Сравнительный анализ вариантов технического решения плавного пуска мощных асинхронных электродвигателей

 В нефтяной и газовой промышленности в приводах технологических агрегатов и различных вспомогательных механизмов широко применяются асинхронные электродвигатели.
       Стадия пуска асинхронного электродвигателя была и остается наиболее ответственным режимом работы электродвигателя, в немалой степени определяющим его ресурс и ресурс работы электропривода в целом. Это особенно актуально для приводов насосов с «вентиляторной» характеристикой, где кратность токов перегрузки достигает максимальных величин. Достижения в области плавного пуска асинхронных электродвигателей как частотным, так и фазовым методами столь впечатляющи, что необходимость плавного пуска не вызывает уже никакого сомнения у большинства потребителей. Преимущества плавного пуска, в сравнении с прямым, хорошо известны, напомним лишь основные: уменьшаются значения пусковых токов до 1, 5-3 кратного значения, снижается риск механического разрушения привода и вала двигателя (погружного), уменьшаются электромеханические усилия в обмотках электродвигателя, сводится к минимуму гидроудар в системе, пуск насоса на открытую задвижку практически не отличается от пуска на закрытую задвижку.
       Преимущества частотного метода плавного пуска в сравнении с фазовым очевидны и бесспорны: возможность разгона по любому алгоритму и возможность регулирования оборотов электродвигателя и, следовательно, технологического процесса, который этот электродвигатель обслуживает. Однако, вместе с массовым внедрением частотных электроприводов, потребитель начинает сталкиваться с негативными явлениями работы преобразователя: появлениям гармонических составляющих на стороне двигателя (в основном) и на стороне сети. Это связано с несовершенством или, чаще всего, с отсутствием вообще фильтрокомпенсирующих устройств из-за их высокой стоимости. К недостаткам преобразователей относятся: высокая стоимость самих преобразователей, сложность технического решения, большие потери от прямого падения напряжения на силовых элементах, необходимость выполнения рекомендаций производителей по снижению загрузки по мощности.
       Появление устройств плавного пуска на основе фазового метода регулирования и их совершенствование все чаще приводит потребителя к выбору такого устройства именно тогда, когда нет острой необходимости регулирования скорости вращения электропривода или есть возможность решить эту проблему количеством насосов и повторно-кратко временным режимом их работы.
       Преимущества устройств плавного пуска на основе фазового метода, в сравнении с частотными преобразователями, когда не нужно регулирование скорости, на наш взгляд, также очевидны: значительно меньшие стоимость и потери от прямого падения напряжения на силовых элементах, простота схемы и, как следствие, большая надежность, наличие гармонических составляющих только во время пуска (5-40 с). При этом качество плавного пуска при фазовом методе почти не отличается от частотного пуска.
       Мы предлагаем вашему вниманию один из вариантов технического решения устройства плавного пуска с фазовым методом регулирования напряжения, на основе которого выполнены все тиристорные выключатели-коммутаторы с плавным пуском разработки и производства Научно-производственного предприятия «Сатурн» на токи от 100 до 1000 А и напряжения 0, 4; 2, 4; 3, 1; 3, 6; 4, 5; 6, 0 кВ (последний в стадии разработки).
       Наш вариант технического решения и, следовательно, все наши изделия отличаются от других производителей, прежде всего, отсутствием контроллера плавного пуска, поскольку мы считаем, что задача плавного пуска довольно простая и может качественно решаться с помощью обычных микросхем и дискретных элементов. Функцию контроллера у нас выполняет модуль плавного пуска, который с помощью датчиков синхронизации и драйверов управления тиристорами задает определенный алгоритм изменения напряжения на входе двигателя, т.е. время плавного пуска и стартовое напряжение. Главными критериями качества плавного пуска, на наш взгляд, являются равенство токов по фазам и отсутствие двухфазного режима во всем диапазоне изменения напряжения при пуске.
       Система управления, построенная по такому принципу, позволила нам выполнить выключатели с плавным пуском не только на напряжение 0, 4 кВ, но и выше 1000 В с обеспечением необходимых развязок. В выключателях на напряжения 3, 6 и 4, 5 кВ используется последовательное соединение тиристоров, также как и в разрабатываемом выключателе на 6 кВ.
       Во всех устройствах отсутствует байпас (шунтирование контактором или вакуумным выключателем после пуска), хотя мы и не запрещаем его использование по желанию заказчика. Наши изделия рассчитаны на естественное охлаждение тиристоров и работу в продолжительном режиме при температуре окружающей среды от плюс 40°С до минус 45°С (отдельные изделия, по желанию заказчика, рассчитаны на работу до плюс 60°С). Такое выполнение не бесспорно, но мы успешно отстаиваем свою точку зрения.
       Недостатки такого исполнения: потери от прямого падения напряжения на силовых элементах — 0, 1% от коммутируемой мощности в высоковольтных изделиях и менее 0, 5% в классе 0, 4 кВ. Да и эти потери можно и нужно превращать в полезную энергию, поскольку большинство станций работают в условиях воздействия низких температур и имеют подогрев. При наличии автоматического регулирования температуры потери в коммутаторе можно использовать как полезное тепло для поддержания рабочей температуры в станции.
       Габариты и масса наших изделий соизмеримы или даже меньше, чем у аналогов, т.к. в их изделиях необходимо разместить контактор, соединители между ним и устройством плавного пуска, и обеспечить принудительную вентиляцию устройства плавного пуска, которая имеется почти у всех производителей на мощности выше 22 кВт.
       Преимущества наших изделий: в 4 – 5 раз большие перегрузочные характеристики, т.к. мы используем более мощные тиристоры, рассчитанные на продолжительную работу в режиме номинального тока, возможность плавного нарастания тока и набора оборотов двигателя с нулевого значения. Количество включений в час мы не ограничиваем, возможности наших аппаратов по перегрузке выше возможностей двигателей. Но главным преимуществом такого решения является обеспечение предельного быстродействия при отключении в аварийной ситуации. При использовании наших изделий в станциях с современными контроллерами защиты, мы можем обеспечить время отключения даже при коротком замыкании не более 30 мс (с учетом реакции контроллера не более 10 мс). При таком быстродействии риск повреждения оборудования от дуги минимален (как известно, серьезные разрушения начинаются при времени отключения более 100 мс). Процесс отключения носит естественный характер выключения тиристора в нуле синусоиды; при этом отсутствуют перенапряжения, возникающие при отключении контакторов и, особенно, вакуумных выключателей из-за невозможности обеспечить нулевое значение тока среза.
       Все наши коммутаторы имеют систему слежения за набором оборотов двигателя (без тахометра) с автоматическим отключением функции плавного пуска при достижении оборотов, близких к номинальному значению. Это позволяет нам избежать биений двигателя на завершающей стадии плавного пуска, причем независимо от нагрузки двигателя, т.е. система управления, обеспечивает синхронность с сетью во всем диапазоне нагрузок, начиная от холостого хода (только вал двигателя) до номинального значения. Это выполнить достаточно сложно, поскольку на холостом ходу cos двигателя близится к нулю, а при полной нагрузке близится к единице.
       Существенным отличием от аналогов является и наличие системы индикации состояния тиристоров, имеющееся в изделиях 0, 4-3, 1 кВ. Наличие такой системы снижает риск аварии при отключении аппарата со сгоревшим тиристором. В выключателях на высокое напряжение систему индикации выполнить можно, но с увеличением количества тиристоров увеличивается количество датчиков состояния тиристоров и, следовательно, количество связей и развязок. Значительно усложняется конструкция, а с увеличением риска перекрытия изоляции теряется смысл выполнения такой системы.
       Задание алгоритма плавного пуска производится с помощью вынесенных на лицевую панель аппарата программного переключателя времени плавного пуска и потенциометра установки стартового напряжения.
       В настоящее время разработчиками контроллеров защиты («Алнас электроника» и «Ижевский радиозавод»), с которыми наши изделия работают совместно в станциях управления КТППН, рассматривается вопрос о задании режимов плавного пуска от контроллера защиты с полным сохранением оригинальности технического решения.
       В коммутаторах, по желанию заказчиков, предусмотрена задержка повторного включения на 3+6 с и возможность переключения на режим прямого пуска.

Размещено компанией Тороид [23.01.2009]