Электроприводы по системе «преобразователь частоты - двухскоростной асинхронный двигатель» с переключающимися структурами

Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о высокой эффективности применения частотно-регулируемого электропривода на тепловых предприятиях при производстве горячей воды, электроэнергии и пара [1, 2]. Однако при оценке преимуществ ЧРП в большинстве случаев не учитывается специфика работы асинхронного двигателя (АД) совместно с преобразователем частоты (ПЧ). Статистика показывает увеличение числа аварийных отключений оборудования, технологические механизмы которого оснащены системами регулирования производительности (скорости АД) [3, 4]. Причиной этого является увеличение длительности перерывов в работе двигателей при нарушениях электроснабжения: провалах либо кратковременных (1-3 с) отключениях напряжения [5, 6]. На тепловых предприятиях (тепловых станциях, ТЭЦ, тепловых электростанциях) это приводит к увеличению количества аварийных остановов ответственных механизмов, что ведет к снижению надежности котлоагрегатов и предприятия в целом.

В результате проведенных исследований показано, что количество отключений ответственного оборудования тепловых предприятий, оснащенного ЧРП, напрямую зависит от интенсивности нарушений электроснабжения. При этом нарушения, возникающие на различных секциях шин одного уровня напряжения (6, 10 кВ), как правило, не совпадают по времени [7, 8].

В работах [9, 10] обосновано направление повышения работоспособности ЧРП за счет электропитания от двух вводов, одновременные провалы напряжений на которых имеет низкую вероятность. Предложены технические решения, обеспечивающие реализацию данной идеи. Однако практического применения эти разработки до настоящего времени не получили.

В комплексе с вопросами обеспечения работоспособности также должны решаться задачи энергосбережения.

Постановка задачи

При обосновании направлений совершенствования ЧРП следует учитывать, что значительная часть вспомогательных механизмов котлов оснащена двухскоростными АД. Известно, что тягодутьевые механизмы (ТДМ) - дутьевые вентиляторы и дымососы, являются наиболее ответственными технологическими механизмами, от устойчивой работы которых зависит надежность котлоагрегатов. Перевод электроприводов ТДМ, выполненных на базе двухскоростных АД, на частотное регулирование скорости создает возможности сохранения их работоспособности при нарушениях электроснабжения.

Электроприводы ТДМ являются также наиболее энергоемкими объектами. Их установленная мощность составляет 50 - 70 % мощности, потребляемой всеми электроприводами собственных нужд тепловых предприятий. В работах [11, 12] обосновано направление повышения энергетической эффективности за счет увеличения эквивалентного КПД электроприводов этих механизмов при частотном регулировании производительности.

Следует отметить, что вопросам частотного регулирования скорости электроприводов с двухскоростными АД в настоящее время практически не уделяется внимания. В большинстве случаев осуществляется регулирование во всем диапазоне при работе АД только на обмотке высокой скорости. Это приводит к снижению КПД электродвигателя и преобразователя частоты, к тому же снижается ресурс дорогостоящего электрооборудования.

В связи с изложенным, актуальными задачами являются обеспечение работоспособности электроприводов ответственных механизмов тепловых предприятий при нарушениях электроснабжения и повышение их энергетической эффективности за счет увеличения эквивалентного КПД.

Теоретическая часть

Для решения поставленных задач предложена концепция ресурсо-энергосберегающих электроприводов, выполненных по системе «преобразователь частоты – двухскоростной асинхронный двигатель», с переключающимися структурами, согласно которой осуществляется перевод АД на обмотку высокой скорости (ВС) либо низкой скорости (НС) при частотном регулировании скорости на каждой обмотке.

Согласно данной концепции для повышения устойчивости ЧРП к нарушениям электроснабжения осуществляется питание обмоток ВС либо НС от независимых вводов 6 либо 10 кВ, подключенных к различным вводным трансформаторам. При провалах либо отключениях напряжения по основному вводу, питающему обмотку ВС, осуществляется переключение АД на обмотку НС. При этом частотное регулирование скорости сохраня- ется, а коммутация ПЧ может осуществляться как на стороне подводимого напряжения, так и на его выходе.

С целью повышения энергетической эффективности осуществляются переключения обмоток при изменении производительности технологического механизма вверх либо вниз относительно заданного граничного значения. Это значение определяется согласно графику нагрузки котла, имеющему, как правило, сезонный характер.

Повышение устойчивости ЧРП с двухскоростными АД к нарушениям электроснабжения осуществляется за счет разработок по представленным ниже направлениям.

Электропривод с двумя преобразователями частоты

Разработанный ЧРП обеспечивает питание обмоток ВС либо НС от независимых вводов. При этом питание каждой обмотки осуществляется от своего ПЧ, в общем случае, большой и малой мощностей. С этой целью разработано устройство управления двухскоростным АД дутьевого вентилятора (ДВ), функциональная схема которого представлена на рис. 1 [13].

Блок 10 задания количества подаваемого воздуха обеспечивает производительность Q зад дутьевого вентилятора 2, которая удовлетворяет требуемому соотношению «топливо – воздух».

В аварийном режиме, когда происходит отключение ПЧ большой мощности 12, питающего обмотку ВС 6, с его информационного выхода на вход блока управления 9 поступает сигнал «авария по основному вводу». При этом блок управления осуществляет переключение питания на обмотку НС 7. Одновременно изменяется положение лопаток направляющего аппарата 14, тем самым обеспечивается заданная производительность Q зад вентилятора. Его КПД при этом снижается, однако сохраняется работоспособность. После снятия сигнала «авария» блок управления восстанавливает рабочий режим двигателя.

При аварийном отключении резервного источника электроснабжения 8 с информационного выхода преобразователя частоты 13 на вход блока управления 9 поступает сигнал «авария по резервному вводу». При этом включается ПЧ большой мощности 12 и обеспечивается заданная производительность Q зад дутьевого вентилятора.

Аналогично осуществляются коммутационные процессы при выходе из строя ПЧ малой мощности 13 либо при потере напряжения на основном источнике электроснабжения 5.

В схеме предусмотрено прямое подключение обмоток ВС либо НС к источникам (секциям) 5 либо 6 за счет соответствующей коммутации аппаратов 3, 4 и вывода преобразователей 12, 13 из работы. Регулирование производительности ДВ в этом случае осуществляется поворотом лопаток направляющего аппарата 14.

Рис. 1. Функциональная схема устройства управления двухскоростным электродвигателем дутьевого вентилятора котельного агрегата: 1 – двухскоростной электродвигатель; 2 – дутьевой вентилятор; 3, 4 – коммутационные аппараты; 5 – основной источник электроснабжения; 6 – вывод обмотки ВС; 7 – вывод обмотки НС; 8 – резервный источник электроснабжения; 9 – блок управления; 10 – блок задания количества подаваемого воздуха; 11 – датчик количества подаваемого воздуха; 12, 13 – преобразователи частоты; 14 – направляющий аппарат вентилятора

Электропривод на основе преобразователя частоты с двумя выпрямителями

Сущность разработанного технического решения поясняет рис. 2, на котором представлена функциональная схема устройства управления двухскоростным АД на основе ПЧ с двумя звеньями постоянного тока (выпрямителями).

Отличительной характеристикой устройства

Рис. 2. Функциональная схема ЧРП на основе ПЧ с двумя звеньями постоянного тока: 1 – двухскоростной АД; 2 – дутьевой вентилятор; 3, 4, 16 – коммутационные аппараты; 5, 6 – источники питания; 7, 8 – выводы обмоток ВС и НС; 9 – блок управления; 10 – блок задания количества воздуха; 11 – датчик подаваемого воздуха; 12 – направляющий аппарат; 13, 14 – датчики напряжения; 15 – дроссель с двумя обмотками; 17 – преобразователь частоты;

18, 19 – выпрямители; 20 – емкостный фильтр; 21 – инвертор напряжения

яв ляетс я то, что п ит а н ие об м оток В С л и б о Н С о с у ще с твл яетс я однов ре м енно от дву х не з а висимых в в одо в (од нов ре м ен н ая под ача на пря ж ения на о б е об м отки искл юча е т ся з а с че т л огик и пе ре к люч е н ия коммутаци он ны х а пп ара тов ). Обм от ка 7 л и б о 8 д в и гат е л я 1 , н а хо д ящая ся в р а б о т е, п ол уч ае т примерно 50 % элект рич ес ко й э нер гии о т пер во г о и с т о ч ник а пи т а ни я 5 и с т ольк о же о т в т о р о г о ист о ч ник а 6 . Т ак о й р еж и м о б е сп ечи в ают д р о ссе ль 1 5 с дву м я обм от ка м и, пре обра з ов а те л ь ча стоты 17 и коммутационный а п па рат 1 6. При а в а рийном о ткл юче н ии од ного из ис точ ни ков на дву х с корос тной АД подается 100 % э л е ктриче ской эне рги и от ис пра в н ого и ст очни ка . При не испра в нос т и од ной из обм оток н и зкой 8 и ли в ы сокой 7 с корос те й у каза нн ы е в ыше ре жим ы ра боты устройс тв а с ох раняются.

К ак и в пре ды д у ще й сх ем е пре д ус м отре но прям ое п одк л юче н ие обм оток ВС либ о НС к н ез ависимым источникам питания.

П ер еклю чени е П Ч , п ит а ю щег о о б мо тк и дв ухск о р о стн о г о А Д, с о сн овн ого н а р езер в н ый ввод н е и мее т п р инци пи а льн ых от л и чи й о т анало ги чно г о про ц е сса в э л ект р о п ри вод а х п о си с т еме «ПЧ–АД» с о д н о с к о р о стн ы м э ле кт р о д в иг ат е лем. В р аб о т е [ 1 4 ] пре дс тавл ены ре зу л ьта ты э кс пе рим ентал ьны х иссл е дов ани й такого эл е ктро прив од а, в ы полненн ых на сп е ц иал ь н о соз да н ной л а б орат орной ус танов ке .

В качестве примера получен ны х ре зу л ьтатов на ри с. 3 пока з аны осци л л о гра м м ы на пря ж е н ий и токов п о в в ода м и вып рям л е н ног о тока ПЧ при пе рев од е п и та н и я с п ерв ог о на в торой в в од.

Коммутация осуществляется в момент времени t = 0,125 с. Процесс переключения длится менее полпериода питающего напряжения и осуществляется без бросков тока. Выпрямленное напряжение в процессе переключения снижается на 9,5 % от 538 до 487 В по закону, близкому к экспоненциальному. Его изменение обусловлено разными исходными значениями напряжений на первом и втором вводах. Из осциллограмм следует вывод, что на работу преобразователя частоты и двигателя указанное переключение электропитания влияния практически не оказывает. Следовательно, технологический режим работы ответственного механизма не будет нарушен.

В целом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили сохранение устойчивой работы разработанных ЧРП при изменениях напряжения в пределах ± 10 % либо отключении одного из вводов [14].

Энергосберегающий частотно-регулируемый электропривод на базе двухскоростного АД

Основным параметром водогрейного котла является его паропроизводительность, зависящая от нагрузки, которая изменяется как в течение суток, так и в течение года. В зависимости от сезонного графика она может изменяться от номинального значения до минимального, которое, как правило, равно половине либо 1/3 номинального. Пропорционально производительности котла изменяется производительность тягодутьевыми механизмами, система управления которыми является одной из составных частей автоматизированной системы управления агрегатом [7].

Рис. 3. Осциллограммы напряжений и токов при аварийном отключении ввода № 1

В нерегулируемых двухскоростных АД ТДМ, как правило, осуществляется сезонное переключение обмоток. В отопительный период двигатель работает на обмотке ВС, в летний период – на обмотке НС. Это позволяет добиться повышения КПД, а также способствует сохранению ресурса АД за счет чередования работы обмоток под нагрузкой.

Однако при переводе на частотное регулирование данное положительное свойство двухскоростных АД не используется. Как отмечалось, регулирование скорости во всем диапазоне осуществляется при работе АД на обмотке ВС. Вместе с тем, известно, что глубокое регулирование скорости снижает КПД как двигателя, так и преобразователя частоты, что приводит к снижению эквивалентного КПД всего механизма [11].

Представленная ситуация сложилась на пиковой котельной г. Магнитогорска, где дутьевые вентиляторы котлов КВГМ-100 (№ 3 и № 4) получают питание от преобразователей частоты SB-17 «Сбережок», выпускаемых НПО «Уралэлектра» (г. Екатеринбург) по лицензии фирмы Meidensha (Япония). Технические характеристики ДВ этих котлов представлены в табл. 1.

Очевидно, что в летний период, когда расход тепла небольшой, эксплуатировать двигатель на обмотке ВС (1000 об/мин) нерационально. В этот период целесообразно переключать ПЧ на обмотку НС (750 об/мин). Переключение можно осуществлять вручную по тепловому графику котла, например, при отключении городского отопления.

С этой целью, в направлении реализации рассмотренной выше концепции разработан способ частотного регулирования производительности тягодутьевых механизмов, отличием которого является переключение ПЧ с обмотки ВС на обмотку НС (и обратно) в зависимости от производительности котла. Разработан ЧРП, реализующий этот способ, его схема представлена на рис. 4 [15].

Блок задания количества подаваемого воздуха 10 задает производительность Q _зад дутьевого вентилятора 2, которая удовлетворяет оптимальному соотношению топливо – воздух. Переключение обмоток НС 6 и ВС 7 осуществляется коммутационным аппаратом 9 по сигналу с выхода блока управления 8, один из входов которого подключен к датчику производительности 11. Также предусмотрено прямое питание обмоток от сети 5, под-

Технические параметры дутьевых вентиляторов котлов КВГМ-100

Таблица 1

Наименование оборудования	Механизм			Электродвигатель
	Тип	Q , м3/ч	n , об/мин	Тип	Р , кВт	n , об/мин	U , В
Вентилятор котла № 3	ВДН 18 НУ	152 000	1000	ДАЗО 12-55-6/8	250/105	1000/750	380
Вентилятор котла № 4	ВДН 18 НУ	130 000	1000	ДАЗО 12-42-6/8	200/85	1000/750	380
Преобразователь частоты	ШУВ-2500-2: I н.вх =630 А; U вх =380 В; I н.вых =479 А; U вых =380 В. «Сбережок» SB17 С3300У: Р н = 300/330 кВт; I вых =428/479 А; P max прим. двиг =200/250 кВт

Рис. 4. Схема устройства управления двухскоростным АД: 1 – двухскоростной АД; 2 - дутьевой вентилятор; 3, 4, 9 – коммутационные аппараты; 5 – сеть; 6, 7 – выводы обмоток НС и ВС; 8 – блок управления; 10 – блок задания производительности ДВ; 11 – датчик производительности ДВ; 12 – преобразователь частоты; 13 – направляющий аппарат

Электромеханические системы ключение к которой осуществляется коммутационными аппаратами 3, 4.

На первом этапе переключение обмоток при питании от ПЧ рекомендовано осуществлять после остановки двигателя. Это связано со сложностью синхронизации поля статора и частоты вращения ротора после кратковременной потери питания, вызванной переключениями коммутационных аппаратов. В дальнейшем планируется реализация алгоритма принудительного гашения остаточного поля электродвигателя [3, 16], либо режима «са-моподхвата» («пуска на вращающийся двигатель») [17], который в преобразователях частоты «Сбе-режок» может быть обеспечен установкой дополнительных модулей. Это обеспечит возможность переключения обмоток по суточному графику без остановки механизма.

Методика расчета энергетической эффективности

Предполагается, что переключение двигателя дутьевого вентилятора с обмотки ВС на обмотку НС в сочетании с частотным регулированием скорости обеспечит дополнительный ресурс энергосбережения. Соответственно возникает задача оценки этого ресурса при различных способах регулирования производительности.

При расчете потерь мощности и соответственно ресурса энергосбережения за основу принята методика, представленная в [12]. Данная методика получила развитие в направлении применения для анализа эффективности рассматриваемого электропривода по системе «ПЧ – двухскоростной АД» с переключением обмоток. Принципиальным отличием усовершенствованной методики является учет ступенчатых изменений КПД АД и ПЧ при переходе с обмотки ВС на обмотку НС. При этом расчет усредненных показателей энергопотребления и коэффициента энергетической эффективности должен выполняться при работе на обмотках ВС и НС отдельно с учетом продолжительности работы на этих обмотках.

Основные этапы предложенной методики:

• 1.    Определяют изменения КПД двигателя, КПД преобразователя частоты и средние энергетические потери при условии равновероятной по времени работы АД на обмотке ВС во всем диапазоне регулирования производительности.

• 2.    Определяют изменения названных характеристик с учетом их ступенчатого изменения при переключении обмоток ВС и НС. При этом КПД турбомеханизма принимают постоянным, равным его значению при полностью открытой задвижке.

• 3.    Определяют средние энергетические потери при условии равновероятной по времени работы в каждом из диапазонов регулирования с учетом продолжительности работы на обмотках ВС и НС в течение года.

• 4.    Определяют коэффициенты энергоэффек-

• тивности, соотношение потерь и экономическую эффективность двух сравниваемых способов.

Практическое применение

Ниже приводится расчет энергетической эффективности рассматриваемого способа частотного регулирования производительности дутьевого вентилятора, выполненный по предложенной методике. Принимается, что переключение на обмотку НС при скорости 0,75 ω _н обеспечивает повышение КПД двигателя до номинального уровня (η АД(НС)ном = 0,89), который при питании от обмотки НС ниже, чем при работе на обмотке ВС (η_А Д( _ВС ) _ном = 0,91). Поэтому дать однозначную оценку влияния способа регулирования производительности на величину эквивалентного КПД затруднительно. Необходим анализ потерь мощности с учетом изменения КПД отдельных узлов (двигателя, преобразователя частоты, механизма вентилятора). С этой целью сравниваются два способа подключения двухскоростного АД дутьевого вентилятора ВДН-18 котла КВГМ-100 пиковой котельной [18]:

Способ 1 . Во всем диапазоне регулирования производительности 0,3 ≤ Q ^∗ ≤ 1,0 двигатель работает на обмотке ВС и получает питание от преобразователя частоты (известный способ без переключения обмоток).

Способ 2 . При производительности 0,75 ≤ Q ^∗ ≤ 1,0 двигатель получает питание от ПЧ, работая на обмотке ВС, а в диапазоне 0,3 ≤ Q ^∗ ≤ 0,75 преобразователь переключается на обмотку НС (предложенный способ частотного регулирования с переключением обмоток).

Энергосберегающее управление дутьевым вентилятором в рабочем диапазоне достигается при обеспечении максимального КПД, который определяется зависимостью

• η э кв = η вент η АД η ПЧ ,

где η _вент , η _ПЧ – коэффициенты полезного действия механизма вентилятора и преобразователя частоты.

В табл. 2 приведены значения относительной производительности Q ^∗ , расчетные значения относительной мощности Р _ч ^∗ _р и КПД звеньев ДВ при подключении двигателя по первому способу. Коэффициент полезного действия турбомеханизма η_ТМ (механизма вентилятора и магистрали) во всем диапазоне принимается равным номинальному значению η_ТМном = 0,82, так как трубопроводная арматура полностью открыта. Расчеты выполнены с учетом того, что КПД двухскоростного АД на обмотке ВС при регулировании скорости в диапазоне от ω _н до 0,3 ω _н снижается от номинального значения η АД(ВС)ном = 0,91 до η АД(ВС) = 0,73, т. е. примерно на 20 % [11]. Аналогично КПД

Таблица 2

Изменения КПД звеньев дутьевого вентилятора при регулировании производительности по первому способу (работа на обмотке ВС)

Параметр	Относительная величина								Средняя величина
Q*	0,3	0,5	0,6	0,7	0,75	0,8	0,9	1,0	0,69
Р ч ∗ р	0,07	0,13	0,22	0,34	0,42	0,51	0,73	1,0	0,415
η ТМ	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82
η АД(ВС)	0,73	0,815	0,847	0,875	0,884	0,892	0,9	0,91	0,874
η ПЧ	0,86	0,9	0,916	0,928	0,932	0,934	0,939	0,943	0,927
η экв1	0,515	0,601	0,636	0,666	0,676	0,683	0,695	0,703	0,64
Р* чр1	0,136	0,216	0,346	0,511	0,622	0,747	1,051	1,42	0,575

Таблица 3

Изменения КПД звеньев дутьевого вентилятора при регулировании производительности по второму способу (работа с переключением обмоток)

Параметр	Относительная величина								Средняя величина
Q*	0,3	0,5	0,6	0,7	0,75	0,8	0,9	1,0	0,69
Р ч ∗ р	0,07	0,13	0,22	0,34	0,42	0,51	0,73	1,0	0,415
η ТМ	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82
η АД(НС)	0,88	0,885	0,89	0,9	—	—	—	—	0,892
η АД(ВС)	—	—	—	—	0,88	0,892	0,9	0,91
η ПЧ	0,93	0,934	0,941	0,947	0,932	0,934	0,939	0,943	0,937
η экв2	0,672	0,678	0,687	0,699	0,672	0,682	0,692	0,704	0,69
Р* чр2	0,104	0,192	0,32	0,486	0,625	0,748	1,055	1,42	0,61

преобразователя частоты η _ПЧ изменяется от 0,94 до 0,86 (на 9 %).

Аналогичные значения КПД и потребляемой мощности при подключении двигателя по второму способу представлены в табл. 3. Расчеты показали, что к моменту переключения АД с обмотки ВС на обмотку НС при Q^* = 0,75 его КПД снизился до

0,97·(η_А Д( _ВС ) _ном = 0,88). После включения обмотки НС КПД двигателя становится равным номинальному значению на этой обмотке.

На рис. 5 построены зависимости изменения эквивалентного КПД дутьевого вентилятора Δη_экв%( Q^* ) и относительной мощности электродвигателя Δ Р ^*%( Q^* ) для диапазона производитель-

Электромеханические системы ности 0,3 ≤ Q^* ≤ 0,75 при частотном регулировании на обмотке низкой скорости. Среднее значение эквивалентного КПД ДВ для указанного режима повышается на 13,5 %. Среднее значение относительной потребляемой мощности снижается на 11,3 %.

Как следует из рис. 5, переключение ПЧ с высокоскоростной обмотки на низкоскоростную обеспечивает значительное увеличение эквивалентного КПД при низкой производительности дутьевого вентилятора. Применение такого способа будет наиболее эффективным в электроприводах тягодутьевых механизмов котлоагрегатов пиковых котельных. Это связано с тем, что, в силу характера нагрузки, большую часть времени такие агрегаты работают в диапазоне нагрузок около 0,5 номинальной и ниже. Соответственно электроприводы ТДМ работают в диапазоне низких скоростей, поэтому переключение на обмотку НС в сочетании с частотным регулированием производительности обосновано и целесообразно.

Заключение

Сравнение рассмотренных способов регулирования производительности (скорости АД) позволило сделать вывод о существенной разнице эквивалентных КПД ДВ, составляющей 6,7 % (η_экв1 = 0,64 для первого способа и η_экв2 = 0,69 – для второго). Разница величин средней потребляемой мощности составляет 5,8 % ( Р^* _ЧР1 = 0,575 и Р^* ЧР2 = 0,61). При номинальной мощности двигателя 250 кВт среднее снижение мощности составляет 14,5 кВт. Если принять, что двухскоростной АД находится в работе 7 тыс. ч в течение года, экономия электрической энергии составит около 100 тыс. кВт·ч/год. Очевидно, что реальная экономия будет ниже, так как здесь не учитываются остановки котла, которые происходят в основном в летний период.

Кроме того, поочередная работа двухскоростного АД на обмотках ВС и НС позволит продлить срок его эксплуатации, так как каждая обмотка находится в работе меньшее время. Следовательно, суммарный технико-экономический эффект при внедрении разработанных технических решений обеспечивается за счет ресурсосбережения и повышения надежности ответственных механизмов при улучшении показателей энергопотребления.

Общей функцией представленных устройств является переключение структуры частотно-регулируемого электропривода с целью обеспечения устойчивости к нарушениям электроснабжения и повышения его энергетической эффективности. Очевидно, что важными задачами являются анализ технических возможностей и оценка эффективности промышленного внедрения выполненных разработок. Исследования в этом направлении проводятся, получены положительные результаты, которые публикуются в периодических научных изда- ниях. Однако они не могут быть отражены и обсуждены в рамках одной представленной статьи.

Работа выполняется при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (госзадание № 2014/80).