Плавный пуск группы высоковольтных асинхронных электроприводов центробежных механизмов

Андрей Ткачук
Владимир Кривовяз
Владимир Копырин
Александр Силуков

Актуальность

Нерегулируемый по скорости электропривод переменного тока (асинхронный и синхронный) является наиболее массовым во всех отраслях промышленности и в энергетике. Особенно доля его значительна на предприятиях горнометаллургического комплекса, включая цветную металлургию [1–3]. Синхронный электропривод (СЭП) обладает важными преимуществами перед асинхронным электроприводом (АЭП) благодаря возможности активно воздействовать на режимы работы системы электроснабжения предприятия путем регулирования величины и направления реактивной мощности в узле подключения СЭП. Наиболее широко применяются синхронные двигатели (СД) средней и большой мощности для механизмов (ЦМ) центробежного принципа действия (насосы, вентиляторы и компрессоры). Доля синхронных электроприводов, установленных на компрессорных станциях для получения сжатого воздуха, существенно больше АЭП [1, 2]. Учитывая значительную мощность СЭП, используются синхронные двигатели с номинальным напряжением питания обмотки статора более 1000 В, в основном 3, 6 и 10 кВ.

Самый ответственный режим работы нерегулируемых по скорости СЭП — пуск в работу. Широко распространенным пусковым режимом СЭП центробежных механизмов является асинхронный пуск синхронного двигателя. Поэтому для СЭП, как и для АЭП, перспективно использовать для плавного пуска тиристорный преобразователь напряжения (ТПН) [4–7]. При этом наиболее эффективно применение системы «ТПН-СД-ЦМ» для плавного пуска высоковольтных синхронных двигателей с номинальной мощностью от 0,63 до 12,5 МВт и номинальным напряжением более 1000 В.

В ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы» (ЗАО «АСК», г. Екатеринбург) разработан и освоен выпуск высоковольтных тиристорных преобразователей напряжения для плавного пуска асинхронных и синхронных приводных двигателей с номинальным напряжением 3, 6 и 10 кВ [4–6]. Основные технические характеристики высоковольтных тиристорных преобразователей напряжения типа ТПН-В для плавного пуска двигателей переменного тока выпускаемых в ЗАО «АСК» приведены в [4].

На первом этапе разработки и производства преобразователи ТПН-В применялись для плавного пуска индивидуальных асинхронных электроприводов ЦМ [4–6]. Приобретенный опыт позволил перейти к разработке систем «ПАД-В-Г» и их использованию для группового плавного пуска высоковольтных АЭП (в количестве от 2 до 8) центробежных механизмов [7]. Это обусловлено не только высоким спросом на групповой плавный пуск АЭП, но и значительным экономическим эффектом при внедрении таких электротехнических систем.

Следующим этапом разработки, производства и внедрения высоковольтных ТПН было их применение для индивидуального и группового плавного пуска синхронных электроприводов с тиристорным возбудителем [5, 8, 9]. Примером на первом этапе внедрения группового плавного пуска СЭП были компрессорные станции для получения сжатого воздуха с количеством турбокомпрессоров от 2 до 5 [8, 9]. При этом чем больше количество СЭП на станции, тем больше экономический эффект от внедрения системы «ТПН-СД-ЦМ».

Высоковольтные устройства плавного пуска

Обусловили целесообразность разработки и серийного производства рядом предприятий комплектного электротехнического оборудования для группового плавного пуска как асинхронных, так и синхронных электроприводов следующие факторы:

• постоянно возрастающий спрос на устройства плавного пуска высоковольтных АЭП и СЭП,
• высокие технико-экономические показатели систем «ТПН-АД-ЦМ» и «ТПН-СД-ЦМ»,
• относительная простота схемного решения при сопряжении с системой электроснабжения,
• высокий уровень автоматизации и надежность в эксплуатации.

К наиболее крупным производителям устройств плавного пуска относятся отечественные предприятия: ОАО «ВНИИР» (г. Чебоксары), ОАО «Электровыпрямитель » (г. Саранск), ЗАО «Нефтяная электронная компания» (г. Пермь), а также зарубежные: АBB, Solcon, Allen-Bradley, Toshiba, Харьковский электромеханический завод и др. В состав поставляемого оборудования кроме высоковольтного тиристорного преобразователя напряжения включаются: шкафы с силовым коммутационным оборудованием, система управления, защиты, диагностики и сигнализации.

Обзор 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.

Устройства плавного пуска индивидуальных и групповых электроприводов переменного тока, которые разрабатывает и производит ЗАО «АСК», структурно и по техническим характеристикам соответствуют аналогичным отечественным и зарубежным. При этом есть и некоторые отличия. 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, гарантированный пуск и втягивание в синхронизм СД. Стоимость — на 10–15% ниже аналогичных отечественных устройств и на 40–50% зарубежных. Гарантийный срок эксплуатации — 5 лет. Имеется сертификат соответствия. Все это достигнуто благодаря гармоничному сочетанию науки, разработки и производства, а также высокому уровню организации ЗАО «АСК».

Система группового плавного пуска СЭП

Технические характеристики системы «преобразователь плавного пуска — группа синхронных двигателей высоковольтных электроприводов центробежных механизмов», которые разработаны и производятся ЗАО «АСК», приведены в таблице 1. Применение данной системы обеспечивает:

• увеличение ресурса и межремонтных периодов центробежных механизмов;
• повышение надежности и срока службы приводных синхронных двигателей;
• увеличение количества пусков СЭП и механизмов в сутки;
• исключение или существенное снижение отрицательного влияния на систему электроснабжения предприятия при пуске ЦМ за счет уменьшения пусковых токов и мощностей;
• гибкое управление двигателями в соответствии с графиком потребления рабочей жидкости или газа;
• снижение потребления электроэнергии из сети;
• автоматическое управление режимом пуска группы СД.

Таблица 1. Технические характеристики высоковольтной системы «преобразователь плавного пуска — группа синхронных двигателей высоковольтных электроприводов центробежных механизмов»

В качестве примера на рис. 1 приведена схема системы группового плавного пуска четырех высоковольтных синхронных электроприводов ЦМ. Высоковольтная подстанция получает питание по двум отдельным вводам напряжением 3, 6 или 10 кВ, подключенным к соответствующим секциям шин. Секции 1 и 2 системы электроснабжения получают питание от двух независимых вводов через высоковольтные коммутирующие ячейки с выключателями QF5 и QF6 соответственно. В качестве примера взяты четыре синхронных двигателя М1–М4, по два на секцию, запитанных от рабочих ячеек с выключателями QF1–QF4. Ячейки обеспечивают коммутацию нормальных и аварийных токов двигателей, снабжены специализированными автоматическими устройствами защиты, диагностики и измерения электрических параметров. Обмотка возбуждения каждого из четырех синхронных двигателей запитана от соответствующего тиристорного возбудителя ТВ1–ТВ4.

Рис. 1. Электрическая схема автоматизированного плавного пуска четырех высоковольтных СЭП центробежных механизмов
(кликните для увеличения)

Для реализации группового плавного пуска всех двигателей схема содержит следующее оборудование:

• две головные рабочие ячейки с выключателями QF8 и QF9 и системой защиты, подключенные к первой и второй секциям соответственно;
• тиристорный преобразователь напряжения ТПН-В с соответствующими питающей сети и приводным СД токами и напряжением типа ПСД-В-Г (таблица 1);
• микроконтроллерная система МПСУ (рис. 2) устройства плавного пуска с блоками БУ управления высоковольтными выключателями QF1–QF9 и контакторами KM1–KM4;

Рис. 2. Микропроцессорная система управления устройства плавного пуска группы высоковольтных СЭП

• четыре ячейки выбора двигателя ЯВД1–ЯВД4 с вакуумными контакторами KM1–KM4;
• специализированное фильтр-компенсирующее устройство ФКУ-С для улучшения электромагнитной совместимости ТПН-В с питающей сетью в момент пуска двигателей;
• датчики реактивной мощности ДРМ1 и ДРМ2 в узлах подключения каждой секции к питающей сети;
• блоки управления БУТВ тиристорными возбудителями ТВ1–ТВ4;
• контроллер верхнего уровня КВУ для автоматизации пуска синхронных электроприводов центробежных механизмов.

Рис. 3. Диаграммы плавного пуска четырех синхронных электроприводов
(кликните для увеличения)

Схема работает следующим образом. Допустим, требуется запустить двигатель М1. Силовая схема должна быть подготовлена: подведено напряжение к первой секции и шкафу управления; разъединители в ячейках установлены в рабочее положение.

При автоматическом пуске из контроллера верхнего уровня поступают сигналы управления, а при ручном пуске оператор на шкафу управления устанавливает ключ выбора режима в положение «Плавный пуск М1» и нажимает кнопку «Пуск». При этом собираются цепи управления и контроля, участвующие в запуске двигателя М1: секция 1; головной выключатель QF8; контактор КМ1 в ячейке ЯВД1 и цепи технологических защит М1. Система управления преобразователя при правильной сборке схемы подключает в работу ТВ1 (при этом обмотка возбуждения М1 шунтируется пусковым сопротивлением) и выдает управляющие импульсы на тиристорный преобразователь напряжения. Двигатель М1 плавно разгоняется в соответствии с заданным алгоритмом формирования пусковой траектории тока или напряжения статора. При достижении напряжения на статоре М1, равного напряжению на первой секции (при этом скорость вращения ротора СД близка к подсинхронной) система управления выполняет следующие команды: включает рабочий выключатель QF1 и тем самым шунтирует тиристоры преобразователя; снимает управляющие импульсы с тиристоров; выключает пусковой контактор КМ1 в ЯВД1 и головной выключатель QF8. После этого тиристорный возбудитель подает в обмотку возбуждения М1 постоянный ток и отключает пусковой резистор от обмотки возбуждения СД. Синхронный двигатель М1 втягивается в синхронизм. Весь алгоритм пуска выполняет и контролирует МПСУ. При успешном завершении пуска на шкафу управления загорается сигнальная лампа «Работа», а в КВУ посылается подтверждающий сигнал. Преобразователь ПСД-В-Г, головные выключатели и пусковые контакторы полностью отключены, а двигатель М1 запитан от штатной ячейки с выключателем QF1. На дисплее системы управления показывается готовность системы к пуску следующего СЭП.

Аналогично контроллер верхнего уровня или оператор выполняют плавный пуск следующего электродвигателя. Например, требуется запустить М3. Тогда силовая схема будет собрана по цепи: секция 2, головной выключатель QF9 и контактор ЯВД3. Алгоритм пуска повторяется. Таким образом, осуществляется независимое управление двигателями от разных секций шин.

Остановка двигателя осуществляется по обычной схеме, путем отключения рабочих выключателей в соответствующих ячейках. При установке ключа выбора режима «Прямой пуск» система плавного пуска выводится из работы и возможен только прямой пуск двигателей непосредственно из сети.

Предлагаемая схема группового плавного пуска строится по классической схеме электроснабжения электроприемников 1-й категории. Она осуществляет раздельное питание преобразователя от двух независимых взаимно резервирующих источников питания.

Возможен вариант схемы системы плавного пуска без использования выключателя QF8 на первой секции или QF9 на второй секции. Все элементы схемы, касающиеся этой ячейки, могут быть удалены из схемы. В таком случае во время плавного пуска двигателей М3 и М4 необходимо включать ячейку автоматического ввода резерва (АВР) c выключателем QF7 и тем самым коммутировать секции 1 и 2 между собой. После окончания пуска и включения штатных ячеек двигателя М3 или М4 ячейка АВР должна быть отключена. Этот вариант пуска возможен при относительном отклонении напряжений на секциях не более 2%. При большем отклонении высока вероятность возникновения большого уравнительного тока по вводам.

Входящие в состав системы блоки управления возбудителями содержат собственные микроконтроллеры, имеющие кроме дискретных аналоговые входы и выходы. Это в рабочем режиме позволяет управлять из МПСУ током возбуждения каждого синхронного двигателя. Наличие информации из ДРМ1 и ДРМ2 делает возможным контроль потоков реактивной мощности в системе электроснабжения предприятия. Можно задать необходимый коэффициент мощности, и система, воздействуя через ТВ на ток возбуждения работающих синхронных двигателей, обеспечит стабилизацию его на заданном уровне.

Алгоритмы управления плавным пуском СЭП

Алгоритмы группового плавного пуска СЭП иллюстрируют диаграммы на рис. 3. На диаграмме (рис. 3а) приведен алгоритм пуска двигателей М1–М4 центробежных механизмов, то есть условно показаны управляющие воздействия U_У1–U_У4, которые инициируют плавный запуск синхронных электроприводов в моменты времени Т₁–Т₄. При запуске двигателя М1 происходит следующее. В момент времени t₁ из КВУ в микроконтроллерную систему управления поступает команда U_У1. Замыкается контактор КМ1 в ячейке выбора двигателя (диаграмма на рис. 3б), вступает в работу ТВ1 и в цепь ротора СД вводится пусковое сопротивление R_ВП1 (диаграмма на рис. 3в). Дополнительное пусковое сопротивление вводится на время пуска двигателя для исключения высокого напряжения в обмотке возбуждения ротора и увеличения пускового момента СД. На статор двигателя ТПН-В подает небольшое по величине напряжение U_11Н, необходимое для создания начального потокосцепления двигателя. Напряжение на шинах преобразователя U_П и соответственно на статоре СД плавно поднимается до уровня напряжения на первой секции U_С1 за время пуска Т_П1 (диаграмма на рис. 3г). Ротор двигателя М1 разгоняется со скоростью ω_М1 до подсинхронной (диаграмма на рис. 3ж). По окончании пуска срабатывает выключатель QF1 (диаграмма на рис. 3е). При поступлении команды в КВУ, подтверждающей включение QF1, контактор КМ1 менее чем через секунду размыкается. Тиристорный возбудитель подает в обмотку возбуждения постоянный ток I_В1, и дополнительный резистор R_ВП1 выводится из цепи статора. Двигатель втягивается в синхронизм, а скорость ротора достигает синхронной ω*₀₁ (диаграмма на рис. 3ж). Аналогично при поступлении команд U_У2, U_У3 и U_У4 система управления последовательно отрабатывает плавные пуски двигателей М2, М3 и М4 соответственно.

Структура системы автоматического управления преобразователя может быть настроена для различных режимов пуска СД. Благодаря наличию универсального программируемого задатчика может быть реализован любой из алгоритмов формирования управляющего воздействия, математическое описание которого имеет вид:

• • Формирование напряжения статора СД:
    

    где y*(t) — закон относительного управляющего воздействия, %; M_U — масштабный коэффициент напряжения, В; t — время, с.

  • Формирование тока статора СД:
    

    где M_I — масштабный коэффициент тока, А.

  • Формирование тока возбуждения СД: – двигатель разгоняется:
    

    – двигатель входит в синхронизм:

    

    – задание уровня и направления реактивной мощности:

    

  где T

_СИНХ

— момент времени входа двигателя в синхронизм.

Внедрение

Положительной опыт разработки, производства и внедрения на ряде промышленных предприятий Урала системы группового плавного пуска асинхронных и синхронных электроприводов центробежных механизмов, а также увеличивающееся число обращений по применению данных систем от предприятий России и стран СНГ — все это определило данное направление в ЗАО «АСК» как одно из основных и наиболее перспективных в настоящее время. Большая часть применения систем «ПСД-В-Г» относится к синхронным электроприводам насосных и компрессорных станций. В качестве примера приводится опыт использования системы «ПСД-В-Г» на компрессорных станциях с 3 и 5 синхронными электроприводами номинальным напряжением 6 и 10 кВ соответственно.

Рис. 4. Внешний вид системы группового плавного пуска группы электроприводов трех турбокомпрессоров с СД номинальной мощностью 1,6 МВт и напряжением 6 кВ

На рис. 4 приведена система группового плавного пуска трех синхронных двигателей типа СТД-1600 с номинальными напряжением 6 кВ и мощностью 1,6 МВт на компрессорной станции рудной шахты. На переднем плане — электропривод воздушного турбокомпрессора типа К-250. Преобразователь обеспечивает разгон двигателя за 30 секунд. При этом пусковой ток СД ограничивается на уровне 1,5 от номинального. Турбина компрессора разгоняется до 11 000 об/мин. Система автоматического управления групповым плавным пуском отрабатывает все необходимые шаги алгоритма: выбор двигателя, асинхронный пуск, коммутацию штатного высоковольтного выключателя, втягивание в синхронизм. Система в полной мере соответствует предъявляемым требованиям и положительно зарекомендовала себя в эксплуатации. Система группового плавного пуска пяти синхронных двигателей типа СТД-3200 с номинальными напряжением 10 кВ и мощностью 3,2 МВт внедрена на компрессорной станции алюминиевого завода.

Литература

1. Справочник электроэнергетика предприятий цветной металлургии / Под ред. М. Я. Басалыгина, В. С. Копырина. М.: Металлургия, 1991.
2. Онищенко Г. Б., Юньков М. Г. Электропривод турбомеханизмов. М.: Энергия, 1972.
3. Сальников В. Г., Бобков В. А., Копырин В. С., Патрик А. А., Дворянчиков Г. Е. Синхронный электропривод со статическим возбудителем в цветной металлургии. М.: Цветметинформация, 1978.
4. Ткачук А. А., Кривовяз В. К., Копырин В. С., Силуков А. Ю. Тиристорный преобразователь для плавного пуска высоковольтных асинхронных двигателей // Силовая электроника. 2007. № 1.
5. Ткачук А. А., Кривовяз В. К., Яковлев В. Н., Копырин В. С. Высоковольтный тиристорный преобразователь напряжения для плавного пуска электродвигателя переменного тока / Сб. трудов международной 14-й НТК «Электроприводы переменного тока». Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007.
6. Ткачук А. А., Кривовяз В. К., Копырин В. С., Силуков А. Ю. Формирование плавного пуска высоковольтной системы «тиристорный преобразователь напряжения — асинхронный двигатель» / Cб. трудов международной 3-й НТК «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы». Екатеринбург: УГТУУПИ, 2007.
7. Ткачук А. А., Кривовяз В. К., Копырин В. С., Силуков А. Ю. Плавный пуск группы высоковольтных асинхронных электроприводов центробежных механизмов // Силовая электроника. 2008. № 2.
8. Ткачук А. А., Силуков А. Ю., Кривовяз В. К. Система группового плавного пуска высоковольтных синхронных двигателей турбокомпрессоров / Cб. докл. науч.-практ. конф. «Проблемы и достижения в промышленной энергетике». Екатеринбург: Уральские выставки, 2007.
9. Ткачук А. А., Копырин В. С. Групповой плавный пуск высоковольтных синхронных электроприводов компрессорных станций // Электротехнический рынок. 2007. № 12.