием ЭДС, индуци­

руемой в обмотке ротора. Схема выполняет также

функции

защиты от асинхронного

хода и исчезновения тока возбуждения. В последнем случае сиг­

нал в схему поступает от реле тока возбуждения К. При этом срабатывание схемы приводит к отключению масляного выклю­ чателя

Q.

Схема

защиты

от

короткого

замыкания

ЗКЗ

действует

в

функции тока ротора. Сигнал в схему поступает от датчика то­

ка ротора ДТР. Схема срабатывает при превышении заданной уставки тока преобразователя, т.е. при любых случаях корот­ ких замыканий в силовых цепях возбудителя. Срабатывание схемы

сов ля

в

приводит

к

прекращению

преобразователь

и

подачи

отключению

управляющих

масляного

импуль­

выключате­

Q.

Схема пуска П предназначена для блокирования импульсов управления преобразователем на период пуска двигателя. Она

130

работает в функции частоты скольжения, т.е. частоты тока в пус­ ковом сопротивлении. Схема состоит из трансформатора тока Т2 и схемы измерения длительности одного из полупериодов тока в

его вторичной цепи. частота

тока

ротора

Как известно, по мере разгона двигателя уменьшается,

а

длительность

полупериода

увеличивается. Преобразователь включается при снижении час­ тоты

тока до

заданного

значения,

соответствующего

скольжению

при входе двигателя в синхронизм.

Схема форсирования возбуждения Ф срабатывает при паде­ нии напряжения в статорной цепи двигателя.

Схема получает

сигнал на срабатывание от трансформатора напряжения Т6. Автоматический регулятор возбуждения АРЕ служит для ав­ томатического регулирования тока возбуждения. Сигналы в АРЕ поступают от датчика тока ротора ДТР, трансформатора напря­

жения Т6, трансформатора тока статора Т7 (или трансформатора тока узла нагрузки) и задающего потенциометра

R1.

Регулирование в ручном режиме осуществляется при помощи потенциометра

R2,

напряжение управления с которого подается в

схему стабилизации тока ротора СТР. Сумматор уставак и ограничений СУО служит для суммиро­

вания

сигналов,

поступающих

от

различных

функциональных

блоков и является устройством связи между этими блоками и импульсно-фазовыми каналами основного тиристорного преобра­ зователя ОП.

Различные блоки системы управления получают питание от стабилизированного источника питания БП (цепи питания раз­ личных блоков на рис.

4.4

не показаны).

Схема защиты от затянувшегася пуска питается от трансфор­ матора напряжения Т6 (на рис.

4.4

цепь питания показана пунк­

тиром). В режиме аварийного управления функционируют схемы пус­ ка,

защиты

от

затянувшегася

пуска

и

от

исчезновения

тока

возбуждения. Переход в этот режим осуществляется либо вручную, либо автоматически при помощи схемы индикации неисправностей. В

этом режиме ряд блоков не участвует в работе схемы управления синхронным двигателем.

В настоящее время, наряду с аналоговыми системами управ­

ления возбудителей синхронных двигателей, находят применение цифровые системы. ОАО «НИПОМ~ (г. Дзержинск) разработан возбудитель тиристорный цифровой ВТЦ-СД-320. Назначение возбудителя - управление током возбуждения синхронных дви­ гателей мощностью от 4000 до 125000 кВт при пуске, останове, синхронном и системой

аварийном режимах,

а также

автоматического управления

взаимодействие

ЭГПА и

АСУ

с

компрес-

131

сорных цехов и газоперекачивающих станций магистральных га­ зопроводов.

Основной

регулятор

возбудителя

выполнен

Octagon Systems CPU Fastwell 686е и

мытленного контроллера

5066-586 133 ции

пуска,

МГц или останова,

защиты

двигателя,

на

базе

про­

с процессаром типа

осуществляет функ­ высокоэффективного

цифрового регулирования возбуждения. Резервный одноплатный микропроцессорный регулятор способен самостоятельно выпол­ нять функции, аналогичные функциям основного регулятора.

Управление возбуждением осуществляется по более простому закону - стабилизация тока возбуждения на уровне, задаваемом оператором.

Основные технические характеристики возбудителя ВТЦ-СД-320

Номинальный ток возбуждения, А.............................................. Ряд номинальных напряжений возбуждения, В.................... Номинальная мощность по ряду напряжений, кВт.............. Кратность форсировки по току................................................. . ... Схема выпрямления............................... .. ...... .. ...... .. ...... .. ...... .. ..........

Габаритные размеры, мм...................... .. ...... .. ...... .. ...... .. ...... .. .......... Масса, кг, не более..............................................................................

320 115; 150; 230 30,8; 48; 73,6 1,8 Трехфазная

мостовая

700х800х2200

400

Для синхронных двигателей во взрывазащищенном исполне­

нии используются бесщеточные системы возбуждения. Отсутст­

вие скользящих контактов в цепях возбуждения бесщеточных синхронных двигателей обеспечивает ряд преимуществ: отпадает проблема износа контактных колец, меньше расходы на эксплуа­ тацию, возможна работа во взрывоопасных зонах и др. Бесщеточный возбудитель состоит из вращающегося диоднога выпрямителя, обращенного синхронного генератора и защитного устройства. Обмотка возбуждения синхронного двигателя М (рис.

4.5)

питается от трехфазного мостового диоднаго выпрями-

Q

Рис. ская

4.5.

Принципиальная электриче­

схема

управления

синхронного

двигателя с бесщеточной возбуждения

132

системой

теля

подключенного к якорю генератора Г, находящемуел на

V,

одном валу с двигателем. Защита выпрямителя и генератора от

перенапряжений защиты

от

при

пуске двигателя

перенапряжений.

При

осуществляется

появлении

блоком

повышенного

на­

пряжения на обмотке возбуждения двигателя, имеющего обрат­ ную полярность

VT1, VT2

по отношению к выпрямителю

отпираются и включают резисторы

R2,

V,

тиристоры

RЗ. Датчик то­

ка возбуждения Р А служит для защиты от пере грузки. Обмотка возбуждения ОВ синхронного возбудителя питается от тири­ сторного выпрямителя

Управление

VB

и трансформатора ТВ от сети

возбуждением

оперативного

управления

осуществляется БОУ

и

с

помощью

автоматического

0,4

кВ.

блока

регулятора

возбуждения АРЕ. Бесщеточная диодпая система возбуждения обеспечивает автоматическую синхронизацию двигателя в функ­ ции тока статора, автоматическое форсирование возбуждения (кратность по току 1,4 и более), а также ограничение длительно­ сти автоматического форсирования возбуждения (регулируется в пределах до 15 с) и защиту от асинхронного режима и коротких замыканий. Никаких мер по гашению магнитного поля при от­

ключении двигателя от сети не предусматривается. Поэтому при

диодной бесщеточной системе возбуждения длительность гаше­ ния поля довольно значительна.

Технические характеристики бесщеточных тиристорных воз­ будителей электродвигателей серии СТ ДП приведены в табл. 4.3. По

отдельному

заказу

электродвигатели

могут

оснащаться

цифровой системой регулирования тока возбуждения. Для питания обмотки возбуждения бесщеточных возбудите­ лей

синхронных

электродвигателей

серии

СТДП

ОАО

ХК

«ПРИВОД~ осуществляет поставку цифрового устройства серии КОСУР-120.

Таблица

4.3

Технические характеристики взрывозащищенных возбудителей электродвигателей серии СТ ДП

Тип

возбудительного

Мощность, кВт

Напряжение, В

Ток, А

Тип двигателя

БВУП-2

40

125

320

СТДП-2500 СТДП-3150 СТДП-4000 СТДП-5000

БВУП-3

80

250

320

СТДП-6300 СТДП-8000 СТДП-10000 СТДП-12500

устройства

133

Основные технические характеристики возбудителя КОСУР-120

Номинальное напряжение обмотки возбудителя, В .............................................. .. Номинальный ток, А ............................................................................................................. Кратность форсировки ....................................................................................................... . Длительность форсировки, с ............................................................................................ . Число каналов регулирования ......................................................................................... .

30-60 10 До 2 До 50 2

В системе электропривода газоперекачиваемого агрегата пре­ дусмотрены системы электрических и технологических защит.

Система защит электродвигателя включает в себя защиты от короткого

замыкания,

перегрузки,

замыкания

на

землю,

затяну­

того пуска, обрыва цепи обмотки возбудителя и выпадения элек­ тродвигателя

из

синхронизма,

снижения

напряжения

сети

ниже

допустимого значения и др.

ОАО

ХК ~ЛРИВОД~

приводов нагнетателей

для повышения надежности электро­

проведена модернизация двигателей се­

рии СТ Д. Для контейнерных Э ГПА разработаны электродвигате­ ли марок СДГ-12500-2 и СДГМ-12500-2. Двигатель марки СДГМ оснащен дополнительным

вентилятором

для

ускоренного охлаж­

дения ротора при пуске, в связи с чем допускает большее пре­ дельное число пусков, чем двигатель марки СТ Д

период

эксплуатации

у двигателя

СДГМ,

( 1000 пусков за 150 - у двигателя

СТД), а также имеет лучшие динамические характеристики. Для агрегатов станций подземного хранения газа (ПХГ) ОАО

ХК «ПРИВОД~ на базе синхронного двигателя разработан вен­ тильный двигатель

СДР-6300-2ПУХЛЗ, рассчитанный для час­

тотного пуска с питанием от преобразователя частоты и регули­ рования скорости, в диапазоне 0,6-1,05 от номинального значе­ ния.

Двигатель имеет разомкнутый цикл вентиляции и вид взры­

вазащиты «продувка под избыточным давлением~. Вход и выход воздуха

-

через воздуховоды в верхней части двигателя.

Возбуждение двигателя осуществляется от бесщеточной сис­ темы возбуждения с системой управления возбуждением от пре­ образователя частоты. Степень защиты оболочки двигателя -

IP44. Двигатель предназначен для работы в составе комплектно­ го

электропривода

КРЭП-6300

газоперекачивающего

агрегата

ЭГПА-Ц-6,3.

В ОАО ХК «ПРИВОД~ ведутся работы по разработке элек­ троприводных газоперекачивающих агрегатов ЭГПА-6,3/8200-56/ 1,44-Р «Кедр~, ЭГПА-4,0/8200-56/1,26-Р «Лысьва-Восток~ с вы­ сокооборотными асинхронными двигателями с частотой враще­

ния

8200

об/мин. Структура условного обозначения этих агрега­

тов приведена на рис.

4.6.

Двигатели комплектуются:

134

системой магнитного подвеса ро-

ЭГПА-6,3/

8200 -

56/

1,44-

р

"Ке р" "Кедр" -условное на~tмеtюванftе агрегата

ля реконструкщш

компрессорных цехов на КС

Степе11ь сжапtя Номнна

ьное рабочее давлен не, атм

Номllttальная частота врашеtшя, об/мшt

Номtшаль ная мошность, М Вт

ЭГ ПА- газоперека ч~tваюший агрегат с nptiBOдoм от регушtруемого э

Рис.

4.6.

ектродв11гате

я

Структура условного обозначения газоперекачивающего агрегата

тора с цифровой системой управления; аппаратурой воздушного охлаждения

двигателя

от

электроприводных

вентиляторов

воз­

душного охлаждения; системой управления, датчиками контроля теплового состояния двигателя и др.

Применеине электромагнитного подвеса ротора обеспечивает: исключение из компоновки агрегата мультипликатора;

использование компрессоров с высокой частотой вращения; исключение

системы

смазки

подшипников

и

соответственно

необходимости в запасах масла; повышение показателей надежности агрегата, его ресурса и

уменьшение затрат на обслуживание и ремонт; повышение

готовности агрегата к пуску, сокращение времени

пуска и др.

4.2.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ПРИВОДА

ГЛАВНЫХ И ПОДПОРНЫХ НАСОСОВ Атмосфера машинных залов насосных перекачивающих стан­ ций

(НПС)

для

перекачки нефти и

нефтепродуктов

при нор­

мальных условиях эксплуатации не содержит опасной концен­

трации паров

перекачиваемой

жидкости.

Однако в

аварийных

условиях или при возникновении неисправностей концентрация паров нефти или нефтепродуктов может достичь значения, при

котором помещение будет относиться к взрывоопасным, поэтому

135

устанавливаемое здесь электрооборудование должно иметь взры­ вазащищенное исполнение.

Электродвигатели применяются

как

привода

во

главных

и

взрывозащищенном,

подпорных так

и

в

насосов

нормальном

исполнении. В первом случае их устанавливают в одном поме­ щении с

сосной

насосами,

во

негорючей

втором

предпочтение

двигателям

ме

стоимости

меньшей

преимуществами:

-

в помещении,

перегородкой.

В

нормального

время

исполнения,

эти двигатели

уменьшаются

отделенном от на­

последнее

обладают

размеры

отдается

так

как

кро­

следующими

взрывоопасной

зоны;

улучшаются условия пожарной безопасности при ремонте двига­ телей, связанном с необходимостью пайки, сварки. Кроме того, в случае установки двигателей в общем помещении с насосами приходится

отключать

остальные

агрегаты

для

предотвращения

опасности взрыва, что вызывает остановку всей насосной стан­

ции.

Установка двигателей в отдельном помещении

позволяет

ремонтировать двигатель непосредственно на месте без отключе­ ния остальных агрегатов.

Для привода главных насосов на НПС используют синхрон­ ные и короткозамкнутые асинхронные двигатели на

3000

син­

хронных об/мин. Схемы управления и защиты синхронных двигателей серии СТ Д и СТ ДП для привода насосов в основном не отличаются от

схем для

привода центробежных нагнетателей компрессорных

станций.

Наряду с синхронными двигателями для привода центробеж­ ных насосов магистрального транспорта нефти находят примене­ ние асинхронные короткозамкнутые двигатели серии 4АТ Д на

напряжение 6 ( 1 О) кВ. Они могут иметь разомкнутый ( обозначе­ ние двигателей 4АРМ) и замкнутый (обозначение двигателей 4АЗМ) циклы вентиляции с расположением водяных охладите­

лей в яме фундамента.

Структура

условного

приведена на рис.

обозначения

двигателя

серии

4А Т Д

4.7.

Помимо основного исполнения

( 4АЗМ

и 4АРМ) серии элек­

тродвигателей производства ОАО «ЭЛСИБ~ (г. Новосибирск) имеют следующие модификации: 4АЗМП, 4АРМП

-

взрывазащищенные с видом взрывазащи­

ты «заполнение или продувка оболочки под избыточным давле­ нием~;

4АЗМВ, SАЗМВ

-

взрывазащищенные с видом взрывазащи­

ты «взрывонепроницаемая оболочка~; 4АЗМО- с воздухо-воздушным охладителем (горячий воздух

замкнутого контура охлаждается в замкнутом контуре). Применеине двигателей 4АЗМО позволяет:

136

4

Л

:J

М П

6300 6000 2 -г --

УХЛ

1

--

4 Номер серии

Асинхронный двигатель

Система вентиляции -замкнутая Исполнение по пусковым характеристикам: М -для привода механизмов с нормшtьными условиями пуска

Исполнение взрывозащищенное, вида "продувка оболочки под избыточным давлением" Мощность, кВт Напряжение, В

Число полюсов

-- Климатическое исполнение - Категория размещения Рис.

1)

4.7.

Пример условного обозначения двигателя серии 4АТД

уменьшить капитальные и эксплуатационные расходы за

счет исключения охлаждающей воды;

2) гут

снять ограничения в эксплуатации двигателей, которые мо­

выпускаться

мещения У2.

в

климатическом

исполнении

и

категории

раз­

Использование двигателей с водяными охладите­

лями в этих условиях потребовало бы наличие системы подогре­ ва воды или оказалось невозможным;

3)

избежать загрязнения внутри двигателя, засорения венти­

ляционных

каналов,

что

может

иметь

место

в

двигателях

с

ра­

зомкнутым циклом вентиляции 4АРМ, в результате чего повы­

шается надежность и увеличивается срок службы агрегата. Технические характеристики асинхронных двигателей магист­

ральных насосов приведены в табл. 4.4 и 4.5. Общий вид двигателя серии 5АЗМВ показан на рис. 4.8. Изложенное выше об исполнении и установке двигателей привода

главных

насосов,

так как они

насосов

относится

отличаются от

и

к

двигателям

первых только

по

подпорных мощности

и частоте вращения. Кроме того, на ряде НПС применяют под­ порные

насосы,

оснащенные

двигателями

вертикального

испол­

нения, например, серии ВАОВ.

137

...... w

00

Таблица

4.4

Технические характеристики асинхронных электродвигателей магистральных насосов

Мощность, кВт

Напряжение, В

Частота вращения, обjмин

4АЗМ-2500УХЛ4

2500

--

4АРМ-2500УХЛ4 4АЗМО-2500УХЛ4

2500 2500

4АЗМ-3150УХЛ4

3150

4АРМ-3150УХЛ4 4АЗМО-3150УХЛ4

3150 3150

4АЗМ-4000УХЛ4

4000

4АРМ-4000УХЛ4 4АЗМО-4000УХЛ4

4000 4000

4АЗМ-5000УХЛ4

5000

4АРМ-5000УХЛ4

5000

2973 2982 2973 2980 2976 -2979 2976 2986 2982 2976 2982 2986 2982 -2976 2982

4АЗМ-6300УХЛ4

6300

4АЗМ-8000УХЛ4 4АРМ-8000УХЛ4

8000 8000

6000 10 000 6000 6000 6000 -10 000 6000 6000 6000 10 000 6000 6000 6000 -10 000 6000 6000 10 000 6000 10000

Тип двигателя

--

2982 2985 2985

Коэффициент мощностп

0,89 0,89 0,89 0,90 0,88 0,90 0,89 0,89 0,89 0,89 0,90 0,89 0,90 0,90 0,89 0,90 0,90

КПД,%

Масса, кг

97,0 97,1 97,0 96,8 97,2 96,9 97,2 96,7 97,3 96,8 97,3 97,0 97,5 97,0 97,5 97,6 96,4 97,6 97,7

6200 7000 5860 8300 7000 -8700 6640 10 900

--

9200 8600 12 300 10 400 9800 11 700 14 400 14 650

Таблица

4.5

Технические характеристики электродвигателей серий 4А3МВ, 5А3МВ с видом взрывазащиты «взрывонепроницаемая оболочка»

Тип

Мощность,

двигателя

...... w

ф

кВт

Коэффи-

Частота Напряжение, В

враще-

нпя,

Масса, кг

Ток статора, А

обjмин

Крапюсть

Кратность

циент

Коэффициент

максималь-

пускового

Кратность

полезного

мощ-

ного вра-

вращающе-

пускового

действия,

н ости,

щающего

го момен-

тока, о.е.

%

о.е.

момента, о.е.

та, о.е.

4АЗМВ-2500

2500

6000 10 000

2976 2982

8112 8096

283,3 170

96,5

0,88

2,15 2,40

0,85 1,10

6,0 7,0

5АЗМВ-3150

3150

6000 10 000

2988

10 830 11550

347 206

96,9 96,8

0,9 0,91

2,70 2,70

0,80

7,0

5АЗМВ-4000

4000

6000 10 000

2985

11700 12 900

440 262

97,1 97,0

0,9 0,91

2,60 2,80

0,80

6,5 7,0

5АЗМВ-5000

5000

--

6000 10 000

2985

--

13 000 13 100

549 340

97,3

0,9

2,70 2,70

0,80

7,0

ОАО «ЭЛСИБ~ для привода горизонтальных

подпорных на­

сосов осуществляет выпуск асинхронных короткозамкнутых дви­

гателей серий АЗЕ и АЗТЕ во взрывонепроницаемой оболочке с воздухо-воздушным охладителем и замкнутой системой вентиля­ ции.

Двигатели выполнены на подшипниках скольжения с картер­

ной системой смазки и встроенными в подшипниковые камеры водяными охладителями. Отличием двигателей серии АЗТЕ от АЗЕ является возможность применепил

для тяжелых условий

пуска.

Технические характеристики двигателей серии АЗЕ и АЗТЕ

приведеныв табл.

4.6.

Насосные агрегаты, оснащенные асинхронными двигателями, имеют

следующие

электрические

защиты:

максимальную

токо­

вую с отсечкой без выдержки времени, срабатывающую при ко­ ротких замыканиях; от перегрузок; от однофазных замыканий на землю при токе, превышающем 10А; снижения напряжения ниже допустимого значения;

дифференциальную токовую защиту от

внутренних повреждений и др. Кроме

электрических

защит

приводного

электродвигателя

главного насоса (назначение которых указывалось выше), вызы­ вающих

отключение

двигателя

и

остановку

насосного

агрегата,

предусматривается аварийная остановка при следующих обстоя­ тельствах:

при

появлении

неисправностей

и

нарушениях

нормального

режима работы технологического оборудования; при повышении температуры

подшипников

насоса и

электро­

двигателя и уплотнений насоса (от сигнализаторов температуры); при уменьшении давления в системах подачи смазки и уплот­

нительной

жидкости

(от электроконтактных

манометров,

уста­

новленных на входе в агрегат и отключающих его с выдержкой времени, предотвращающей ложные отключения при автоматиче­ ском включении резервных насосов в системе смазки или подачи

уплотнительной жидкости); при

нарушении герметичности уплотнения

вала

насоса (от

сигнализатора расхода, устанавливаемого на трубопроводе отвода утечек и срабатывающего при резком увеличении расхода); при резком ухудшении или прекращении действия воздушно­ го охлаждения двигателя (от сигнализаторов давления, установ­ ленных

в

воздуховоде,

и

сигнализатора

температуры,

установ­

ленного на выходе воздуха из двигателя); при снижении давления всасывания на насосе до минимально

допустимого

значения,

при

котором

возникает

кавитация

(от

электроконтактного манометра);

при появлении недопустимых по амплитуде и частоте вибра-

141

Ðèñ. 4.8. Îáùèé âèä ýëåêòðîäâèãàòåëÿ ñåðèè 5ÀÇÌÂ

.,.......

1'-'

Таблица

4.6

Технические характеристики электродвигателей подпорных насосов

Тип

Мощность, кВт

Напряжение, В

АЗВ-800

800

--

6000 10 000

АЗВ-1000

1000

--

6000 10 000

АЗВ-1250

1250

АЗВ-1600

1600

АЗВ-2000

Частота вращения,

Коэффициент

обjмин

мощности

--

1489 1492

КПД,%

Масса, кг

0,87 0,88

95,4 95,2

--

--

1488 1489

0,87 0,88

95,7

6000 10 000

1492

0,87 0,88

96,1 96,0

6700 7540

--

6000 10 000

1492

0,88

96,4 96,2

--

2000

6000

1492

0,88

96,6

8440

АЗТВ-1600

1600

6000 10 000

1492 1493

0,88

96,4 96,2

9400 10 050

АЗТВ-2000

2000

--

6000 10 000

--

1492 1493

0,88

96,6 96,4

--

двигателя

5780 6140

6240 6600

--

7620 8360

10 160 11200

ций агрегата (от датчика и сигнализаторов, отключающих агрегат с выдержкой времени, исключающей ложные выключения при раскачивании агрегата).

Электродвигатели

подпорных

насосов,

обладающие

значи­

тельно меньшей мощностью, чем двигатели основных насосов, могут

иметь

частности

несколько

здесь

может

вреждений и др.

упрощенные отсутствовать

электрические защита

от

защиты,

внутренних

в

по­

Если у подпорных насосов отсутствуют уста­

новки централизованной циркуляционной смазки, подачи уплот­

нительной

жидкости,

воздушного

охлаждения

двигателей

(что

часто встречается), то исключаются и соответствующие элементы технологических защит. Могут также отсутствовать защиты, дей­

ствующие по параметрам давления перекачиваемой жидкости. Опыт эксплуатации синхронных

( СД)

и асинхронных двига­

телей (АД) свидетельствует, что СД по сравнению с АД более экономичны и лучше преодолевают кратковременные перегрузки,

при этом перегрузочная способность А = Мшах/ Мном синхронных двигателей меньше зависит от напряжения сети по сравнению с

А

асинхронных.

Синхронный

двигатель

имеет

более

высокие

энергетические показатели. Если в роторе АД возникают потери мощности, пропорциональные скольжению, то они отсутствуют у

СД. В связи с этим СД имеет более высокий (на

1... 1,5%

выше)

КПД по сравнению с АД с теми же номинальными данными по мощности и скорости. Кроме того, в СД возможно регулирование

перегрузочной способности и коэффициента мощности путем регулирования тока возбуждения. Основная область применепил СД - для электропривода ра­ бочих машин большой мощности, имеющих продолжительный режим работы с редкими пусками и остановами, к которым и относятся центробежные насосы и компрессоры магистрального транспорта углеводородного сырья.

Отмеченные

выше

преимущества

СД

по

сравнению

с

АД

справедливы для нерегулируемого электропривода.

За последние годы в связи с освоением промытленного вы­ пуска

полностью

управляемых

силовых

полупроводниковых

приборов, разработаны системы регулируемого электропривода с более простым по конструкции и надежным АД с короткозамк­ нутым

ротором,

тационным

конкурирующим

показателям

с

по

энергетическим

регулируемым

и

эксплуа­

электроприводом

на

базе СД. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.

Объясните назначение мультипликатора в составе газопере­

качивающего агрегата.

143

Назовите функции, выполняемые тиристорным возбудите­

2. лем.

Назовите условия применепил для привода нагнетателей

3.

двигателей серии СТ Д вместо СТ ДП.

4.

Какие типы возбудителей используются для двигателей се­

рии СТДП?

5. 6.

Объясните принцип действия бесщеточного возбудителя. Объясните назначение функции форсирования возбужде­

ния синхронного двигателя.

7.

Назовите преимущества двигателей серии СДГ и СДГМ по

сравнению с двигателями серии СТ Д.

8.

Назовите типы цифровых возбудительных устройств для

синхронных двигателей серии СТ Д и СТ ДП.

9. Назовите модификации серии электродвигателей 1О. Какие виды электрических и технологических

4АТД. защит ис­

пользуются в насосных агрегатах?

11.

Назовите типы двигателей, применяемых для электропри­

вода подпорных насосов.

12.

Объясните назначение автоматического самозапуска элек­

тропривода перекачивающего агрегата.

13.

Почему при самозапуске ток электродвигателя может пре­

вышать пусковой ток?

14.

Назовите допустимое число пусков за весь

плуатации для двигателей СТ Д и СДГМ.

период экс­

•

Глава

5

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА И ТОРМОЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

5.1.

РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ, ДОСТИГАЕМОЕ

ПРИ ПРИМЕНЕНИИ УСТРОЙСТВ ПЛАВНОГО ПУСКА И ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ В

агрегатах

технологических

установок

транспорта углеводородного сырья

трубопроводного

широкое применение

получи­

ли асинхронные и синхронные двигатели. Наиболее ответствен­ ным режимом, в значительной степени определяющим ресурс их

работы, является пусковой режим. Прямой пуск высоковольтных двигателей большой мощности является причиной негативных электродинамических, тепловых

и механических процессов, обусловленных большими пусковыми токами, достигающими 6-8-кратного значения по отношению к номинальному.

Поскольку электродинамические усилия между проводниками

обмотки пропорциональны

квадрату тока,

пуске усилия на них возрастают в

36-64

соответственно при

раз, что приводит к не­

желательным перемещениям проводников в пазовых и лобовых частях и потенциальному разрушению изоляции.

Кроме

того,

при

превышении

температурного

предела

для

данного класса изоляции в ней происходят необратимые физико­ химические процессы, приводящие к ее ускоренному старению и

сокращению рабочего ресурса двигателя. К другим

негативным процессам, сопровождающим прямой

пуск двигателя, следует отнести:

-

возникновение

значительных

ударных

нагрузок

в

пере­

даточном механизме, обусловленных возникновением знако­ переменных переходных моментов, достигающих 4-5-кратного значения

по

отношению

к

номинальному,

которые

вызывают

вибрации как самого двигателя, так и приводимой им в движе­

ние рабочей машины, что приводит к повышению нагрузок на

145

подшипники,

постепенному увеличению

зазоров

в

передаточном

механизме (мультипликаторе), сокращая межремонтный период

и рабочий ресурс перекачивающего агрегата;

-

повышение

нагрузки

провождающееся

на питающую

появлением

провалов

электрическую

напряжения

сеть,

на

со­

шинах

подстанции, что отрицательно сказывается на функционировании

остального оборудования, принимающего участие в технологиче­ ском процессе и подключенного к этой сети (средств релейной защиты и автоматики, компьютеров и др.), а сам электродвига­ тель

может не

ционально

запуститься

квадрату

из-за

снижения

относительного

его

значения

момента

пропор­

снижения

напря­

жения;

-

возможность

возникновения

гидравлического

удара,

сопро­

вождающегося значительным увеличением нагрузок на трубы, фланцы, уплотнения и другие монтажные конструкции, что при­ водит их к преждевременному износу и выходу из строя;

-

для обеспечения нормального пуска агрегата требуется за­ 3-5 раз мощность автономного источника электро­

вышенная в

снабжения;

-

отсутствие

возможности регулирования

продолжительности

времени пуска и торможения агрегата.

Таким образом, прямой пуск электродвигателей от сети имеет ряд

существенных недостатков,

связанных с

отрицательным

воз­

действием на технологический процесс, электродвигатель, рабо­ чую машину, передаточный механизм и питающую сеть.

Около

80 %

отказов электродвигателей приходится на пуско­

вые режимы.

Применяемые в настоящее время для уменьшения пускового

тока автотрансформаторный и реакторный способы пуска не мо­ гут в полной мере, из-за скачкообразного характера изменения напряжения на зажимах статора двигателя, обеспечить требуе­ мый пусковой режим.

Указанные

выше

способы

пуска

электродвигателей

были

технически и экономически оправданы в период проектирования

и строительства магистральных трубопроводов до начала 90-х годов прошлого столетия, поскольку уровень развития силовой и информационной электроники на этом этапе не позволял созда­ вать надежные и экономичные устройства плавного пуска и ос­

танова электродвигателей большой мощности. Революционные достижения в области электроники, достиг­ нутые

за

тические

последние

два

устройства

с

десятилетия,

позволили

микроконтроллерным

создать

автома­

управлением

для

плавного пуска (торможения) электродвигателей.

Вышеуказанные

устройства

реализуют следующие

управляемого пуска и торможения электродвигателей:

146

способы

1.

Плавным и взаимосвязанным изменением как напряжения,

так и частоты тока на зажимах статора двигателя. Поскольку ос­

новным элементом устройства является преобразователь частоты, способ управления пуском, реализуемый этим устройством, на­ зывается частотным.

2.

Плавным изменением напряжения на зажимах статора дви­

гателя при постоянном значении частоты тока. При этом напря­ жение изменяется регулированием фазы управляющих импуль­ сов,

поступающих

на

тиристоры,

включенные

в

цепь

статора

двигателя, в связи с чем данный способ управления называют фазовым.

3.

Сочетанием первого и второго способов управления пус­

ком (торможением) электродвигателя. В нефтегазовой промышленности для пуска электроприводов

центробежных компрессоров и насосов наибольшее применение получили более простые по конструкции и более дешевые (в 35 раз) устройства, реализующие фазовый способ управления. Их преимущества по сравнению с прямым пуском электро­ двигателя от сети состоят в следующем:

снижение пускового тока до 1,5-4-кратного значения по от­ ношению к номинальному;

значительное уменьшение электродинамических усилий меж­

ду проводниками обмотки и как следствие этого увеличение ра­ бочего ресурса двигателя и агрегата; устранение гидравлических ударов в трубопроводе; возможность пуска агрегата на открытую задвижку; возможность адаптации пусковых характеристик агрегата при

перекачке нефти различной вязкости; снятие ограничений на число пусков агрегата;

снижение провалов напряжения в питающей сети, что обеспе­ чивает надежную работу подключенного оборудования; незначительное

влияние

на

сеть

высших гармоник

тока и

на­

пряжения вследствие малой длительности времени пуска. Применеине устройств плавного пуска, использующих фазо­

вый способ управления, весьма эффективно, если отсутствует острая необходимость плавного регулирования производительно­ сти

перекачивающих

агрегатов

и

имеется

возможность

решить

эту задачу, изменяя число работающих агрегатов. Применеине

частотного

управления

пуском

(торможением)

двигателей оправдано при тяжелом пуске, когда момент инерции приводного механизма значительно (в десятки раз)

превышает

момент инерции двигателя.

В остальных случаях качество процесса пуска при фазовом

способе управления не уступает частотному, при этом сохраняет­

ся большинство функций частотного способа управления пуском.

147

Применеине устройств плавного пуска и торможения (УППТ) весьма актуально для нефтегазовой промышленности, поскольку синхронные двигатели серии стоящее

время

ние на число

для

СТ Д, широко применяемые в на­

перекачивающих

пусков (до

150)

агрегатов,

имеют

ограниче­

за весь период эксплуатации.

Применеине УППТ позволяет снять это ограничение и значи­

тельно повысить ресурс работы электродвигателей. За последнее десятилетие внедрено около

100

в

нефтегазовой

промышленности

высоковольтных УППТ.

Примерам такого внедрения могут служить следующие НПС ОАО

АК

~Транснефтм:

«Поповка~

(ОАО

«Приволжскнефте­

провод~ ), «Филино-2~ (ОАО «Верхневолжскнефтепровод~ ), «Ла­ зарева~

(ОАО

«Севера-Западные~

ные~ МН), «Сестрорецкая~

(000

МН),

«Уса~

(ОАО

«Север­

«Балтнефтепровод~) и др.

Внедрение УППТ на этих НПС привело к снижению числа

остановок и отказов оборудования, а также к экономии эксплуа­ тационных расходов.

Установка

УППТ

на

НПС

«Лазарева~

позволила

снизить

пусковые токи двигателя СТДП-8000 (номинальный ток двига­

теля

527 А, напряжение 10 кВ) с 3200-3700 до 1350 А, а провалы напряжения при пуске -с 21 до 8 %, что благоприятно сказалось на работе остального оборудования. На основании вышеизложенного можно утверждать, что при оснащении

перекачивающих

агрегатов

устройствами

плавного

пуска и торможения в значительной степени увеличивается ра­

бочий ресурс оборудования, повышается его надежность, снижа­ ются

затраты

на

ремонт,

поскольку

увеличиваются

межремонт­

ные периоды, и, следовательно, повышается экономическая эф­

фективность трубопроводного транспорта

5.2. УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА И ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ РОССИЙСКОГО ПРОИЗВОДСТВА Корпорацией

«Триол»

(Россия)

Триол АС15 на напряжение ны

6

и

10

разработаны

УППТ

серии

кВ. Устройства предназначе­

для плавного пуска и торможения асинхронных двигателей с

короткозамкнутым

УППТ

для

ротором,

плавного

возможно

также

использование

пуска синхронных двигателей

в

режиме

асинхронного пуска.

Триол АС15 представляет собой тиристорное УППТ с много­ функциональной системой управления на базе микроконтроллера и развитым пользовательским интерфейсом, аппаратно обеспечи-

148

ваемым

устройством

ввода

и

вывода для

приема

и

передачи

внешних управляющих сигналов.

Система управления УППТ обеспечивает возможность регу­ лирования

продолжительности пуска от

ния двигателя, а также программируемое

тока до

4- кратного

току двигателя).

значения

(по

3

до

-

пауза

с и торможе­

отношению к

номинальному

УППТ допускает пять последовательных пус­

ков двигателей с интервалами между ними

пусков

300

ограничение пускового

1О

2

мин. После пяти

мин, затем цикл может быть повторен.

Наряду с плавным пуском, УППТ может осуществлять тор­ можение электропривода:

свободным выбегом путем снятия управляющих импульсов с

•

тиристоров;

скатом (снижением подводимого к статорной обмотке на­

•

пряжения за счет увеличения угла управления тиристоров);

• динамическим

торможением (включением статорной обмот­

ки на поиижеиное напряжение постоянного тока). При этом ти­

ристорный силовой блок выполняет роль управляемого преобра­ зователя перемениого тока в постоянный (выпрямителя). При нагрузках значительно меньше номинального значения в

УППТ предусмотрен режим энергосбережения, при котором за счет изменения

угла управления

тиристоров на зажимы двигате­

ля подается поиижеиное напряжение.

Потенциальное

разделение

между

высоковольтной

силовой

частью и низковольтной системой управления осуществляется с

помощью оптоволоконных кабелей и импульсных трансформато­ ров системы управления тиристоров.

В составе УППТ АС15 предусмотрен пульт управления, кото­

рый содержит: клавиатуру управления режимами работы, зада­ ния

и

программирования

параметров;

элементы

индикации

и

сигнализации для отображения значений параметров и диагно­ стирования. Возможна поставка УППТ с пультом дистанционно­ го управления.

Изменяя параметры настройки встроенного в систему управ­ ления

регулятора

тока,

а

также

начальные

значения

угла управ­

ления тиристоров, можно получить требуемые значения кратно­ стей пускового тока и пусковые (тормозные) динамические ха­ рактеристики электропривода.

Для удобства работы оператора и наладки программируемые

и

информационные

электропривода

параметры

сведены

в

функциональные группы. Триол АС15 имеет развитый внешний интерфейс, что позво­ ляет

тики

легко

и

адаптировать

создавать

на

его к существующим

его

базе

системам

автоматизированные

автома­

системы

управления различными механизмами.

149

Это возможно благодаря:

•

широким функциональным возможностям, поддерживаемым

большим числом программируемых пользователем параметров; управления

с

развязанным

программируемым дис­

• одному аналоговому входу; • десяти программируемым релейным (250 В, ЗА).

(дискретным) выходам

•

встроенному

пульту

цифровой

индика­

цией;

• десяти

гальваническим

кретным входам;

Триол АС15 имеет следующие виды защит от: токов

недопустимой перегрузки

в динамических и

статиче-

ских режимах работы электропривода; токов короткого замыкания;

недопустимых перенапряжений на силовых элементах;

неполнофазного режима работы сети и электродвигателя; неправильного чередования фаз напряжения на входе устройства;

исчезновения напряжения собственных нужд; неправильной

последовательности

операций

включения

УППТ; исчезновения потока охлаждающего воздуха;

подачи высокого напряжения при открытых дверях шкафа;

неисправностях в узлах и блоках устройства. Конструктивно УППТ выполнено в виде напольного шкафа

двухстороннего обслуживания. Органы управления сигнализации и индикации расположены на лицевой стороне шкафа. Низковольтная система управления размещена в специальном отсеке шкафа, надежно отделена от элементов находящихся под

высоким напряжением, и доступна для наблюдений и измерений во время работы УППТ. Охлаждение тиристоров дельному

заказу

возможно

воздушное исполнение

принудительное. с

естественным

По

от­

охлажде­

нием.

Степень защиты шкафа-

IP21.

Технические характеристики устройств плавного пуска Триол

АС15 приведеныв табл. 5.1. ЗАО «ЧЭЗ>? (Чебоксарский электроаппаратный завод) осуще­ ствляет выпуск устройств плавного пуска высоковольтных элек­

тродвигателей

на

Устройство асинхронных

12,5

150

5

и

1О

кВ серии УППВЭ.

и

плавный

синхронных двигателей

пуск

высоковольтных

мощностью

от

0,2

до

МЕт привода центробежных насосов, вентиляторов и ком­

прессоров.

ОТ

6

обеспечивает

ДО

60

Продолжительность пуска регулируется в интервале

С.

Таблица

5.1

Технические характеристики устройств плавного пуска серии Триол АС15

Тип устройства

Напряжение, кВ

Номинальный ток, А

6; 6,3

80 160 250 320 500 600 800

160, 200, 250, 320, 400, 500, 630 710, 800, 1000, 1250 1600, 2000 2500 3150, 4000 5000, 6300, 8000 8000

10; 10,5; 11

80 160 200 320 500 800

320, 400, 500, 630, 710, 800, 1000 1250, 1600, 2000 2500, 3150 4000, 5000 6300, 8000 10000, 12500

АС15-6-80 АС15-6-160 АС15-6-250 АС15-6-320 АС15-6-500 АС15-6-600 АС15-6-800 АС15-10-80 АС15-10-160 АС15-10-200 АС15-10-320 АС15-10-500 АС15-10-800

Мощность двигателя, кВт

Применеине УППВЭ по сравнению с прямым пуском элек­

тродвигателей обеспечивает следующие преимущества: экономию

электроэнергии

за

счет

рационального

использова­

ния энергоемкого оборудования; повышенную

надежность

и

увеличение

срока

эксплуатации

оборудования; уменьшение

провалов

напряжения

в

сети

при

пуске

электро­

двигателя;

улучшение условий эксплуатации электрооборудования (тран­ сформатора, электродвигателя, коммутационной аппаратуры); увеличение допустимого числа пусков;

снижение в

уставки

(1-4)

3-4

раза пускового тока (интервал регулирования

Iномдвигателя);

существенное

снижение

динамических

нагрузок

на двигатель

и передаточный механизм. Значительный

экономический

эффект достигается

при

вне­

дрении системы группового запуска двигателей. Одним устрой­

ством УППВЭ можно поочередно или выборочно запустить до

10

двигателей с управлением от микроконтроллера.

исключаются

аварийные

ситуации,

связанные

с

При этом

ошибочными

действиями персонала. Устройство оснащено следующими видами защит: от коротко­ го замыкания (максимально-токовая); затянутого пуска двигате­

ля; обрыва фазы; снижения напряжения сети ниже допустимого уровня; перенапряжений на тиристорах; нарушения изоляции.

В состав системы плавного пуска на базе УППВЭ входят: шкаф, пульт управления, шкаф автоматики, высоковольтные ка­

меры с вакуумными контакторами. Многофункциональный пульт

151

Рис. 5.1. Внешний вид уст­ ройства плавного пуска УППВЭ

управления имеет в своем составе специализированный контрол­

лер и канал связи с системой автоматизации верхнего уровня. Контроль параметров пуска каждого двигателя может осуществ­

ляться как с пульта, так и посредством интерфейса системы

верхнего

уровня.

Программно-аппаратные

RS485

от

средства

пульта позволяют организовать удаленный доступ к работе сис­ темы с АРМ диспетчера.

Общий вид УППВЭ приведен на рис.

5.1.

Технические характеристики устройств плавного пуска серии

УППВЭ приведены в табл. 5.2. ОАО «ВНИИР~ (Всероссийский проектно -конструкторский

и

научно-исследовательский

технологический

институт реле­

строения, г. Чебоксары) разработаны устройства плавного без­ ударного пуска высоковольтных электродвигателей до

8800

кВт.

Устройства имеют три исполнения, выбираемые в зависимо­

сти от типа механической характеристики приводимой рабочей машины:

УБПВД-В для пуска асинхронных и синхронных двигателей с вентиляторной характеристикой нагрузочного момента (центро­

бежные насосы, компрессоры, вентиляторы); УБПВД-М для рабочих машин с большим начальным стати­ ческим моментом сопротивления (поршневые компрессоры); УБПВД-С для плавного пуска синхронных двигателей, при-

152

Таблица

5.2

Технические характеристики устройств плавного пуска серии УППВЭ

Тип устройства

Номиналь-

ный ток, А*

УППВЭ1-11 УППВЭ1-21 УППВЭ1-31 УППВЭ1-41 УППВЭ1-51

400 630 800 1250 1600

УППВЭ1-12 УППВЭ1-22 УППВЭ1-32 УППВЭ1-42 УППВЭ1-52

400 630 800 1250 1600

Номинальное

Мощность двигателя, МВт**

напряжение,

кВ

К=2

К=3

6

1,6 2,0 3,2 5,1 8,0

0,8 1,6 2,0 3,2 5,1

10

2,5 3,2 5,1 8,0 12,5

1,6 2,0 3,2 5,1 8,0

*Наибольший допустимый ток в течение времени пуска (до **Мощность двигателя при кратности пускового тока К насосов и К 3 для приподов компрессоров.

60

=2

=

водящих рабочие

машины

с

моментом

инерции,

с). для приподов

значительно

превышающим момент инерции двигателя (крупные вентилятор­

ные установки, насосы).

Устройства плавного пуска всех типов обеспечивают следую­ щие преимущества по сравнению с прямым пуском двигателей от сети:

пусковой ток нарастает плавно с ограничением его значения

на уровне

(1,5+2,5)

Iном;

появляется возможность осуществлять

практически неограни­

ченное число пусков и остановов агрегатов;

повышается надежность агрегатов и системы электроснабже­ ния,

так

как

исключаются

механические

и

электромагнитные

ударные нагрузки, возникающие при пуске;

электродвигатели могут быть запущены от источников огра­ ниченной мощности, при питании от длинных линий и загру­

женных трансформаторов без больших провалов напряжения; увеличиваются межремонтные периоды и срок службы агре­ гатов.

ОАО «ВНИИР~ разработал систему пуска нескольких дви­ гателей, подключенных к одной или нескольким секциям шин, от одного устройства УБПВД. Система позволяет осуществлять как

прямой, так и поочередный плавный пуск любого выбранного двигателя

под

управлением

контроллера,

что

позволяет

исклю­

чить аварийные ситуации, связанные с ошибочными действиями оперативного персонала.

Плавный пуск двигателей возможен по командам с централь­ ного и местного пультов управления.

153

Контроллер обеспечивает требуемый закон нарастания тока и разгона двигателя по заранее заданной программе. На мнемосхе­ ме пульта управления отражается текущее состояние коммутаци­

онной аппаратуры и двигателей, а на жидкокристаллический ин­ дикатор (ЖКИ) выводятся подсказки для персонала. По завер­ шению разгона УБПВД щунтируется контактором, и двигатель

оказывается

подключенным

непосредственно

к

сети.

Система

становится готовой к следующему пуску. При

пуске

синхронной

синхронного

скорости

двигателя

электронный

после

достижения

блок возбудителя,

лирующий частоту тока наводимого в роторе,

под­

контро­

подает команду

на включение возбуждения, и двигатель втягивается в синхро­ низм.

Система управления УБПВД выполнена на современной эле­

ментной базе с применением высокопроизводительного сигналь­ ного процессора, передовой технологии монтажа.

Система управления обеспечивает: возможность формирования требуемых законов разгона и тор­ можения двигателя;

реализацию гибких алгоритмов управления; широкий набор функций управления и максимально удобный пользовательский интерфейс, использующий графический ЖКИ, функциональную

клавиатуру

управления

и

средства

диагнос­

тики;

удаленный доступ

к устройству по

интерфейсу

RS485,

что

обеспечивает работу в составе АСУ ТП; качественную оценку влияния УБПВД на питающую сеть пу­ тем

использования функций цифрового осциллографа и после­

дующей корректировки режима пуска и торможения;

качественный

и

количественный

анализ

работоспособности

агрегата за счет использования функций журнала регистрации

событий (продолжительность последнего пуска, максимальный ток последнего пуска, общее число пусков, общее число отклю­ чений, регистрация аварийных режимов и др.);

широкий набор функциональных защит; автоматическую диагностику установки.

Силовой канал

преобразователя

устройства УБПВД-М

частоты

с

выполнен

непосредственной

связью

по схеме

с

сетью

(НПЧ). При этом каждая фаза электродвигателя подключена к выходам выпрямительного моста, выполненного по трехфазной нулевой схеме выпрямления, формируя частоту напряжения пи­

тания электродвигателя в диапазоне изменению

0,6

скорости

вращения

0-30

двигателя

Гц, что соответствует в

пределах

от

О

до

от номинального значения. На более высокой скорости (вто­

рая зона) пуск двигателя продолжается при работе устройства в

154

режиме

регулирования

напряжения

на

зажимах

статора

двига­

теля.

При разгоне двигателя до скорости

0,6

от номинальной (пер­

вая зона), когда устройство работает в режиме преобразователя частоты,

сохраняется

пропорциональная

зависимость

между

то­

ком и моментом двигателя, и токи фаз не превышают номиналь­ ного значения. Во второй зоне, когда пуск двигателя осуществля­

ется при фазовом управлении тиристорами, пусковой ток может достигать 4-кратного значения.

После достижения номинальной скорости двигатель остается подключенным

к

сети через

полностью

открытые

тиристоры

со­

ответствующих фаз. В дальнейшем по сигналу от задатчика ин­ тенсивности разгона пусковое устройство шунтируется вакуум­ ным

контактором,

и

двигатель

непосредственно

подключается

к

питающей сети.

Пусковое устройство УБПВД-С обеспечивает частотный пуск синхронного двигателя с заданными параметрами времени пуска и токоограничения.

Система автоматического управления пусковым устройством выполнена по принципу двухконтурной системы подчиненного регулирования параметров с ПИ-регуляторами тока и скорости.

Информацию о скорости и угловом положении ротора получают от

измерителя

скорости,

на

входы

которого

подаются

измерен­

ные значения тока и напряжения двигателя.

Поставка устройства безударного пуска может осуществляться в контейнерном исполнении с отоплением, освещением и венти­ ляцией в состоянии полной заводской готовности, что сущест­ венно упрощает его монтаж.

Технические характеристики высоковольтных устройств плав­

ного пуска электродвигателей УБПВД приведены в табл. С

2007

5.3.

г. ОАО «ВНИИР~ начал производство пусковых уст­

ройств высоковольтных двигателей нового поколения УБПВД­ ВЦ с цифровой системой управления, а в

2009

г.

-

устройств

УБПВД- ВМ с распределенной цифровой системой управления с оптоволоконными связями.

Устройство УБПВД-ВЦ предназначено для безударного плав­ ного пуска высоковольтных асинхронных и синхронных двигате­

лей рабочих машин с вентиляторной (квадратичной зависимо­ стью от скорости) характеристикой нагрузочного момента (цен­

тробежные насосы, компрессоры, вентиляторы). Устройство обеспечивает плавное нарастание и ограничение пускового

тиристоров

тока

электродвигателя

через

систему

изменением

углов

импульсно-фазового

отпирания

управления

(СИФУ). В течение заданного интервала времени пуска элек­ тродвигателя происходит плавное нарастание напряжения на об-

155

......

~ О>

Таблица

5.3

Технические характеристики высоковольтных устройств плавного пуска серии УБПВД

Тип устройства Параметр

Максимальная мощность

кооrраничение, от

ro

тока

УБПВД-С-630-

УБПВД-С-1000-

6(10)

6(10)

6(10)

8800

1700

5500

8800

6,3

6,3

6(10)

6(10)

6(10)

200

630

1000

200

630

1000

4

4

4

0,5-1,5

0,5-1,5

0,5-1,5

100

100

100

100

100

100

1-10

1-10

1-10

0,5-10

0,5-10

0,5-10

1500

1500

1500

1500

1500

1500

УБПВД- М -630-6

УБПВД-М-1000-6

1700

5500

6,3

электро-

двигателя, кВт Номинальное ряжение, кВ Номинальный ток, А Максимальное ли

УБПВД-С-200-

УБПВД-М-200-6

пап-

то-

до-

номинально-

Напряжение питацепей управления, В Общее время пусПИЯ

ка, мин

Масса, кr

мотках статора от нуля до номинального значения. Пусковой ток увеличивается плавно с заданным токоограничением, не создавая ударных

электромагнитных

моментов,

оказывающих отрицатель­

ное воздействие на электродвигатель и механизм.

Устройство имеет цифровую систему управления, обеспечи­ вающую удобное программирование и простоту настройки пара­ метров.

Предусмотрена связь по высокопроизводительному ин­

терфейсу

RS485

для возможности дистанционного управления от

АСУ ТП. Наличие удобного пользовательского интерфейса обес­ печивает

улучшенные

сервисно-эксплуатационные

характеристи­

ки устройства.

Устройство УБПВД-ВЦ обеспечивает: проверку

исправности

тиристоров

перед

началом

пуска

двигателя;

плавное

нарастание

тока

двигателя

до

величины

заданного

токоограничения, обеспечивающего требуемый пусковой момент двигателя;

формирование заданного токаограничения в течение времени разгона двигателя;

фиксацию окончания разгона и выдачу сигнала на включение высоковольтного

выключателя,

подключающего

двигатель

на­

прямую к сети после завершения процесса пуска; контроль времени разгона двигателя и выдачу сигнала на пре­

кращение пуска при превышении заданного времени разгона.

Устройство,

помимо

максимально-токовой

оснащено следующими видами защит:

и

время-токовой,

от превышения

заданного

времени пуска электродвигателя; от обрыва фазы главных цепей и

неполнофазного

пуска;

от

неисправности

тиристоров,

неис­

правности устройств формирования импульсов управления тири­ сторами.

В устройстве предусмотрены четыре независимые регулируе­

мые уставки начального токаограничения с равномерной шкалой

от

1,0

до

4,0

Iном для обеспечения возможности последовательно­

го пуска с помощью одного устройства нескольких двигателей различной

мощности,

а

разгона в пределах до

60

также

регулируемые

уставки

времени

с, устанавливаемые дистанционно.

Схема группового управления четырьмя двигателями от двух УБПВД-ВЦ показана на рис. 5.2. Технические

характеристики

УБПВД- ВЦ приведены в табл.

Устройство является

безударного пуска

функциональным

отличается применением

устройств

плавного

пуска

5.4. УБПВД-ВМ

аналогом устройства

(CYBERSTARТ) УБПВД-ВЦ и

новой высококачественной цифровой

системы управления и улучшенными потребительскими свойст­ вами.

157

15

13

12

11

16

14

Ml

мз

М4

ШКА2

Рис. ВЦ:

5.2.

Схема группового управления четырьмя двигателями от двух УБПВД­

Q1 ... Q4 - сетевые выключатели; QF1, QF2 -секционные выключатели; М1 ... М4 - электродвигатели; УБПВД1, УБПВД2 - устройства плавного пуска; ШКМ шкаф контроллера; ПУ - пульт управления; QS1 ... QS4 - выдвижные вакуумные выключатели

Устройство

сконструировано

с

использованием

концепции

«распределенной системы» и состоит из четырех интеллектуаль­

ных

модулей:

Таблица

центрального

процессара

и

трех

контроллеров

5.4

Технические характеристики устройств серии УБПВД-ВЦ

Номинальное

Тип устройства

папряж е-

ние (линейное), кВ

Максимальная мощность запускаемого дви-

гателя,

Но мипаль-

ный ток, А

кВт

Максимальный ток глав-

ных цепей в течение

не более

60

Масса, не

более, кг

с, А

УБПВД-ВЦ-6-125УХЛ4 УБПВД-ВЦ-6-250УХЛ4 УБПВД-ВЦ-6-400УХЛ4 УБПВД- ВЦ -6-630УХЛ4 УБПВД- ВЦ -6-800УХЛ4 УБПВД-ВЦ-6-1250УХЛ4

6,0; 6,3; 6,6

1000 2000 3150 5000 6300 10000

125 250 400 630 800 1250

350 750 1400 1800 2500 3460

800 800 800 950 950 *

УБПВД-ВЦ-10-125УХЛ4 УБПВД-ВЦ-10--250УХЛ4 УБПВД-ВЦ-10-400УХЛ4 УБПВД-ВЦ-10-630УХЛ4 УБПВД-ВЦ-10-800УХЛ4 УБПВД-ВЦ-10-1250УХЛ4

10,0

1600 3150 5000 8000 12500 16000

125 250 400 630 800 1250

350 750 1400 1800 2500 3460

800 800 800 950 950 *

*Изготавливается по специальному заказу.

158

фаз, связанных с центральным процессаром по оптическим кана­

лам и обеспечивающих управление тиристорами каждой из фаз. Достоинством такого построения является значительно возрос­

шие надежность и живучесть системы.

Поскольку все модули

обладают как средствами диагностики, так и способностью кон­ тролировать сигналы соседних модулей, то отказ любого модуля легко обнаруживается и принимаютел меры по предотвращению возникновения аварийного процесса. Например, если произойдет отказ модуля

центрального процессара в процессе пуска двигате­

ля, то это не приведет к возникновению аварийного режима в силовой части устройства, так как тиристоры в течение

20

мс

отключаются уцелевшими модулями распределенной системы.

В отличие от большинства устройств плавного пуска, в кото­ рых реализован лишь контроль источников питания, устройство

CYBERSTART обеспечивает: непрерывный

контроль

исправности

оконечных

каскадов

формирователей импульсов СИФУ; контроль смотра

их

исправности

состояния

на

всех

тиристоров

пульте

с

управления

возможностью или

мониторах

про­ сис­

темы АСУ;

поблочный контроль напряжений питания; контроль

исправности

оптоволоконных

соединений

между

узлами устройства; контроль наличия связи между интеллектуальными модулями системы;

предпусковой контроль управляемости тиристоров при нали­ чии высокого напряжения; диагностику различных отказов.

Помимо дусмотрены

максимально-токовой электронные

и

защиты

время-токовой от:

превышения

защит

пре­

заданного

времени пуска двигателя; обрыва фазы силовой цепи и непално­ фазного

пуска;

неисправности

ройств формирования вышения

и

пониженил

тиристоров;

неисправности

импульсов управления тиристорами; напряжения

сети;

неисправности

уст­ по­

вторич­

ных источников питания; неправильного чередования фаз сило­

вой цепи.

Наличие широких диагностических возможностей обеспечива­ ет эффективную профилактику выхода из строя дорогостоящих элементов силовой электроники. Устройство имеет встраиваемый пульт управления с пленоч­ ной клавиатурой и вакуумно-флуоресцентным индикатором. По

отдельному заказу устройство может комплектоваться сенсорной панелью.

Технические характеристики устройств УБПВД-ВМ приведе­

ны в табл.

5.5. 159

Таблица

5.5

Технические характеристики устройств серии УБПВД-ВМ

Номинальное Тип устройства

напряжение

(линейное), кВ

Максимальный Номинальный ток, А

ток главных

цепей в течение

не более

60

УБПВД-ВМ-6-125УХЛ4 УБПВД-ВМ-6-250УХЛ4 УБПВД-ВМ-6-400УХЛ4 УБПВД- ВМ -6-630УХЛ4 УБПВД- ВМ -6-800УХЛ4 УБПВД-ВМ-6-1250УХЛ4

6,0

125 250 400 630 800 1250

350 720 1370 1800 2810 3460

УБПВД-ВМ-10-125УХЛ4 УБПВД-ВМ-10-250УХЛ4 УБПВД-ВМ-10-400УХЛ4 УБПВД-ВМ-10-630УХЛ4 УБПВД-ВМ-10-800УХЛ4 УБПВД-ВМ-10-1250УХЛ4

10,0

125 250 400 630 800 1250

350 720 1370 1800 2810 3460

ОАО ставке

«ВНИИР~

УППТ

6( 1О) кВ, 6(10)/0,4

в

разработаны

комплекте

с

с, А

технические решения по по­

распределительным

устройством

а также с комплектной трансформаторной подстанцией

кВ в блочно-модульном исполнении, что нашло приме­ нение в системе безударного пуска четырех двигателей SАЗМВ 6300 кВт магистральных насосных агрегатов НПС «Рыбинское~ ОАО «Трансибнефть~ и др. Для пуска электроприводов подпорных насосов фирмой «Ав­

томатизированные системы и комплексы~ (г. Екатеринбург) разработаны УППТ серии ПАД-В на напряжение 6 и 10 кВ. Под управлением микроконтроллера устройство

позволяет осущест­

вить плавный пуск и останов по специальному алгоритму агрега­

та, оснащенного асинхронным двигателем. Управление основано на изменении фазы отпирающих импульсов тиристоров силового

блока УППТ. При этом в режиме пуска и останова электропривода УППТ

обеспечивает формирование требуемых во времени графиков из­ менения во времени напряжения и пускового тока.

Применеине УППТ для пуска подпорных насосов позволяет: уменьшить пусковой ток до уровня

( 1-4)

Iном;

снизить динамические нагрузки в кинематической цепи;

устранить

гидравлические удары в трубопроводной сие-

теме;

снизить электродинамические усилия между проводниками

обмотки статора двигателя;

-

уменьшить

провалы

напряжения

в

пусковых режимах,

повышает надежность систем электроснабжения. УППТ оснащено системами защит от:

160

что

-

повышения, снижения и асимметрии напряжения выше ус­

тановленного значения;

коммутационных перенапряжений и неполнофазных режимов;

недопустимых перегрузок двигателя и УППТ; нарушения изоляции и заземления;

пробоя тиристора и др. Конструктивно УППТ выполняется в трех модификациях: в одном шкафу (напряжение пряжение

10

6

кВ), шкаф на каждую фазу (на­

кВ), для индивидуального или группового управле­

ния насосами. В последнем случае УППТ комплектуется отдель­

ной ячейкой выбора требуемого для пуска двигателя. Продолжи­ тельность пуска регулируется в интервале от

5

до

180

с.

УППТ имеет встроенную паиель для управления и парамет­ рирования режимов пуска и останова агрегата, а также вывода на

дисплей текущих значений тока,

напряжения, мощности и по­

требляемой энергии. В системе управления

В,

(24

мА),

15

3 (±10

вых входов

предусмотрено 6 дискретных входов дискретных выхода (24 В, 100 мА), 8 аналого­

В),

2

аналоговых выхода

(±10 В, 20 мА), MODBUS).

а так­

же последовательная связь RS485 (протокол Степень защиты оболочки IP31.

5.3. УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА И ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ЗАРУБЕЖНЫХ ФИРМ Фирма

«Siemens:»

(Германия) осуществляет выпуск УППТ се­

рии

SIMOSTART MV для пуска электродвигателей 590 до 5000 кВт на напряжение 6 и 6,6 кВ. Фирма

«Solcon:»

(Израиль) по лицензии

мощностью от

«Siemens:»

наладила

выпуск УППТ серии

HPMV-DV, расширив диапазон мощности выпускаемых двигателей от 600 до 8000 кВт и напряжений от 6 до 13,8 кВ. УППТ серий SIMOSTART MV и HPMV-DV имеют идентичное исполнение по используемой элементной базе; сило­ вому

и

информационному

каналам;

выполняемым

функциям

управления, контроля и защиты; конструкции шкафов и паиелей управления.

Технические характеристики УППТ серии

HPMV-DV,

приведены соответственно в табл.

SIMOSTART MV, 5.6 и 5.7.

и

В УППТ используется второе поколение микроконтроллерной

техники, обеспечивающей уникальные возможности по управле­ нию пуском и остановом электродвигателей.

161

Таблица

5.6

Технические характеристики устройств плавного пуска серии на напряжение 6 и 6,6 кВ

Номинальный ток устройства, А

Мощность двигателя, кВт, при напряжении пускового устройства, кВ

70 140 250 300 400 600

6

6,6

590 1200 2200 2700 3600 4500

650 1300 2400 3000 4000 5000

SJMOSTARTMV

Масса устройства, кг

690 690 695 720 750 800

Устройство плавного пуска обеспечивает: плавный

пуск

и

останов

электродвигателя

с

ограничением

пускового тока и момента двигателя;

устранение гидравлических ударов в трубопроводе при пуске и останове насосного агрегата;

нормальный пуск электродвигателя от автономного источника

электроснабжения соизмеримой мощности, а также от слабых электрических сетей.

Наличие специальной функции «управление насосом» обеспе­ чивает: ограничение пускового момента и тока, уменьшение удар­

ных механических нагрузок на соединительную муфту и валы двигателя и насоса, плавный разгон и останов электропривода. Преимущества,

достигаемые при пуске электродвигателя при­

вода насоса от УППТ по сравнению с прямым пуском от сети,

могут быть выявлены из анализа осциллограмм (см. рис. Принципиальная

рис.

электрическая

схема

УППТ

2.14).

показана

5.3.

Таблица

5.7

Технические характеристики устройств плавного пуска серии

HPMV-DV

Мощность двигателя, кВт, Номинальный ток устройства, А

162

при напряжении пускового

устройства, кВ

Габариты шкафа, ШхВхГ, мм

6

6,6

70 140 250 300 400

600 1210 2170 2610 3480

670 1340 2390 2870 3820

1100х2300х1100

500 600 700 800

4350 5220 6090 6960

4780 5740 6690 7650

1500х2300х1200

на

Модуль управления

·····1·r·············..........................:..............................

dЬимпульсы Электронный

Тх

преобразователь

..!24V

ЕРТ Receiver

б

..._ Опто­

11"'---..Опто-

волокно

волокно

•..•.................. :.:....

"

~---J...L_----,

""

Силовое питание

:

Управление

·i

импульсами

Датчик

обратной

i /связи

G.

1]'

Сетевой контак­

тор

контактор

Рис.

5.3. Прииципиальиая электрическая схема высоковольтиого устройства

плавиого пуска

Силовой канал УППТ реализован на 18-ти тиристорах, вклю­ ченных по встречно парадлельной схеме

(6

тиристоров в каждой

фазе). Для защиты тиристоров от перенапряжений каждая пара встречно

включенных

тиристоров

шунтируется

цепочкой

R-C.

Коммутационные операции в силовом канале осуществляются с

163

помощью сетевого

и

шунтирующего

вакуумных контакторов,

по­

лучающих управление от встроенных в УППТ реле. Схема

управления

сетевым

и

шунтирующим

вакуумными

контакторами показана на рис. 5.4. Конденсаторы компенсации реактивной мощности (на рис.

5.4

не по казаны) включаются в сеть до сетевого контактора, уста­ новка после сетевого контактора недопустима.

Для передачи импульсов управления на тиристоры использу­

ются 6 оптоволоконных кабелей. Формирование требуемых законов управления осуществляет­ ся модулем управления, ядром которого служит 32-битовый цифровой сигнальный процессор (DSP - Digital Signal Proces-

sor).

Модуль управления является

ляет управление

отпиранием

«сердцем~ УППТ, осуществ­

тиристоров,

выполняет

функции

регулирования напряжения и тока, а также программной

ты и контроля работы как УППТ, так и двигателя. управления устанавливается

в низковольтном

отсеке

защи­

Модуль шкафа и

выполняется идентичным для всех моделей серии УППТ.

Для формирования сигналов обратных связей по току нагруз­ ки и напряжению используются соответствующие датчики. Схе­

ма

расположения

в

шкафу различных устройств,

входящих в

состав УППТ, показана на рис. 5.5, а общий вид шкафа - на рис. 5.6. Потребляемая мощность системы управления УППТ 250 В-А Управление УППТ может быть местным, дистанционным и от устройств протокол

автоматизации

верхнего

уровня

(интерфейс

RS485,

MODBUS).

Программное обеспечение УППТ для пользователя построено по

принципу

меню,

которое

содержит

следующие

разделы

на­

строек параметров: электрической сети и защит, режима пуска, режима останова, альтернативной настройки, режима малой ско­

рости, ошибок управления, программируемых входов/выходов, последовательной связи, статистических данных.

Помимо базовой настройки параметров (график изменения напряжения

см.

настройка (рис.

рис.

предусматривается

2.12)

альтернативная

5.7).

График изменения напряжения при альтернативной настройке имеет следующие параметры:

- 60

С, tт

tn 1 = 1 - 90

с,

tn 2 = 1 - 90

с,

!'!.t = 1 -

= 1О С, Ип = 1О-50 %.

Рекомендуемые параметры настроек для легкого режима пус-

ка (небольшие значения момента инерции электропривода): рекомендуемый график изменения напряжения (см. рис.

начальное напряжение Ип = 30 установочное время разгона tn

%; = 5 с;

кратность пускового тока электродвигателя Кт

164

= 3.

2.12);

Шунтирующий контактор

ci

/1

-·-··-\

f=S

2

о

сетевым контактором

Пуск/Останов

В цепь управления шунтирующим контактором

N~--------~--------~----------------------~ Рис.

5.4.

Схема управления сетевым и шунтнрующнм вакуумными контакторами

Подключеии е сети (сз ади) Сетевой коитактор

Элеюпроипый JnpattcфopAtamop

(дтичик) Сил овой ,,,оду 1ь MJil.KOl.O пусtшт еля

Шунтuрующuи коитактор

(бай-пасс)

ПоtJкл ю'l еии е дви mтеля

Общая щищ1

К.l l!.llt.мuaя кол одка для у правляющих ситал ов

Рис.

5.5.

Схема расположения оборудования в шкафу высоковольтного УПIП

Параметры настроек для тяжелого режима пуска (большие значения момента инерции электропривода): рекомендуемый график изменения напряжения (см. рис.

начальное напряжение Ип = установочное

время разгона

2.12);

50%;

tn

=

20

с;

кратность пускового тока электродвигателя;

кратность пускового тока электродвигателя Кт =

4.

Параметры альтернативной настройки позволяют осуществить нормальный пуск двигателя от автономной дизель-генераторной

установки

или от слабой электрической сети. Мощность дизель­

генераторной установки должна не менее чем на

35 % превышать

мощность запускаемого двигателя.

Программные пуска и

166

средства

УППТ

останова насосных и

позволяют

реализовать

вентиляторных установок

для

по четы-

Верхпял дверь (стаидарт для среднего 1/ППрЯJ/СеtШЯ)

Иидикrщия

Цettmpaл ьttaя

~• ••• о

COCfi10Я N llЯ

Паиель yпparmeuuя

- - ---'-- -

дверь (стаидарт

etm .-:::

для среднего 1/anpя:JJce//uя)

1

(за стекл ом)

; ;,

KIIOIIКII

i Отсек ттаратов

управления

111/ЗКОZО uanpя :JJcemtя

Нюtсшlя дверь

(стандарт д tJI средиего 1/{lllpЯJI('etiUЯ}

Рис.

5.6.

Общий вид шкафа высоковольтного УППТ

ре различных характеристики (рис.

5.8).

Характеристика О явля­

ется стандартной (калибровочной). При наладке электропривода рекомендуется сначала использовать эту характеристику, а затем

последовательно по порядку переходить, если это необходимо, к другим характеристикам.

Для корректировки кривых разгона и торможения может быть предусмотрена обратная связь от датчика скорости (энкодера) с возможностью выбора шести значений передаточного коэффици­ ента. При этом используется стандартная характеристика О. Для пуска двигателей различной мощности и двухскоростных двигателей в памяти УППТ могут храниться два комплекта па­

раметров,

активизируемых

управления. (выходов)

рис.

Расположение

через

дискретный

дискретных

и

вход

аналоговых

системы входов

на клемминке УППТ и их назначение показано на

5.9. 167

U,

0

/о

100 80

60 40 25 10 о

t

Рис. 5.7. График изменения напряжения на выходе УППТ для режима