Исследование способов снижения пускового тока при запуске высоковольтных двигателей

Синхронный электропривод турбомеханизмов охватывает значительный класс мощных и наиболее ответственных технологических установок в металлургической, нефтегазовой и других отраслях промышленности [1–3]. Статистика отказов показывает, что с учетом штатного ресурса машин наиболее опасными режимами синхронного электропривода являются динамические процессы пуска и останова [4–6]. Аналогичные данные есть и по другим мощным системам [7–13]. Основными причинами их являются эксплуатационные ограничения, связанные с прямым реакторным пуском машин:

– ограниченное количество пусков (до 150), после которых необходим ремонт ротора и мониторинг обмоток статора;

– чаще всего по условиям завода-изготовителя допускается только два пуска с разгруженным центробежным компрессором из холодного состояния с перерывами между пусками 15 мин или только 1 пуск из горячего состояния;

– пуск электродвигателя с нагрузкой допускается только при пониженном напряжении сети и разгруженном агрегате.

При пуске температура статора двигателя из холодного состояния (30–35 °С) до рабочей (65–75 °С) изменяется более чем за 2 ч. Частые и затянутые пуски под нагрузкой приводят к значительным электродинамическим усилиям в роторе (выпучивание стержней обмоток, вылетание петушков и поломки валов), перегреву и старению изоляции статорных обмоток (при перегреве на 8 °С срок службы снижается вдвое).

Разработка новых систем управления, позволяющих улучшить механические и энергетические показатели производственного оборудования, является актуальной задачей для исследования [14–17].

Исследование переходных процессов энергетических систем рассмотрено в работе [18, 19], анализ причин провалов напряжения и их влияния на энергосистему и подключенное к ней оборудование, влияния пусков мощных двигателей на энергосистему произведен в работе [20].

Рассматриваемый объект задействован в металлургическом производстве, где одновременно может происходить запуск нескольких агрегатов, а также существуют ограничения на запуск мощных электродвигателей с большими пусковыми токами.

Рис. 1. Кинематика воздушного компрессора

Исследуемый компрессор установлен на кислородной станции, в его задачи входит сжатие воздуха с последующим его охлаждением. На объекте установлен неявнополюсный синхронный электрический двигатель, скорость которого по технологическому процессу не требует регулировки. Напряжение возбуждения компрессора составляет 10 кВ.

Кинематика электропривода компрессора представлена на рис. 1.

Модель реального объекта с реакторным пуском

На первоначальном этапе исследования была рассчитана и составлена математическая модель реального объекта, на нем используется система с реакторным пуском синхронного двигателя, схема в среде математического моделирования представлена на рис. 2. От источника питания через выключатель, срабатывание которого происходит при моделировании, через 1 с питание подается на двигатель, запуск которого возможен только по истечении еще одной минуты, за счет срабатыва- ния выключателя Q2. Все это время происходит запуск синхронного двигателя в асинхронном режиме. При достижении подсинхронной скорости происходит исключение из работы в схеме блока «Гасящее сопротивление», на который зашунтиро-вана обмотка возбуждения двигателя, следовательно, она оказывается под напряжением. Параллельно отключается выключатель Q2, а выключатель Q1 становится во включенное положение, при этом двигатель входит в синхронизм, но его работа происходит как и в реальных условиях без нагрузки, пока не будет на практике открыта рабочая заслонка, представленная в модели блоком «Рабочая нагрузка».

Полученные при моделировании графики тока и напряжения статора приведены на рис. 3 и 4. Анализируя полученный переходный процесс, можно сделать вывод, что ток статора при пуске превышает номинальное значение примерно в 5 раз, а действующее значение напряжения в 4 раза меньше номинального значения, при этом время пуска составляет около 16,6 с, на реальном объекте наблюдаются те же данные.

Рис. 2. Математическая модель реакторного пуска синхронного двигателя

Рис. 3. Переходный процесс тока при пуске через токоограничивающий реактор

Рис. 4. Переходный процесс напряжения при пуске через токоограничивающий реактор

Модель с устройством безударного пуска

Снижение ударных нагрузок на систему электроснабжения во время пуска высоковольтных синхронных двигателей возможно за счет использования в системе управления устройства безударного пуска.

Применение устройства данного типа, работающего по схеме тиристорного регулятора напряжения, позволяет добиться снижения интенсивности нарастания и количественного значения пускового тока путем регулирования отпирания тиристоров в системе импульсно-фазного управления. Увеличение напряжения, подаваемого на обмотки статора, осуществляется плавно до значения номинального показателя в заданном временном промежутке.

Использование предлагаемого устройства имеет ряд достоинств в виде присутствия разъеди- нителей с заземляющими ножами, благодаря которым при работающем двигателе появляется возможность проводить обслуживание тиристорных блоков. Борьба с перенапряжением на тиристорных блоках осуществляется посредством ограничителей перенапряжения.

На рис. 5 представлена математическая модель, содержащая устройство безударного пуска. Запуск двигателя происходит от совместно функционирующих блоков S1, S2, S3 и трех блоков Controlled Voltage Source, в них задана частота, но возможно регулирование напряжения при помощи задатчика интенсивности ЗИ.

Представленная система позволяет снизить пусковые токи примерно до значений, составляющих трехкратные показатели номинального тока статора (рис. 6), но при этом наблюдается увеличение времени пуска двигателя до 35 с

(рис. 7). На основании анализа представленных графиков видно, что использование системы с безударным пуском позволяет снизить влияние запуска синхронного двигателя на энергосистему, что говорит об эффективности предлагаемого метода.

Рис. 5. Модель с устройством безударного пуска

Рис. 6. Действующее значение тока статора

Рис. 7. График колебания напряжений

Модель с частотным пуском

Еще одним вариантом снижения пиковых нагрузок на реальных объектах будет использование устройства частотного плавного пуска, принцип действия которого заключается в плавной подаче тока на двигатель до показателей, при которых двигатель начинает вращение, затем происходит стабилизация пускового тока (разгон двигателя происходит с постоянным значением пускового тока). Когда значения скорости двигателя приближаются к номинальным показателям, происходит снижение тока до параметров, зависящих от нагрузки на валу в текущий момент времени; напряжение, поступающее на двигатель, при таких условиях соответствует полному напряжению питающей сети. По истечении времени, заложенного в устройстве плавного пуска на разгон двигателя, оно отключается и нагрузку на себя берет питающая сеть с токоограничивающим реактором.

На рис. 8 представлена математическая модель предлагаемой для исследования системы в среде MATLAB, построенная на базе предыдущей модели, но в данном случае сигнал задания подается на задатчик интенсивности, где происходит формирование как частоты, так и напряжения по закону постоянства момента U/f = const.

На рис. 9 представлена полученная в результате моделирования характеристика тока статора.

На основании анализа приведенной характеристики можно сделать вывод о том, что происходит существенное снижение значений пиковых пусковых токов, что также говорит об эффективности предлагаемого метода.

Приведенный на рис. 10 график демонстрирует улучшение состояния энергосистемы при использовании системы с частотным пуском, причем показатели колебания напряжения снизились даже по сравнению с системой с безударным пуском.

Результаты, полученные при компьютерном моделировании, соответствуют результатам экспериментальных исследований пуска синхронного двигателя турбокомпрессора мощностью 3700 кВт.

Рис. 8. Система с устройством частотного плавного пуска

Частотный пуск без ввода от генератора ТГ-б

Реакторный пуск без ввода от генератора ТГ-б

Рис. 10. График колебания напряжений

Экспериментальные исследования синхронного привода компрессоров

На рис. 11 и 12 показаны графики пускового тока, линейного напряжения питающей сети и скорости вращения синхронного электродвигателя в относительных единицах. Осциллограммы пуска (см. рис. 11) иллюстрируют пуск по заданной траектории с темпом 2 Гц/c, а САУ за счет обратной связи по скорости формирует пусковой ток, который в данном случае меньше 0,5 I ном . Осциллограммы пуска (см. рис. 12) иллюстрируют пуск с максимальным ускорением, заданным величиной ограничения пускового тока, а САУ поддерживает пусковой ток на уровне ограничения пускового тока.

Приведенные осциллограммы пусков показывают, что при частотном пуске синхронного электродвигателя провалы питающего напряжения на входе пускового устройства, обусловленные пусковыми токами, не превышают значений, установленных ГОСТ 13109–97(2002), и соответствуют:

• –    не более 3 % от номинального напряжения при пусковом токе, не более 0,75 номинального тока статора;

• –    не более 2 % от номинального напряжения

при пусковом токе, не более 0,45 номинального тока статора.

Для обеспечения работы устройства в зоне низких частот вращения ток возбуждения синхронного двигателя в начале пуска был установлен на уровне 1,1 номинального тока возбуждения. В процессе пуска с ростом частоты вращения ток возбуждения плавно снижался до номинального значения.

Отличительной особенностью рассмотренного пуска является использование комбинированной схемы электроснабжения, когда в качестве резервного источника использована дизель-генераторная электростанция. В этом случае применение устройства плавного пуска позволило не только сэкономить ресурсы электродвигателя и компрессора, но и решить технологическую проблему пуска компрессорной установки в условиях, когда прямой пуск от дизель-генераторной электростанции невозможен. Область применения устройств плавного пуска – это электроприводы с высоковольтными синхронными двигателями, требующие большого пускового момента, такие как станы, мельницы, компрессоры и прочие механизмы с вентиляторным моментом.

Рис. 11. Пуск синхронного двигателя 3700 кВт турбокомпрессора с заданным темпом 2 Гц/c

Рис. 12. Пуск синхронного двигателя 3700 кВт турбокомпрессора при ограничении пускового тока на уровне 0,75 от номинального тока статора

Заключение

По проведенным исследованиям можно сделать вывод, что использование предлагаемых методов позволяет добиться значимых результатов.

В целом проведенное исследование позволило проанализировать возможный эффект от модернизации существующего объекта без использования дополнительных материальных затрат.

На практике реализация данных методов также не вызывает каких-либо трудностей, так как отечественные компании занимаются выпуском устройств с системами безударного пуска и системами частотного пуска, хорошо зарекомендовав- шими себя в условиях эксплуатации на объектах разного назначения.

Проведенное исследование имеет практическую ценность, так как может быть использовано на объектах с синхронными двигателями и вентиляторной нагрузкой.

Статья написана при поддержке гранта РФФИ 19-48-480001 «Разработка, исследование и оптимизация энергосберегающих электротехнических и элек-троприводных автоматизированных комплексов для плазменных, электрометаллошлаковых и индукционных технологий и агрегатов».