Устройство управления согласующим трансформатором в системе возбуждения синхронного электродвигателя

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в системах возбуждения синхронных электродвигателей серии СТД, обеспечивающих работу магистральных насосных агрегатов нефтеперекачивающих станций.
В качестве устройства для возбуждения синхронных электродвигателей серии СТД используются регуляторы типа ЦРВД-ТМ (цифровой регулятор возбуждения электродвигателя с щеточной системой). Регуляторы ЦРВД-ТМ предназначены для управления током возбуждения при пуске, остановке, синхронной работе и аварийных режимах синхронных электродвигателей мощностью от 160 до 12500 кВт, рассчитанных на питание напряжением 6÷10 кВ (http://www.equipnet.ru/equip/equip_11708.htmll).
Питание силовой части ЦРВД-ТМ осуществляется от трехфазного напряжения с частотой 50 Гц через согласующий трансформатор (Цифровой регулятор возбуждения синхронного двигателя. Аникрон-ТМ02 (ЦРВД-ТМ серии 02.04). Руководство по эксплуатации, изд. ООО НПО «Цифровые регуляторы», Новосибирск, 2007, с. 4).
Существующая принципиальная схема системы возбуждения синхронного электродвигателя серии СТД на основе регулятора ЦРВД-ТМ, применяемая на линейных производственно-диспетчерских станциях и нефтеперекачивающих станциях, включает следующие основные элементы (фиг. 1): высоковольтный трансформатор, неуправляемый автоматический выключатель, согласующий трансформатор и цифровой регулятор возбуждения 4. Кроме основных элементов в системе возбуждения имеется первый и второй вакуумные выключатели, обеспечивающие коммутацию соответственно высоковольтного трансформатора и синхронного электродвигателя. Шина напряжением 6(10) кВ обеспечивает питанием синхронный электродвигатель, а шина 10 напряжением 0,22 кВ постоянного тока обеспечивает независимое питание электронной части цифрового регулятора возбуждения.
Высоковольтный трансформатор обеспечивает трансформацию напряжения 6(10) кВ на 0,4 кВ для питания согласующего трансформатора и вспомогательных систем (на фиг. 1 не показаны), обеспечивающих работу нефтеперекачивающих станций, и поэтому первый вакуумный выключатель постоянно находится во включенном состоянии.
В настоящее время транспортировка нефти и нефтепродуктов осуществляется технологическими режимами перекачки, в котором на каждой нефтеперекачивающей станции работает один, два или три магистральных насосных агрегата, а остальные находятся в «горячем» (режим АВР) и «холодном» резерве.
При неработающих или находящихся в режиме АВР магистральных насосных агрегатах нерационально расходуется электроэнергия, направленная на бесполезную работу согласующего трансформатора, который остается во включенном состоянии, так как он подключен к цифровому регулятору возбуждения, находящемуся в состоянии ожидания пуска синхронного электродвигателя.
Только на линейных производственно-диспетчерских и нефтеперекачивающих станциях АО «Транснефть-Урал» эксплуатируется свыше 100 систем возбуждения синхронных электродвигателей на основе регуляторов ЦРВД-ТМ. Большая часть данных систем имеет в своем составе согласующий трансформатор ТСЗ-160, потребляющий значительное количество электрической энергии (0,9 кВт) во время работы на холостом ходу.
Технической проблемой, решаемой предлагаемой полезной модели, является обеспечение энергосбережения в системе возбуждения синхронных электродвигателях серии СТД магистральных насосных агрегатов нефтеперекачивающей станции
Технический результат - исключение потерь холостого хода согласующего трансформатора при неработающем магистральном насосном агрегате, находящемся в «горячем» и «холодном» резерве нефтеперекачивающей станции.
Проблема решается, а технический результат достигается за счет устройства управления согласующим трансформатором в системе возбуждения синхронного электродвигателя, включающей первый и второй вакуумные выключатели, согласующий трансформатор и цифровой регулятор возбуждения с блоком регулятора, состоящего из управляемого автоматического выключателя и встроенного в цифровой регулятор возбуждения блока управления автоматическим выключателем, выход которого соединен с электромагнитом управляемого автоматического выключателя, а вход соединен со вторым выходом блока регулятора, при этом второй вакуумный выключатель своим сухим контактом соединен с первым входом блока регулятора.
Другими особенностями настоящей полезной модели является то, что:
управляемым автоматическим выключателем является автоматический трехполюсный выключатель АВ переменного тока 0,4 кВ - модульного типа с время-токовой характеристикой D;
блок управления автоматическим выключателем выполнен в виде микропроцессорной платы.
Полезная модель поясняется фигурами 1, 2 и 3, где на фиг. 1 показана существующая принципиальная схема системы возбуждения синхронного электродвигателя серии СТД на основе цифрового регулятора возбуждения, на фиг. 2 дана принципиальная схема системы возбуждения синхронного электродвигателя серии СТД на основе цифрового регулятора возбуждения с устройством управления согласующим трансформатором, на фиг. 3 показана принципиальная схема системы возбуждения синхронного электродвигателя серии СТД на основе цифрового регулятора возбуждения с устройством управления согласующим трансформатором с развернутой блок-схемой цифрового регулятора возбуждения с встроенным блоком управления автоматическим выключателем. На фигурах обозначено:
1 - высоковольтный трансформатор;
2 - неуправляемый автоматический выключатель;
3. - согласующий трансформатор;
4 - цифровой регулятор возбуждения;
5 - синхронный электродвигатель;
6 - магистральный насосный агрегат;
7 - шина напряжением 6(10) кВ;
8 - первый вакуумный выключатель;
9 - второй вакуумный выключатель;
10 - шина напряжением 0,22 кВ;
11 - управляемый автоматический выключатель;
12 - блок-схема цифрового регулятора возбуждения с встроенным блоком управления автоматическим выключателем;
13 - блок питания;
14 - блок регулятора;
15 -блок пуска;
16 - блок тиристоров;
17 - блок цифровых датчиков;
18 - блок управления автоматическим выключателем;
19 - первый выход блока регулятора;
20 - второй выход блока регулятора;
21 - первый вход блока регулятора;
22 - второй вход блока регулятора;
23 - третий вход блока регулятора.
Существующая система возбуждения синхронного электродвигателя серии СТД на основе регулятора ЦРВД-ТМ (фиг. 1) содержит высоковольтный трансформатор 1, в качестве которого используется трансформатор КТП 2×400(630) кВА, неуправляемый автоматический выключатель 2 на напряжение 0,4 кВ, контакты которого нормально находятся во включенном положении и постоянно питают обмотки согласующего трансформатора 3. Согласующий трансформатор 3 типа ТСЗ мощностью 63-200 кВА обеспечивает работу цифрового регулятора возбуждения 4. Через согласующий трансформатор 3 запитан блок питания (на фиг. 1 не показан) цифрового регулятора возбуждения 4. При остановке магистрального насосного агрегата 6 или его нахождении в режиме «холодного» или «горячего» резерва, согласующий трансформатор 3 остается во включенном состоянии, тем самым потребляет электроэнергию на холостом ходу. Первый вакуумный выключатель 8 обеспечивает коммутацию высоковольтного трансформатора 1, постоянно соединяя его с шиной напряжением 6(10) кВ, а второй вакуумный выключатель 9 осуществляет коммутацию синхронного электродвигателя 5 для включения (режим работы) и выключения (режим резерва) магистрального насосного агрегата 6. Вакуумные выключатели 8, 9 входят в состав закрытых распределительных устройств и управляются оператором нефтеперекачивающей станции через микропроцессорную систему автоматизации (МПСА) (на фиг. 1, 2, 3 не показана), обеспечивающую программы запуска и остановки насосного агрегата 6.
Для обеспечения энергосбережения путем исключение потерь холостого хода согласующего трансформатора 3 при нахождении магистрального насосного агрегата 6 нефтеперекачивающей станции в «горячем» и «холодном» резерве, в схему системы возбуждения синхронного электродвигателя (фиг. 2, 3) предложено устройство управления согласующим трансформатором, состоящее из блока управления автоматическим выключателем 18 и управляемого автоматического выключателя 11. Управляемый автоматический выключатель 11 устанавливается вместо неуправляемого автоматического выключателя 2.
В качестве управляемого автоматического выключателя применен автоматический трехполюсный выключатель АВ переменного тока 0,4 кВ модульного типа с времятоковой характеристикой D (выключатель класса D). Блок управления автоматическим выключателем 18 реализован с помощью микропроцессорной платы ЦРТ 06.230.01 (производство ООО «Цифровые регуляторы»).
В момент остановки магистрального насосного агрегата 6 или нахождения его в режиме «Резерв» согласующий трансформатор 3 отключается от высоковольтного трансформатора 1 с помощью управляемого автоматического выключателя 11, что исключает потери электроэнергии в системе возбуждения синхронного электродвигателя 5.
Блок управления автоматическим выключателем 18 встраивается в электрическую схему цифрового регулятора возбуждения 4. Принципиальная схема системы возбуждения синхронного электродвигателя серии СТД на основе цифрового регулятора возбуждения с устройством управления согласующим трансформатором показана на фиг. 3, где пунктиром обозначена развернутая блок-схема 12 цифрового регулятора возбуждения с встроенным блоком управления автоматическим выключателем 18.
В блок-схеме 12 цифрового регулятора возбуждения с встроенным блоком автоматического выключателя первый выход 19 блока регулятора 14 соединен с блоком пуска 15 электродвигателя и блоком тиристоров 16, а второй выход 20 блока регулятора 14 соединен с входом блока управления автоматическим выключателем 18, выход которого соединен с электромагнитом управляемого автоматического выключателя 11.
Второй вакуумный выключатель 9 своим сухим контактом соединен с первым входом 21 блока регулятора 14, на второй вход 22 которого поступают сигналы от блока цифровых датчиков 17, а на третий вход 23 -напряжение от блока питания 13. При этом соединение второго вакуумного выключателя 9 с первым входом 21 блока регулятора 14 реализуется через сухой контакт второго вакуумного выключателя по токовой петле 4-20 мА.
Основным элементом блок-схемы 12 цифрового регулятора возбуждения с встроенным блоком автоматического выключателя является блок регулятора 14, имеющий управляющие микроконтроллеры и микросхемы с программируемой логикой, который совместно с блоком питания 13 образует канал управления блоком пуска электродвигателя 15 и блоком тиристоров 16. На основании сигналов от блока цифровых датчиков 17, пропорциональных статорным и роторным напряжениям и токам, блок регулятора 14 вырабатывает импульсы управления тиристорами блока тиристоров 16. От блока питания 13, соединенного с шиной 10 напряжением 0,22 кВ постоянного тока, обеспечивается независимое питание электронной части блока регулятора 14 через его третий вход 23.
Изменяя положение импульсов открытия тиристоров относительно напряжения, поступающего с согласующего трансформатора 3, блок регулятора 14 изменяет величину тока ротора синхронного электродвигателя 5. Для обеспечения пуска (раскрутки синхронного электродвигателя 5) в асинхронном режиме служит блок пуска 15, который содержит тиристорные ключи и пусковые сопротивления.
В связи с установкой блока управления автоматическим выключателем 18 было проведено изменение программного обеспечения блока регулятора 14 для реализации алгоритма управления электромагнитом управления управляемого автоматического выключателя 11 с учетом необходимости в обеспечении режима гашения электромагнитного поля статора. Основой управляющих алгоритмов является подпрограмма с алгоритмом стабилизации тока ротора. Данный пропорционально-интегральный алгоритм активен на протяжении всего времени пока подается возбуждение в ротор синхронного электродвигателя 5, а все остальные программные блоки лишь изменяют входные данные для него, поэтому введение нового алгоритма не требует существенного изменения программного обеспечения.
Устройство управления согласующим трансформатором в системе возбуждения синхронного электродвигателя работает следующим образом.
Для работы синхронного электродвигателя 5 оператор нефтеперекачивающих станций через МПСА включает программу запуска магистрального насосного агрегата 6. Программа готовности пуска синхронного электродвигателя 5 включает в себя проверку системы возбуждения электродвигателя, в частности, наличие питания блок-схемы 12 цифрового регулятора возбуждения с встроенным блоком автоматического выключателя от шины 10 напряжением 0,22 кВ, а также питания согласующего трансформатора 3, который в исходном состоянии находится в отключенном состоянии и не потребляет электроэнергию для холостого хода.
После проверки готовности пуска и готовности системы возбуждения от МПСА поступает сигнал на включение второго вакуумного выключателя 9, который подает питание от шины 7 напряжением 6(10) кВ на ротор синхронного электродвигателя 5.
При включении второго вакуумного выключателя 9 через его замкнутый сухой контакт по токовой петле 4-20 мА сигнал о включении поступает на первый вход 21 блока регулятора 14 и запускает алгоритм запуска работы системы возбуждения синхронного электродвигателя, который состоит из следующих последовательных стадий:
ожидание в течение 1,5 секунды для отработки блоком цифровых датчиков 17 ударных возмущений, возникающих в сети; получение блоком регулятора 14 сигнала по сухому контакту от второго вакуумного выключателя 9 о его состоянии; обработка программным обеспечением блока регулятора 14 сигнала о включении второго вакуумного выключателя 9; формирование команды и ее подача через второй выход 20 блока регулятора на блок управления автоматическим выключателем 18 для включения управляемого автоматического выключателя 11, занимающее несколько миллисекунд; замыкание ротора синхронного электродвигателя 5 на блок пуска 15 по сигналу от первого выхода 19 блока регулятора 14;
ожидание падения тока статора синхронного электродвигателя 5 ниже пускового значения;
насыщение сердечника согласующего трансформатора 3 после включения управляемого автоматического выключателя 11, которое длится 1,5-2 секунды, после чего блок регулятора 14 готов подавать ток возбуждения на ротор синхронного электродвигателя 5;
- подача тока возбуждения, равного 120% от номинального значения и остающегося постоянным, продолжительностью 3 секунды, что необходимо для более надежной синхронизации синхронного электродвигателя 5 и позволяет избежать асинхронного хода сразу после подачи возбуждения;
переход в рабочий режим, при котором разрешается работа защит и управляющих алгоритмов, что означает завершение процесса пуска; при этом информация о токе и напряжении статора и ротора синхронного электродвигателя 5 от блока цифровых датчиков 17 передается через второй вход 22 в управляющие микроконтроллеры блока регулятора 14 и далее по необходимости корректировки блок регулятора возбуждения 14 формирует команды на блок тиристоров 16 для корректировки тока возбуждения.
При получении сигнала от блока управления автоматическим выключателем 18 согласующий трансформатор 3 будет подключаться к напряжению 0,4 кВ высоковольтного трансформатора 1 непосредственно в момент включения второго вакуумного выключателя 9. Переходные процессы в ненагруженном согласующем трансформаторе 3 имеют длительность 1-2 секунды и закончатся до того, как все пусковые условия в блок-схеме 12 цифрового регулятора возбуждения с встроенным блоком автоматического выключателя для подачи возбуждения продолжительностью 5-7 секунд, будут соблюдены, то есть синхронный электродвигатель 5 достигнет подсинхронной скорости вращения.
Отключение согласующего трансформатора 3 будет происходить в период остановки синхронного электродвигателя 5 после окончания режима гашения поля блоком тиристоров 16, когда произойдет полная рекуперация запасенной энергии ротора. При этом по команде блока регулятора 14 блок управления автоматическим выключателем 18 отключает питание электромагнита управляемого автоматического выключателя 11, контакты которого возвращаются в исходное разомкнутое состояние, отключая согласующий трансформатор 3 от высоковольтного трансформатора 1
Таким образом, исключение потерь холостого хода согласующего трансформатора 3 достигается установкой в исходный цифровой регулятор возбуждения 4 блока управления автоматическим выключателем 18 с образованием блок-схемы 12 цифрового регулятора возбуждения с встроенным блоком управления автоматическим выключателем, изменением программного обеспечения блока регулятора возбуждения 14 и заменой неуправляемого автоматического выключателя 2 на управляемый автоматический выключатель 11.
Введение устройства управления согласующим трансформатором в систему возбуждения синхронного электродвигателя исключает потери холостого хода согласующего трансформатора при неработающем магистральном насосном агрегате, находящемся в «горячем» и «холодном» резерве нефтеперекачивающей станции, увеличивает срок службы согласующего трансформатора, снижает показатель удельного потребления электроэнергии на транспорт нефти и нефтепродуктов по магистральному нефтепроводу.