СИСТЕМЫ ПЛАВНЫХ ПУСКОВ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ

Аннотация

Ткачук А.А., Кривовяз В.К. СИСТЕМЫ ПЛАВНЫХ ПУСКОВ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ Приведены результаты применения тиристорных преобразователей для плавного пуска высоковольтных асинхронных и синхронных электроприводов механизмов центробежного принципа действия мощностью до 4 МВт.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

Нерегулируемый по скорости электропривод (ЭП) переменного тока является наиболее массовым во всех отраслях промышленности и в энергетике. При этом самым ответственным режимом работы нерегулируемых ЭП является пуск в работу. Это особенно актуально при пуске высоковольтных асинхронных и синхронных двигателей с номинальным напряжением 3, 6 и 10 кВ. Двигатели такого класса напряжения являются довольно энергоёмкими объектами. Иногда мощность единичного двигателя соизмерима с мощностью питающей сети или трансформаторной подстанции. Поэтому обеспечение плавного пуска, ограничение пусковых токов и рационализация включений/отключений такого рода ЭП является весьма актуальной задачей [1, 3, 4].

Благодаря прогрессу в области разработки и массового производства силовых полупроводниковых приборов снижается их стоимость и значительно расширяется область использования различных устройств на их базе. Тиристорные высоковольтные преобразователи напряжения (ТПН) всё более широко применяются в качестве устройств плавного пуска высоковольтных ЭП [5, 6]. Высокие техникоэкономические показатели получают при плавном пуске мощных электроприводов механизмов центробежного принципа действия: насосов, вентиляторов, компрессоров и т.п. [7, 8].

Показатели экономической эффективности, при сохранении всех положительных характеристик индивидуального ЭП, повышаются при использовании тиристорного преобразователя напряжения для плавного пуска группы высоковольтных двигателей центробежных механизмов (ЦМ). В этом случае достаточно одного ТПН для поочерёдного плавного пуска всех двигателей группы ЭП ЦМ [8, 9].

МАТЕРИАЛ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Обзор устройств плавного пуска. Постоянно возрастающий спрос на устройства плавного пуска высоковольтных ЭП, относительная простота схемного решения при сопряжении с системой электроснабжения, высокий уровень автоматизации и надёжность в эксплуатации обусловили целесообразность разработки и серийного производства рядом предприятий комплектного электротехнического оборудования для плавного пуска как асинхронных, так и синхронных ЭП. К наиболее крупным производителям устройств плавного пуска относятся отечественные: ОАО «ВНИИР» (г. Чебоксары), ОАО «Электровыпря–митель» (г. Саранск); а также зарубежные: АББ, Солкон, Тошиба, Харьковский электромеханический завод и другие [9]. Изучение технических характеристик электротехнического оборудования для реализации систем плавного пуска различных фирм показал, что они в основном аналогичны и соответствуют современному уровню схемотехники подобного класса устройств. В качестве элементной базы, как правило, применяются силовые тиристоры высокого класса напряжения (6000–7000 В), которые соединяются в последовательные группы для достижения требуемого рабочего напряжения, вакуумная коммутационная аппаратура, микропроцессорная система управления, оптоволоконные средства передачи и потенциальной развязки сигналов между высоковольтным преобразователем и системой управления, бестрансформаторные цифровые датчики напряжения и т.п. [9, 10].

Обзор литературы и энергетическое обследование ряда предприятий позволил обосновать перечень параметров приводных высоковольтных двигателей для номинальных линейных напряжений 3, 6 и 10 кВ. Обоснована и разработана шкала типоразмеров серийно изготавливаемых ЗАО «АСК» групповых преобразователей типа ПАД–В–Г и ПСД–В–Г (табл. 1) и комплектных преобразователей типа ПАД–В–К и ПСД–В–К (табл. 2). Преобразователи для плавного пуска электроприводов переменного тока, разрабатываемых и производимых ЗАО «АСК», структурно и по техническим характеристикам соответствуют аналогичным отечественным и зарубежным [11]. При этом есть и некоторые отличительные особенности. Используется силовая элементная база преимущественно отечественных производителей. Широко применяются материалы предприятий Уральского региона. Оригинальный алгоритм формирования автоматизированного плавного пуска обеспечивает простоту наладки, настройку на механизмы с различными механическими характеристиками и моментами инерции. Стоимость на 10–15 % ниже аналогичных отечественных устройств и на 40–50 % – зарубежных. Гарантийный срок эксплуатации пять лет. Имеется сертификат соответствия и разрешение федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору на применение на нефтепроводах, газопроводах и в горнодобывающей промышленности. Это достигнуто благодаря гармоничному сочетанию науки, разработки и производства, высокому уровню организации и стратегическому направлению ЗАО «АСК» на развитие отечественной техники и технологий.

Таблица 1 – Технические характеристики групповых преобразователей ПАД–В–Г и ПСД–В–Г

Таблица 2 – Технические характеристики комплектных преобразователей ПАД–В–К и ПСД–В–К

Принцип действия.

Тиристорный преобразователь напряжения управляет основным потоком электрической энергии, которая поступает от источника питания силовых цепей к электродвигателю через мощные тиристорные ключи. Вентильные каскады преобразователя содержат высоковольтные тиристоры, необходимые защитные и делительные элементы. Система датчиков, диагностики и управления преобразователем реализована на современной широкодоступной микроэлектронной базе с применением микроконтроллеров и оптоволоконной техники. Помимо обеспечения плавного пуска, преобразователи обладают рядом дополнительных возможностей: автоматическое управление внешней коммутационной аппаратурой; измерение напряжения, тока, мощности и энергии электродвигателя; автоматическое форсирование напряжения (тока) при несостоявшемся запуске ЭП; имеет защитную блокировку от подачи высокого напряжения на ТПН при ошибочных действиях обслуживающего персонала; имеет обширный набор параметров, которые дают возможность конфигурирования для широких областей применения; имеет изолированные дискретные и аналоговые входы и выходы; выдаёт подробную информацию о состоянии электропривода на дисплей; имеет встроенный модуль передачи данных по шине PROFIBUS; имеет энергонезависимые часы реального времени и календарь для протоколирования ошибочных ситуаций. Преобразователь оснащён комплексом защиты системы от повышенного или пониженного напряжения сети, несимметрии напряжений и токов статора двигателя, неполнофазного режима работы, сверхтоков, замыкания на землю, коммутационных перенапряжений на тиристорах, дисбаланса вентильного каскада, перегрева и ухудшения вентиляции силового тиристорного модуля. Структура системы автоматического управления преобразователя может быть настроена для различных режимов пуска двигателей. Благодаря наличию универсального программируемого задатчика [2, 5, 6] может быть реализован любой алгоритм формирования управляющего воздействия: с обратной связью по току или напряжению; в разомкнутой системе по времени

В качестве примера на рис. 1 приведена типовая схема электроснабжения высоковольтных асинхронных электроприводов центробежных механизмов с системой группового плавного пуска на базе тиристорного преобразователя напряжения типа ПАД–В–Г [8, 10]. На рис. 2 приведена типовая схема электроснабжения с применением комплектных преобразователей типа ПАД–В–К для двух вариантов исполнений: с индивидуальным или групповым питанием [11–13].

Внедрение

В настоящее время на предприятиях России и за рубежом ЗАО «АСК» реализовано несколько десятков проектов системы группового и индивидуального плавного пуска синхронных и асинхронных ЭП с использованием ТПН на напряжение сети 3, 6 и 10 кВ и мощностью двигателя от 0,25 до 4 МВт [11]. В табл. 3 приведены основные заказчики систем плавного пуска. Из всего шестилетнего опыта внедрения можно показать, что большое количество устройств плавного пуска устанавливается в системы энергоснабжения с не достаточной для прямого пуска мощностью. Это касается вновь вводимых объектов в устаревшую систему энергоснабжения. При этом главным критерием является снижение пусковых токов и удержание посадки напряжения на секциях шин в пределах допустимого ГОСТ 10 % уровня. Однако в другой группе механизмов с большим моментом инерции, к которым, например, относятся турбокомпрессоры, вентиляторы, дымососы, главным критерием является снижение динамического момента при старте с целью повышения эксплуатационного ресурса именно механизма.

Таблица 2 – Технические характеристики комплектных преобразователей ПАД–В–К и ПСД–В–К

ВЫВОДЫ.

За последние годы специалистами ЗАО «АСК» накоплен значительный опыт в разработке, производстве, внедрении и наладке высоковольтных систем плавного пуска на базе ТПН. Системы в полной мере соответствует предъявляемым требованиям, положительно зарекомендовали себя в эксплуатации и являются надёжными и конкурентоспособными изделиями.

Список использованной литературы

1. 1. Шубенко В.А., Браславский И.Я. Тиристорный асинхронный электропривод с фазовым управлением. – М.: Энергия, 1972. – 232 с.
2. Ткачук А.А., Копырин В.С., Бородацкий Е.Г. Унифицированная микроконтроллерная система управления тиристорными преобразователями напряжения / Материалы международной НТК «Наука и новые технологии в энергетике». – Павлодар: ПГУ им. С. Торайгырова, 2002. – С. 170–175.
3. Копырин В.С., Ткачук А.А., Бородацкий Е.Г. Преобразователь типа ПАД для плавного пуска асинхронного электропривода / Сб. докл. науч.- практ. семинара «Энергосберегающая техника и технологии». – Екатеринбург: Уральские выставки, 2002. – С. 60.
4. Ткачук А.А., Силуков А.Ю., Кривовяз В.К. Опыт применения преобразователя типа ПАД–В для плавного пуска высоковольтных двигателей / Сб. докл. науч.-практ. конф. «Проблемы и достижения в промышленной энергетике». – Екатеринбург: Уральские выставки, 2006. – С. 122–125.
5. Тиристорный преобразователь для плавного пуска высоковольтных асинхронных двигателей / А.А. Ткачук, В.К. Кривовяз, В.С. Копырин, А.Ю. Силуков // Силовая электроника. – 2007. – № 1.
6. Высоковольтный тиристорный преобразователь напряжения для плавного пуска электродвигателя переменного тока / А.А. Ткачук, В.К. Кривовяз, В.Н. Яковлев, В.С. Копырин / Сб. трудов Международной 14-й НТК «Электроприводы переменного тока». – Екатеринбург: УГТУ–УПИ, 2007.
7. Ткачук А.А., Копырин В.С. Групповой плавный пуск высоковольтных синхронных электроприводов компрессорных станций // Электротехнический рынок. – 2007. – № 12.
8. Плавный пуск группы высоковольтных асинхронных электроприводов центробежных механизмов / А.А. Ткачук, В.К. Кривовяз, В.С. Копырин, А.Ю. Силуков // Силовая электроника. – 2008. – № 2
9. Плавный пуск группы высоковольтных синхронных электроприводов центробежных механизмов / А.А. Ткачук, В.К. Кривовяз, В.С. Копырин, А.Ю. Силуков // Силовая электроника. – 2008. – № 3.
10. Плавный пуск группы высоковольтных асинхронных электроприводов центробежных механизмов / А.А. Ткачук, В.К. Кривовяз // Насосы & оборудование. – 2009. – № 2 (55).