К вопросу плавного пуска высоковольтных электродвигателей

В системах водоснабжения, когда емкость потребления достигает значимых величин, применяются высоковольтные электродвигатели большой мощности. Энергия потребляется электроприводами центробежных насосов тратится не только на подъем воды, но и на потери в механизме и в погружном электродвигателе. Если учесть, что до 85% стоимости эксплуатации любая система жизнеобеспечения - это стоимость электроэнергии, это становится понятно, почему при выборе скважинного насоса в процесс проектирования электрооборудования скважин, больше внимания уделяется энергопотреблению [1].

Значения токов, потребляемые в момент подключения к питающей электрической сети электродвигателями возрастают многократно и могут достигать величин от 7 и более номинальных. Такое обстоятельство связано существованием и такой проблемы, как возникновение в питающей сети глубокой посадки напряжения, которая как следствие приводит к усложнению, а порой даже делает невозможным пуск и работу электродвигателей при условии питания их от дизельных, газотурбинных и прочих электростанций малой или ограниченной мощности [2].

Зная проблемы пуска электродвигателей, непосредственно на производственных объектах применяются различные способы подключения высоковольтных электродвигателей:

• -    частотный пуск;

• -    асинхронный пуск;

• -    использование систем плавного (мягкого) пуска.

Наиболее оптимальным способом, вызывающий особый интерес, обеспечивающий плавный пуск электродвигателя с подключенной обмоткой возбуждения, позволяющая минимизировать броски токов, является частотный пуск. Но в техническом исполнении данный способ имеет существенный недостаток, связанный высокой дороговизной преобразователей частоты, а в системах высоковольтных потребителей стоимостные критерии увеличиваются многократно.

Из существующих способов, приведенных выше, самым привлекательным является применение систем плавного (мягкого) пуска. Отличительными свойствами такого пуска заключаются в следующем:

• -    надежность работы объекта исследования повышается за счет исключения механических, электромагнитных, а также гидравлических ударных нагрузок, которые имеют место быть в прямом пуске включения в сеть;

• -    нарастание пускового тока происходит плавно с заданным ограничением;

• -    количество пусков и останова электродвигателей неограниченно растет, так как не создаются предпосылки для скачка

тока или падения напряжения в питающей сети;

• -    осуществляется возможность гарантированного подключения высоковольтных электродвигателей к дизельным, газотурбинным или иным электрическим станциям, ограниченной мощности;

• -    срок службы и межремонтные промежутки объекта исследования значительно возрастают.

Устройство плавного пуска главным образом предназначено для управления процессом запуска, работы и остановки электродвигателей:

• -    плавный разгон;

• -    плавная остановка;

• -    сдерживание в допустимых пределах нарастающего пускового тока;

• -    контролирование крутящего момента электродвигателя, сопоставляя его с моментом нагрузки.

Функциональная задача, которую выполняет устройство плавного пуска заключается в том, что напряжение, подаваемое через нее от питающей сети на нагрузку, ограничивается при помощи специального коммутационного устройства - симисторов (или встречнопараллельно включенных тиристоров), принципиальная схема которой показана на рисунке 1, позволяющая регулировать напряжение на зажимах электродвигателя, работающего в различных режимах - под нагрузкой, при остановке и при пуске.

П ит а ю щ ая се ть

Рис. 1. Принципиальная схема устройства плавного пуска

Кинетическая энергия работающего на номинальной скорости механизма - это преобразованная электрическая энергия источника питания и этот процесс называется пуском. Наиболее наглядно этот процесс описывается законом Ома, когда сопротивление двигателя R в начальный момент, когда разгоняется возрастает от очень маленького при остановленном состоянии и изменяется до достаточно большого значения, когда двигатель достигает номинальных значений скорости, поэтому ток в момент запуска меняется:

/ = u/R, (1)

Ток может принимать очень большие значения, а передача энергии происходить стремительно:

Е = Р •t = I •U •t, (2)

Устройство плавного пуска, при его задействовании, разделяет выше указанное: формулу (1) на входе в нее; формулу (2) на выходе из нее. Однако следует помнить, что ток в обеих случаях желательно оставаться неизменным. Роль устройства плав- ного пуска заключается в плавном поддержании параметра напряжения на зажимах электродвигателя в тех пределах, когда идет процесс разгона, при котором начинает увеличиваться и сопротивление, тем самым сдерживая повышение потребляемого тока. Данное явление также не противоречит закономерностям приведенной формулы (2), когда при постоянстве затраченной необходимой энергии Е, а также напряжения сети U, время пуска t электрической машины чем больше, тем меньше будет потребляемый от источника электрической энергии ток I.

Следует отметить, что в выше приведенном анализе не учитывалась нагрузка, когда в момент разгона требуется дополнительный момент, что в свою очередь свидетельствующая о необходимости дополнительного тока. Такое обстоятельство показывает, что уменьшать ток слишком нельзя. В случае, когда нагрузка значительная, момент на валу электродвигателя может оказаться недостаточным даже при условии прямого пуска, следовательно, о пуске при пониженном напряжении и речи не может быть - такой вариант считается тяжелым пуском. И в другом случае, когда при уменьшение тока момент может быть достаточным для разгона электродвигателя, однако в формуле (2) время увеличивается, это приведет к срабатыванию автомата, настройка которого контролирует время протекания тока, существенно превышающего номинальное значение.

Непосредственной задачей, которую выполняет устройство плавного пуска -это контроль тока. В подлинности данное устройство способно регулировать напряжение таким образом, что ток контролируется в заданном диапазоне.

Из анализа технической литературы и научных публикации следует, что электромагнитные условия пуска асинхронных электродвигателей векторно-импульсным способом эффективен только на начальном этапе. Далее в результате уменьшения экстремума свободных составляющих момента, среднее значение момента уменьшается ощутимо по сравнению с прямым пуском. В этой связи на этом этапе управление питающей системы должно обеспе- чить в автоматическом режиме переход на прямой пуск, при условии, что питающая сеть в состоянии обеспечить потребляемую на тот момент мощность. Если сеть не в состоянии обеспечить требуемый переходный процесс, то необходимо осуществить пуск с регулируемым напряжением на статоре, в случае ограничения тока. Любые задачи управления удобнее решать, применяя построения положения векторов потокосцеплений статора и ротора, в виду того, что и векторноимпульсный алгоритм и переход на прямой пуск зависят от угла между этими векторами. Учитывая приведенные особенности пуска, определение положений векторов потокосцеплений не вызывает сложности, однако необходимо для этого измерение таких величин как - начальной фазы напряжения питающей сети, имеется в виду момент перехода фазы «А» через ноль, мгновенных значений 3-х фазных напряжений, а также мгновенных значений 2-х фазных токов [3]. Наряду с этим следует найти из справочной литературы активное сопротивление фазной обмотки статора или измерить его непосредственно на самом электродвигателе.

Принимая во внимание приведенные технические условия, работа заключается в поиске и анализе имеющихся систем управления комбинированным пуском, ее функциональной схемы, а также ее отдельных блоков.

Последовательность упрощенной системы управления описывается следующим образом: после поступления сигнала «ПУСК» система дожидается момента перехода фазы «А» через нулевую отметку синусоидальной характеристики, чтобы синхронизироваться с питающей сетью, затем к зажимам сети подключается статор асинхронного двигателя через управляемый трехфазный коммутационный аппарат. В этот момент создается положительный электромагнитный момент и двигатель начинает разгоняться. Для того чтобы не возникли отрицательные амплитуды электромагнитного момента определяются положение векторов потокосцепления статора и ротора по измеренным значениям фазных напряжений и токов. Статор от- ключается от сети в момент, когда угол между векторами потокосцеплений Аф12 достигнет значения больше 180о. Далее система управления выдерживает паузу до момента, когда произойдет снова их совпадения и подключит обмотки статора двигателя к питающей сети, но это про- изойдет после того, как вектор потокосцепления статора совершит оборот вокруг потокосцепления ротора.

Сформулированный выше принцип работы упрощенной функциональной схемы система управления выглядит так, как показано на рисунке 2.

Рис. 2. Схема функциональная «Система управления комбинированным пуском асинхронного электродвигателя»

Обощая работу функциональной схемы системы управления асинхронным электродвигателем, можно резюмировать, что процесс повторяется циклически. Это дает возможность электромагнитному моменту двигателя формироваться из положительных амплитуд свободной составляющей момента. Помимо этого, если угол Аф12 находится в диапазоне от 0 до 1800, то статор электродвигателя остается подключенным к питающей сети и при таких условиях переход к прямому пуску осуществляется в автоматическом режиме.