Автор: М.И. Альтшуллер, зав. отделом электропривода, к.т.н.
Успехи силовой электроники и доступность полупроводниковой техники мировых производителей, таких как АВВ Semiconductors, EUPEC, MITSUBISHI и др. на отечественном рынке, создали возможность создания мощных устройств плавного пуска. В 2006 году в НПП «ЭКРА» был создан отдел электропривода.
В настоящее время НПП «ЭКРА» разрабатывает и выпускает серию устройств ШПТУ плавного пуска двигателей механизмов с вентиляторной механической характеристикой и синхронных двигателей механизмов с большим статическим моментом. При разработке пусковых устройств типа ШПТУ максимальное внимание уделяется надежности, комфортности и безопасности обслуживания, а также вопросам качества, информированности и мониторинга обслуживающего персонала о состоянии устройства и приводного механизма, возможности интеграции в АСУ ТП, легкой адаптации и настройки под необходимые техпроцессы. Для обеспечения надежной работы системы плавного пуска СПП, энергетического оборудования, двигателей и запускаемых механизмов сотрудники НПП «ЭКРА» совместно с заказчиком должны провести большой объем работ при выборе пускового устройства. Можно выделить ряд моментов.
Необходимо провести анализ существующей силовой схемы питания двигателей. Особое значение имеют данные об ударном токе короткого замыкания на шинах питания. Обычно выполняется условие JКЗ<JTSM, где, JКЗ – амплитуда ударного тока короткого замыкания на шинах питания, JTSM – ударный неповторяющийся ток тиристоров в открытом состоянии в течение 10 мкс. При JКЗ>JTSM необходимо выбирать тиристоры по току короткого замыкания, или подключение устройства плавного пуска к сети выполнять через реактор.
Знание пусковой характеристики механизма (с учетом трения покоя) дает изготовителю возможность настроить пусковой режим ШПТУ таким образом, чтобы изменение момента нагрузки соответствовало изменению динамического момента двигателя с заданным током, определить необходимость задания начального «толчка» момента для создания «масляного клина». Для оптимального пуска механизма большое значение имеет правильный выбор двигателя. Желательно, чтобы пусковой момент был несколько выше номинального момента двигателя. У асинхронных двигателей он ниже или равен номинальному, а у синхронных двигателей средний момент в процессе пуска почти в 2 раза выше номинального (см. таблицу 1). Это дает возможность при плавном пуске значительно снизить кратность пускового тока.
Таблица 1 - Пусковые характеристики мощных синхронных и асинхронных двигателей напряжением 6 кВ
Мощность, кВт
Тип
Кратность пускового вращающего момента
Кратность пускового тока
1600
4А3МВ-1600
0,79
6,5
2500
4А3МВ-2500
0,85
6,0
5000
4А3МВ-5000
0,8
7,0
1600
СТД-1600-2Р
2,16
6,79
2500
СТД-2500-2Р
1,75
6,16
5000
СТД-5000-2Р
2,07
7,22
Переходные процессы при прямом включении асинхронных или синхронных двигателей в питающую сеть характеризуются наличием в машинах значительного намагничивающего тока, котором нельзя пренебречь, т.к. он соизмерим с рабочим током в обмотках.
Токи статора i1 и ротора i2 можно рассматривать как сумму установившихся и свободных составляющих [1]:
i1= i1y+ i1св, i2= i2y+ i2св
В первые моменты пуска в ход асинхронного двигателя в обмотках статора будут проходить три составляющие тока: периодический ток i1y и апериодические токи –(i0/2)e-at и - (i1y – i0/2 )e-a2t.
В обмотках ротора также возникают три составляющих тока: периодический ток i2y и апериодические токи –(i0/2)e-at и + (i1y + i0/2 )e-a2t.
Электромагнитное взаимодействие этих токов создает результирующий вращающий момент двигателя в начальный период пуска. Кроме того, возникают переходные вращающие моменты, обусловленные свободными токами в обмотках статора и ротора: при вращении ротора с замкнутой обмоткой в поле, созданном свободным током i1св статора, создается тормозной момент; от взаимодействия тока i2у с полем, созданным током i1св, возникает пульсирующий знакопеременный момент. После затухания свободных токов в двигателе действует только статический вращающий момент.
Для двигателей, механизмов и соединительных муфт особую опасность представляют начальные ударные пусковые, достигающие 4-х кратного номинального момента, и знакопеременные моменты, которые действуют по принципу знакопеременного вибратора. Поэтому эксплуатационный персонал всегда стремится ограничить число прямых пусков мощных двигателей.
При пуске двигателя через реактор неприятные явления, возникающие в начальный период пуска, сохраняются, но несколько ограничивается величина моментов.
Устройство плавного пуска с цифровой системой управления (например, ШПТУ) позволяет ограничить величину плавно нарастающего пускового тока без свободной составляющей и исключить ударные и знакопеременные моменты.
Основные параметры ШПТУ
Номинальное напряжение – 3, 6, 10 кВ
Номинальный ток главных цепей – от 120 до 1100 А
Мощность запускаемых двигателей – до 17 МВт
ШПТУ, по сравнению с классическими преобразователями частоты при использовании их в качестве пусковых устройств, характеризуются низкой стоимостью и малыми габаритами, что важно при реконструкции действующих предприятий. Это обеспечивает минимальные сроки окупаемости при внедрении. Система управления ШПТУ выполнена на базе цифровых сигнальных процессоров и позволяет обеспечить реализацию различных алгоритмов управления, организацию функции регистрации действующих и мгновенных значений параметров пуска, хранение аварийных и штатных событий. Система управления обеспечивает связь с драйверами управления и контроля силовых тиристоров, со схемами синхронизации и датчиками силового напряжения через оптоволоконные развязки. Большие производительные возможности и быстродействующие периферийные блоки системы управления позволяют гибко перенастраиваться на другие эффективные алгоритмы плавного пуска с учётом особенностей приводного механизма и питающей энергосистемы. Надежность пускового устройства существенно повышается за счёт специальной схемы управления формированием импульсов и контроля силовых тиристоров до и после пуска двигателя.
Система содержит встроенный пульт управления.
Реализуется широкий набор защит и сигнализаций.
Надёжность системы управления обеспечивается отработанной схемотехникой и применением высококачественной комплектации.
Конструкция ШПТУ
В ШПТУ устанавливаются:
- тиристорные модули выкатного исполнения отдельно на каждую фазу сети;
- терминал микропроцессорной системы управления в кассетном исполнении;
- панель управления и индикации (встроенный пульт управления);
- релейная, коммутационная аппаратура, блоки питания цепей управления, клеммники внешних и внутренних подключений;
- шины главных силовых цепей с ограничителями перенапряжений, датчиком дуговой защиты и выводами для подключения внешних входов и выходов.
Модули располагаются в отдельных высоковольтных отсеках ШПТУ и подключается к шинам устройства с помощью самоцентрирующихся силовых контактов. Модуль имеет два фиксированных положения - рабочее и контрольное. В первом розетки соединителей модуля входят в контакт с токоведущими штырями соединителей силовой цепи шинного отсека, в контрольном положении обеспечивается отключение модуля от силовой цепи, при этом токоведущие штыри закрываются подвижной изолирующей шторкой.
Конструктивные решения обеспечивают максимальную защиту обслуживающего персонала от несанкционированного доступа к токоведущим частям работающего устройства.
Пусковое устройство ШПТУ-ВИ
Устройство предназначено для плавного частотного пуска синхронных двигателей технологического оборудования, характеризующегося тяжелыми условиями пуска (с большими моментами трогания, статическим и/или инерции).
Устройства выполнены по схеме со звеном постоянного тока и зависимым инвертором тока, ведомых по напряжению двигателя. Функциональная схема устройства дана на рисунке 1.
В, И- тиристорные выпрямитель и инвертор, ТР, СР1, СР2, токоограничивающий и сглаживающие реакторы, ШВ - шунтирующий выключатель, МСУ - микропроцессорная система управления
Рисунок 1 - Функциональная схема ШПТУ-ВИ
В шкафу выпрямителя ШПТУ-В установлена микропроцессорная система управления устройства.
Алгоритм управления ШПТУ-ВИ обеспечивает:
- определение исходного положения ротора двигателя, с целью гарантированного пуска в заданном направления вращения;
- плавный запуск двигателя до синхронной скорости вращения с пусковыми токами на уровне номинальных значений;
- синхронизацию двигателя с питающей сетью и безударное подключение его к питающей сети.
Устройство позволяет осуществлять рекуперативное торможение двигателя и кратковременно (до 5…10 мин) работать в диапазоне частот 3…50 Гц (по требованию заказчика).
Составляющие части системы плавного пуска проходят комплексную программу испытаний и наладки на оборудовании НПП «ЭКРА». Машинный агрегат напряжением 6 кВ позволяет производить настройку устройства ШПТУ при запуске асинхронного или синхронного двигателя и создавать момент нагрузки на валу при помощи машины постоянного тока.
Устройства серии ШПТУ сертифицированы, защищены патентом и аккредитованы в «АК «Транснефть».
НПП «ЭКРА» предлагает автоматизированную систему поочередного плавного пуска нескольких двигателей на базе ШПТУ.
Система включает:
• шкафы пусковые:
- тиристорного устройства типа ШПТУ (преобразователь с фазовым управлением) или ШПТУ-ВИ (преобразователь частоты со звеном постоянного тока и зависимым инвертором тока)
- контроллера управления типа ШПКУ (для пуска трех и более двигателей)
- коммутационной аппаратуры типа ШПКА с вакуумными выключателями или контакторами;
• реакторы токоограничивающий и сглаживающие (для ШПТУ-ВИ);
• автоматизированное рабочее место АРМ-энергетика (оператора) или пульт управления.
Дополнительно в состав СПП могут входить стандартные ячейки типа КРУ, КСО и др.
Автоматизированная система мониторинга и управления СПП (АСМиУ) построена по иерархическому принципу:
- верхний уровень: АРМ-энергетика;
- нижний уровень: терминалы ШПТУ и программируемые контроллеры ШПКУ;
- стандартные полевые (промышленные) и компьютерные сети для коммуникации устройств: Ethernet, RS485, RS232 и USB.
Основные функции АСМиУ:
- сбор информации с терминалов ШПТУ и контроллера ШПКУ;
- контроль состояния основных элементов СПП;
- организация журнала регистрации событий, тревог и действий оператора, ведение базы данных по СПП;
- просмотр в графическом виде и изменение пусковых уставок двигателей;
- просмотр и изменение параметров конфигурации СПП;
- предупредительная и аварийная сигнализация по СПП;
- организация исторических трендов пусковых токов и линейных напряжений;
- управление пуском двигателей;
- построение графиков, отчетов.
СПП может устанавливаться в распределительном устройстве РУ и в специализированном блок-боксе. НПП «ЭКРА» выполняет технический проект привязки СПП к АСУ ТП предприятия и к силовому оборудованию РУ.
В проектах НПП «ЭКРА» реализованы схемы с различными вариантами количества пусковых устройств, двигателей, секций шин питания. В частности по схеме, изображённой на рисунке 2, выполнены проекты для ООО “РН-Юганскнефтегаз”, Муравленковского ГПЗ ОАО “СибурТюменьГаз”, ОАО “Вольскцемент”. Среди названных можно выделить проект для Муравленковского ГПЗ, как самый энергоёмкий из действующих систем – система осуществляет пуск 5-ти двигателей СТДП-12500 кВт 10 кВ от 5-ти секций питающих шин.
Рисунок 2 - Схема питания СПП от двух секций
Рисунок 3 - Схема СПП с двумя пусковыми устройствами
К питающей сети устройство А6 подключается через выключатель - сетевую ячейку А3/А7. Система основана на использовании двух цепей питания двигателя: пусковой - во время разгона (например, А3-А6-А4-М) и штатной - во время установившегося режима (А1-М).
Следующий вариант схемы (см. рисунок 3) связан с изменением количества пусковых устройств. Их количество принципиально ничем не ограничено. Критериями выбора являются сложность реализации главных цепей и оправданная необходимость.
В зависимости от требований заказчика в шкафах А5, А6 применяются выключатели, либо ручные разъединители. Элементы А5, А6 позволяют выполнять секционирование пусковых цепей, и тем самым обеспечивается резервирование пусковых устройств, т.е. все двигатели смогут запускаться от одного устройства. Как вариант, пусковые устройства соединяются «глухо» (на рисунке обозначено пунктиром).
Наши заказчики
- нефтегазовая промышленность: нефтедобыча (КНС, ДНС), транспортировка нефти (МНС);
- цементные заводы (мельницы, дробилки);
- ЦБК (бумагоделательные машины);
- промышленные предприятия (компрессоры и др.).
В течение 2007–2008гг. поставлены заказчикам и включены в эксплуатацию 25 устройств ШПТУ 73-х двигателей напряжением 6, 10 кВ различных механизмов мощностью от 0,8 до 12,5 МВт – шаровые мельницы, насосные и компрессорные агрегаты.
Литература
1 Г.Н. Петров «Электрические машины» ч.2, М. Госэнергетическое изд-во, 1963г.
2 ТУ 3410-021-20572135-2006 «Шкафы пусковые системы плавного пуска высоковольтных электродвигателей»
