Оценка колебательной составляющей переходного момента и выбор времени переключения на сеть при реакторном пуске высоковольтных асинхронных электроприводов

Актуальность проблемы и постановка задачи

Для нерегулируемых высоковольтных электроприводов значительной мощности характерно практическое отсутствие устройств плавного пуска, несмотря на то, что в мировой практике прямой пуск низковольтных двигателей мощностью свыше 100 кВт и высоковольтных двигателей мощностью свыше 800 кВт является признаком низкой технической культуры [1]. Для таких двигателей прямой пуск квалифицируется как аварийноопасный режим эксплуатации. Асинхронный двигатель (АД), как известно, при пуске и переключениях в статорной цепи развивает значительные по величине электромагнитные моменты колебательного характера. Возникающие механические напряжения в звеньях кинематической цепи снижают показатели надежности системы электропривода.

Оценочные критерии перегрузок могут быть получены из анализа осциллограмм электромагнитного момента АД, представленных в относительных единицах [2].

На рис. 1 в относительных единицах приведена расчетная осциллограмма, иллюстрирующая характер колебательной составляющей момента при прямомпуске инерционного электропривода, оснащенного высоковольтным АД с P н = 800 кВт, U н = 6 кВ, М н = 5100 Н·м.

Перегрузки по моменту при прямом пуске можно охарактеризовать кратностью размаха колебаний момента k₀ :

ko

Mmax Mmin

М н     ,

где Mmax и Mmin - максимальное и минимальное амплитудные значения колебаний электромагнитного момента.

Для ограничения динамических нагрузок при пуске и снижения значения параметра k0 используются различные способы облегчения пуска [3]. Стоимость высоковольтных устройств плавного пуска, построенных на основе полупроводниковых преобразователей, продолжает оставаться высокой, что препятствует их широкому применению. Поэтому для высоковольтных инерционных электроприводов продолжают оставаться актуальными сравнительно недорогие способы, связанные с использованием реакторных и автотрансформаторных пусковых устройств, позволяющих снизить величины экстремальных пусковых воздействий до безопасного уровня.

Реакторный пуск является традиционным и достаточно хорошо исследованным способом облегчения пуска высоковольтных АД. Методика выбора реактора для конкретных условий применения подробно описана в специальной литературе. В то же время недостаточно исследованным является вопрос о выборе времени переключения на сеть. Стандартной является рекомендация о переключении на сеть при достижении ротором двигателя скорости близкой к номинальному значению [4]. Однако в этом случае время пуска и соответственно тепловые потери возрастают. Поэтому для снижения тепловых потерь время переключения следует выбирать по возможности малым.

Как известно, реакторный пуск высоковольтных АД является двухступенчатым. Если двига-

Рис. 1. Расчетная осциллограмма электромагнитного момента при прямом пуске: к0 - кратность размаха электромагнитного момента

Рис. 2. Расчетная осциллограмма электромагнитного момента при реакторном пуске

тель пускают при нулевых начальных условиях, то характер переходных процессов на первой ступени пуска определяется только характеристиками двигателя и реактора [5]. Типичные расчетные осциллограммы переходного электромагнитного момента при реакторном пуске высоковольтного инерционного асинхронного электропривода представлены на рис. 2 [6].

На второй ступени начальные условия отличны от нулевых и характер переходных процессов в значительной степени будет определяться временем переключения на сеть tnep. Особенно сильное влияние значение tnep оказывает на электромагнитный момент двигателя.

По аналогии с прямым пуском влияние переходного момента можно оценить с помощью параметра (1) для каждой из пусковых ступеней (к_г и к₂ на рис. 2). Значение к_г при нулевых начальных условиях не зависит от момента коммутации на сеть и от времени переключения. Значение этого параметра однозначно определяется характеристиками реактора.

Величина к₂ зависит от момента переключения и может быть как больше, так и меньше к_г (рис. 3, а, б).

Задача правильного выбора момента переключения является особенно важной, поскольку он является единственным управляемым парамет-

а)

Рис. 3. Расчетные осциллограммы колебаний момента при различных значениях времени переключения: а – t пер =0,241 с; б – t пер =0,252 с

б)

Электромеханические системы

ром при реакторном пуске. При этом типичные промышленно выпускаемые устройства реакторного пуска обеспечивают возможность выбора tnep в широком диапазоне от 0,1 до 99 с.

Таким образом, при реакторном пуске актуальной является задача выбора времени переключения на сеть, при котором, с одной стороны, минимизируется значение параметра к2, а с другой стороны – тепловые потери в двигателе находятся в пределах допустимых значений.

Исследования

Для изучения характера изменения параметра к₂ была использована компьютерная модель системы электропривода «пусковой реактор – асинхронный электродвигатель – вентилятор», позволяющая исследовать пусковые процессы [7]. Исходными являются паспортные данные высоковольтного асинхронного двигателя и центробежного вентилятора с моментом инерции рабочего колеса J = 250 кг·м². Исследовался пуск с применением реактора, обеспечивающего двукратное снижение пускового тока и рассчитанного по условиям нагрева на кратковременную работу.

Расчет значений к₂ проводился от начального значения t_nep = 0,1 с с интервалом времени 1 мс. В результате был получен массив значений параметра к₂ от момента времени переключения для различных начальных условий переключения на сеть. Графики зависимости функции k₂(t_пер) представлены на рис. 4. Пунктиром показаны кратность размаха колебательной составляющей при прямом пуске к₀ и кратность размаха колебательной составляющей первой ступени реакторного пуска к_г.

В области малых значений t_nep параметр к₂ подвержен значительным колебаниям с периодом сетевого напряжения, что обусловлено различием в начальных условиях при переключении на сеть. При строго одновременной коммутации фаз колебания к₂ убывают по мере увеличения t_nep и прекращаются при некотором значении t близком к длительности колебательной составляющей момента первой ступени пуска. При t_nep >  t величина к₂ монотонно уменьшается.

Как уже отмечалось, для снижения тепловых потерь необходимо минимизировать время переключения. Однако из приведенных графиков видно, что выбор малых значений t^ нерационален, поскольку в этом случае параметр к₂ может достигать значительных величин и негативное влияние переходных процессов становится соизмеримым с условиями прямого пуска (см. рис. 3, а). Коммутация на сеть при минимальных значениях параметра к₂ вызывает затруднения с технической точки зрения, ввиду недостаточного быстродействия коммутационной аппаратуры. Таким образом, при выборе времени переключения следует рекомендовать соблюдение условия:

t' < t пер <  t" . (2)

Выбор нижней границы диапазона (2) является предпочтительным, поскольку обеспечивает минимальные тепловые потери при удовлетворительной степени снижении размаха ударного электромагнитного момента [6]. Необходимо учитывать факт, что в реальных условиях эксплуатации неодновременность коммутации фаз может оказывать значимое влияние на характер зависимости k₂(t_п ep ). На рис. 3, б показан пример такого влия-

а)

б)

Рис. 4. Зависимость кратности размаха колебательной составляющей электромагнитного момента от времени переключения: а – одновременная коммутация фаз; б – задержка коммутации одной фазы на 2 мс

Таблица

Способ пуска Мскз, Н-м кМо Прямой пуск (рис. 1) 4310 1,0 Реакторный пуск, tпеp = 2,2 с (рис. 2) 1420 0,33 Реакторный пуск, tпеp = 0,241 с (рис. 3, а) 3230 0,749 Реакторный пуск, tпеp = 0,252 с (рис. 3, б) 950 0,22 ния при задержке коммутации одной из фаз сетевого напряжения на второй ступени пуска. Выбор границ диапазона (2) в этом случае следует проводить по верхней огибающей зависимости k2(tnep).

Таким образом, кратность размаха ударного момента (1) является удобным для анализа пара- метром, позволяющим наглядно оценить степень негативного влияния колебательной составляющей при прямом и реакторном пуске. Однако в целом данный параметр недостаточно информативен, поскольку не учитывает количество бросков переходного электромагнитного момента и длительность колебательного процесса, которые могут достигать больших значений и являются важными факторами, определяющими негативное влияние пускового процесса на техническое состояние двигателя. Кроме этого указанный параметр не позволяет производить сравнительный анализ различных способов и режимов пуска.

Для более достоверной оценки влияния колебательной составляющей могут быть использованы критерии, предложенные в работах [2, 8]. Базисом для таких критериев является интегральный параметр – среднеквадратичное значение (СКЗ) колебательной составляющей электромагнитного момента за время пуска АД:

М_СК з = j -l- J_o^{t nyCK} (M(t)) ² dt, (3) где М (t) - зависимость колебательной составляющей момента от времени.

Параметр Мскз является интегральным и учитывает количество бросков переходного электромаг- нитного момента, а также длительность переходных процессов вне зависимости от способа пуска и выбранного режима управления пусковым устройством.

Для анализа реакторного пуска удобен относительный критерий – кратность СКЗ колебательной составляющей относительно СКЗ колебатель- ной составляющей при прямом пуске:

М скз

^кМ о

^М скз 0

где Мскз0 - СКЗ колебательной составляющей при прямом пуске.

Этот критерий показывает, какова доля СКЗ колебательной составляющей при выбранном способе пуска по отношению к СКЗ колебательной составляющей при прямом пуске. В таблице приведены значения критериев М_скз и к_Мо для прямого и реакторного пуска при различных значениях времени переключения.

Различия в численных значениях критериев достаточно отчетливы и хорошо соотносятся с субъективной визуальной оценкой расчетных осциллограмм. Расчет критериев (3) и (4) в широком диапазоне времени переключения позволяет построить графики, аналогичные приведенным на рис. 4, и графически осуществить выбор значения tпеp.

Важнейшим свойством критериев (3) и (4) является возможность сравнивать не только режимы, но и различные способы пуска: реакторный, автотрансформаторный, плавный пуск с помощью тиристорного регулятора напряжения (ТРН) или трансформаторно-тиристорного пускового устройства [9, 10]. Сравнение прямого, реакторного и плавного пуска с помощью ТРН проведено в работе [8], где показана высокая информативность и чувствительность интегральных критериев к изменениям условий пуска.

Выводы

• 1.    Для эффективного применения реакторного пуска мощных АД необходимо обеспечить условия переключений в статорной цепи, снижающие показатели колебательности электромагнитного момента в переходных режимах.

• 2.    Кратность размаха электромагнитного момента к является нагляднымпараметром, позволяющим осуществить обоснованный выбор времени переключения на сеть при реакторном пуске высоковольтных асинхронных двигателей.

• 3.    При выборе времени переключения на сеть следует руководствоваться условием t < t_пеp<  t " , обеспечивающим снижение негативного влияния колебательной составляющей электромагнитного момента двигателя при сохранении допустимых условий нагрева.

• 4.    Интегральные критерииМ_скз и к_Мо являются универсальным средством количественной оценки колебаний момента для различных способов и режимов пуска. Их использование применительно к реакторному пуску позволяет количественно оценить степень снижения негативного влияния переходных процессов по отношению к прямому пуску.