Анализ структур преобразователей частоты для технологически связанных электроприводных газоперекачивающих агрегатов

Теория и практика автоматизированного электропривода

mization theory of automatic control systems]. Edited by N.D. Egupov. Moscow: Izd-vo MGTU im. N.EH. Baumana, 2000, 736 p.

13. Klyuchev V.I. Teoriya ehlektroprivoda [Theory of electric drive]. Moscow: Energoatomizdat, 1998.

14. Petrov Yu.P. Optimal'noe upravlenie elektricheskim privodom s uchetom ogranichenij po nagrevu [Optimal control of power subject to the limitations of heat]. Leningrad: Energiya,

Leningradskoe otdelenie, 1971, 144 p.

15. Kozyrev S.K., Kazadi B. Optimal'nye perekhodnye processy v elektroprivodah postoyannogo toka [Optimal transients in electric D.C.]. Moscow: mE I, 1984.

16. Il'inskij N.F., Gornov A.O. Kriterij effektivnosti elektromekhanicheskogo preobrazovaniya energii [The criterion of the efficiency of electromechanical energy conversion]. Elektrichestvo [Electricity], no. 10, 1987.

УДК 62-52-83:656.56 Крюков О.В.

Анализ структур преобразователей частоты для технологически связанных электроприводных газоперекачивающих агрегатов

Рассмотрена структура существующего парка электроприводов газоперекачивающих агрегатов на магистральных газопроводах России. Проанализированы основные недостатки нерегулируемых электрически агрегатов на компрессорных станциях и возможности наиболее эффективных и наукоемких проектов с применением новых принципов и алгоритмов частотного регулирования параметров транспорта газа на базе технологически связанных электроприводных агрегатов. Предложены перспективные направления совершенствования электроприводов нагнетателей с помощью шести вариантов топологий высоковольтных преобразователей частоты. Проанализированы принципиальные схемы и энергетические характеристики многоуровневых каскадных преобразователей, включая спектры гармонического состава выходного тока и напряжения. Рассмотрены характерные примеры реализации высококачественной силовой преобразовательной техники и фильтрокомпенсирующих устройств для электроприводных газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях магистрального транспорта газа в России.

Ключевые слова: компрессорная станция, газоперекачивающий агрегат, электропривод, частотное регулирование, синхронный двигатель, модернизация, энергосбережение, энергоэффективность.

Введение. Состояние парка электроприводных

ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ

В настоящее время парк газоперекачивающих агрегатов на магистральных газопроводах составляет около 4 тысяч единиц, из них 17,6% (700 агрегатов) имеют электрический привод от высоковольтных синхронных двигателей мощностью 4,0 - 12,5 МВт. Суммарная мощность электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА) составляет около 6000 МВт. В год они расходуют до 10 - 13 млрд кВтч электроэнергии [1].

Существующие нерегулируемые по скорости ЭГПА имеют два основных недостатка:

1. Негативное влияние прямых пусков мощных двигателей, снижающее надежность и ресурс двигателей и агрегатов в целом; 5-7-кратные пусковые токи разрушают изоляцию статора и вызывают перегрев ротора; допускается ограниченное число прямых пусков (до 150), после чего необходим ремонт двигателя; при питании компрессорных станций от протяженных электрических сетей ограниченной мощности большие пусковые токи могут вызвать недопустимые провалы напряжения.

2. Неприспособленность к переменным режимам работы магистральных газопроводов; использование регулируемого электропривода дает на компрессорных станциях сокращение энергетических затрат на 1025%. Это достигается за счет того, что ЭГПА всегда работают в оптимальном по КПД режиме. Изменение скорости вращения агрегата позволяет не только экономично регулировать работу компрессора, но и эффективно защищать его в комбинации с другими средствами от попадания в зону неустойчивой работы при изменении входных параметров. Возможность регули-

рования скорости обеспечивает плавный частотный пуск ЭГПА при токе, не превышающем номинальный.

Используемое при нерегулируемом электроприводе дросселирование на нагнетательном тракте связано со значительными потерями электроэнергии. На рис. 1 показано сравнение зависимости потребляемой мощности от расхода газа при дросселировании и при регулировании скорости вращения агрегата. Сравнение графиков потребляемой мощности показывает сколь значительна экономия электроэнергии при регулировании изменением скорости вращения.

О 0,25 0,5 075 1,0

Рис. 1. Рабочие характеристики при различных способах регулирования производительности

Новые возможности ЭГПА при использовании

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

Использование преобразователей частоты (ПЧ) для питания синхронных двигателей (СД) позволяет осуществлять групповое управление несколькими ЭГ-ПА [2]. При этом в группе из нескольких агрегатов один или два работают в нерегулируемом режиме, получая питание от сети, а скорость вращения других

ЭСиК. №2(27). 2015

11

Теория и практика автоматизированного электропривода

агрегатов может регулироваться по условиям технологического процесса. При этом необходимое количество преобразователей частоты сокращается в два раза. Кроме того, пуск всех двигателей производится кас-кадно при питании от того же преобразователя частоты. Если двигатель должен работать с номинальной скоростью, то после окончания пуска преобразователь частоты синхронизируется с сетью, и двигатель, вставая на байпас, переключается на питание от сети. При необходимости регулирования скорости вращения двигатель достаточно быстро отключается от сети и переключается на питание от преобразователя частоты.

Таким образом, применение частотно-регулируемого синхронного электропривода ГПА дает следующие преимущества:

- значительную экономию электроэнергии;

- возможность автоматического поддержания заданного давления в напорном трубопроводе;

- плавный пуск и останов ЭГПА с исключением гидроударов в газопроводной системе и ударных электрических и механических нагрузок на механизм и электрическую сеть;

- увеличение срока службы механического и электрического оборудования;

- повышение эксплуатационной надежности ЭГПА;

- снижение эксплуатационных расходов.

ПЧ для питания СД ЭГПА должны отвечать следующим основным требованиям:

- иметь большую мощность по отношению к мощности приводного электродвигателя - 5000, 7000, 14000 кВА;

- иметь высоковольтное (ВВ) исполнение при входном и выходном напряжении 6 (10) кВ;

- хорошее качество выходного напряжения ПЧ с содержанием высших гармоник не выше значений THD<3%. Столь высокие требования связаны с тем, что используемые в ЭГПА СД имеют массивную конструкцию ротора, и наличие высших гармоник в токе статора может вызвать перегрев ротора за счет вихревых токов;

- генерация в питающую сеть высших гармоник также ограничена требованиями, регламентируемыми ГОСТ 13109-97.

Топология и характеристики отечественных

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

Анализ выпускаемых в настоящее время зарубежными и отечественными фирмами ВВ ПЧ показал, что указанным требованиям в наибольшей степени отвечает топология многоуровневого ПЧ с каскадным соединением однофазных низковольтных преобразователей типа автономного инвертора напряжения (АИН).

Примером может служить серия преобразователей частоты ВЧРП, которая разрабатывалась и выпускается сегодня по указанной топологии. Принципиальная схема ВВ ПЧ данной топологии представлена на рис. 2.

Высоковольтный многоуровневый ПЧ для ЭГПА состоит, как правило, из изолирующего входного трансформатора с 15 группами трехфазных вторичных обмоток. Эти обмотки соединены в треугольник и смещены по фазе на 60 электрических градусов относительно друг друга. Это позволяет уменьшить влия-

ние преобразователя на питающую сеть, т.к. ток в сети имеет минимальные искажения.

Как следует из рис. 3, степень искажения входного тока рассмотренного преобразователя частоты значительно ниже требований, в том числе зарубежных стандартов. Коэффициент же мощности преобразователя на стороне сети очень высокий и составляет не ниже 0,96.

Гармонический состав входного тока представлен на рис. 3. Здесь ломаной линией показаны ограничения по гармоническому составу тока в соответствии с требованиями IEEES19.

Каждая группа вторичных обмоток питает свой отдельный однофазный инвертор напряжения, схема которого показана на рис. 4.

Рис. 2. Схема многоуровневого каскадного преобразователя частоты

Рис. 3. Г армонический состав входного тока

Рис. 4. Схема силового блока каскадного преобразователя частоты

Силовая ячейка содержит трехфазный выпрямитель, конденсаторный фильтр, однофазный инвертор на IGBT модулях и байпасный тиристорный ключ K.

Принцип формирования выходного напряжения преобразователя поясняется на рис. 5. Минимальное напряжение однофазного инвертора составляет 690 В. Последовательное соединение 5 блоков позволяет по-

12

ЭСиК. №2(27). 2015

Теория и практика автоматизированного электропривода

невый преобразователь частоты продолжает функционировать.

Главное достоинство многоуровневых каскадных преобразователей - это решение проблемы электромагнитной совместимости с питающей сетью и приводным синхронным электродвигателем мегаваттного класса. Качество энергии на выходе такого преобразователя частоты иллюстрируется осциллограммами, изображенными на рис. 6.

Преобразователь частоты ВЧРП по требованию заказчика может быть поставлен комплектно совмест-во с высоковольтной секцией байпасного выключателя, шунтирующего преобразователь частоты в случае необходимости его ремонта или регламентного обслуживания, что повышает надежность функционирования ЭГПА. Система управления ВЧРП реализована на базе промышленного компьютера и обеспечивает следующие функции управления:

- местное или дистанционное ручное регулирование скорости;

- работу в составе автоматизированной системы контроля давления газа. С этой целью предусмотрено включение преобразователя частоты в АСУ посредством интерфейса RS485 и открытых протоколов

Modbus, Profibus, Ethernet;

- ПИД-регулятор для локальной системы поддержания заданных технологических параметров;

- удобное объектноориентированное программное обеспечение для управления и контроля с интерфейсом на русском языке;

- ВЧРП имеет развитую систему диагностики, позволяющую определить место возникновения неисправности в случае срабатывания систем защиты.

Регулируемые высоковольтные электроприводы переменного тока на базе преобразователей ВЧРП успешно эксплуатируются на ряде отечественных предприятий [3], в том числе: электропривод сетевого насоса котельной г. Одинцово; электропривод группы сетевых насосов котельной г. Астрахани; электропривод насосов второго подъема ЗАО Челныводоканал и др.

Рис. 6. Осциллограмма выходного тока и напряжения ПЧ при выходной частоте 50 Гц

лучить максимальное эффективное значение фазного напряжения на выходе преобразователя 3450 В (линейное напряжение 6000 В). Посредством системы управления фазы выходного напряжения отдельных ячеек сдвинуты на 12 электрических градусов, что обеспечивает взаимную компенсацию высших гармоник.

Регулирование величины выходного напряжения производится синхронизированной широтноимпульсной модуляцией напряжения в каждой ячейке. Выходное напряжение преобразователя в зависимости от частоты изменяется пропорционально. В результате данного принципа построения схемы ток и напряжение на выходе преобразователя частоты имеют практически синусоидальную форму.

Рис. 5. Принцип сложения напряжений в преобразователе частоты на 6,0 кВ

Одним из эксплуатационных достоинств данной схемы является повышенная живучесть. В случае выхода из строя силового блока отключение высоковольтного преобразователя не происходит. В этом случае срабатывает ключ К, который шунтирует инвертор блока, выводя его из работы. Одновременно выводятся из работы по одному силовому блоку в других фазах. Система автоматического управления повышает напряжение в оставшихся в работе блоках, и многоуров-

ЭСиК. №2(27). 2015

13

Теория и практика автоматизированного электропривода

Заключение и обсуждение

Проведенные исследования показали перспективность использования современной силовой преобразовательной техники на ответственных механизмах мегаваттного класса, включая существующие нерегулируемые электроприводные газоперекачивающие агрегаты компрессорных станций магистрального транспорта газа.

Список литературы

1. Энергосбережение и автоматизация электрообору-

дования компрессорных станций: миография / Пужайло А.Ф., Савченков С.В., Крюков О.В. и др.; под ред. О.В. Крюкова. Нижний Новгород: Вектор ТиС, 2012. 572 с.

2. Пужайло А.Ф., Рубцова И.Е., Крюков О.В. Энергосбережение в агрегатах компрессорных станций средствами частотно-регулируемого электропривода // Компрессорная техника и пневматика. 2012. №5. С. 29-34.

3. Крюков О.В., Краснов Д.В. Перспективы применения преобразователей частоты для регулирования производительности ЭГПА // Газовая промышленность. 2014. №6. С. 86-89.

Information in English

Analysis of Existing Methods for Diagnostics of Electric Motors and Perspectives of Their Development

Krjukov O.V.

The structure of existing fleet of electric drives for gas pumping units at the main gaslines in Russia was reviewed. The main disadvantages of unregulated electrical units at the compressor stations and the features of most efficient and science-intensive projects with the application of a new principles and algorithms of frequency regulation of the gas transfer parameters, based on for technologically related electrically-driven units were analyzed. prospective lines of improving the electric drives of superchargers with the application of six variants of high voltage frequency inverter topologies. A functional diagrams and an energetic characteristics of multilevel cascade converters, including the range of harmonic composition of output current and voltage were analyzed. case studies of implementation high quality power converter equipment and filter compensative devices for electric driven gas pumping units at the compressor stations of main gas pipelines in Russia were reviewed.

Keywords: compressor station, gas pumping unit, electric drive, frequency regulation, synchronous motor, upgrading,

energy saving, energy efficiency.

References

1. Puzhajlo A.F., Savchenkov S.V., Krjukov O.V. i dr. Jenergosberezhenie i avtomatizacija jelektrooborudovanija kompressornyh stancij [Energy saving and automation of electrical equipment at the compressor stations: monograph]. Nizhnij Novgorod: Vektor TiS, vol. 3, 2012, 572 p.

2. Puzhailo A.F., Kryukov O.V., Rubtsova I.E. Jenergosberezhenie v agregatah kompressornyh stancij sredstvami chastotno-reguliruemogo jelektroprivoda [Energysaving in units of compressor stations by means of the frequency-controlled electric drive]. Kompressornaja tehnika i pnevmatika [Compressor equipment and pneumatic], 2012, no.5, pp. 29-34.

3. Krjukov O.V., Krasnov D.V. Perspektivy primenenija preobrazovatelej chastoty dlja regulirovanija proizvoditel'nosti JeGPA [Prospects of application of of frequency inverters for controlling the performance EDGPU]. Gazovaja promyshlennost' [Gas industry], 2014, no. 6, pp. 86-89.

УДК 62 - 83:681.51

Цытович Л.И., Дудкин М.М., Рахматулин Р.М., Брылина О.Г., Тюгаев А.В.

Помехоустойчивая синхронизация вентильных преобразователей

В статье рассматриваются устройства синхронизации для ведомых сетью силовых вентильных преобразователей, выполненные на базе интегрирующих развертывающих преобразователей с частотно-широтно-импульсной модуляцией (РП). Приведены структурные схемы, временные диаграммы сигналов и условия синхронизации частоты переключений РП внешним биполярным прямоугольным и гармоническим сигналами.

На примере трехфазного реверсивного тиристорного преобразователя постоянного тока рассмотрены функциональные схемы перекрестной и интервало-кодовой синхронизаций. Приведена принципиальная схема РП, даны основные расчетные соотношения и рекомендации по выбору ее параметров.

Статья рассчитана на инженерно-технических работников, занимающихся проектированием, наладкой и эксплуатацией силовой преобразовательной техники.

Ключевые слова: устройство синхронизации, вентильный преобразователь, развертывающий преобразователь, интервалокодовая синхронизация, перекрестная синхронизация, фазосдвигающее устройство, дешифратор, распределитель импульсов.

Введение

Современные системы электроснабжения как стационарного, так и автономного базирования характеризуются высоким уровнем искажений с трудно предсказуемыми параметрами, зачастую выходящими за допустимые нормы и играющими роль дестабилизи-

рующих факторов в работе не только вентильных преобразователей (ВП), но и технологических установок в целом [1-5]. Поэтому создание систем управления ВП, способных нейтрализовать действие внешних возмущающих воздействий, в частности со стороны сети, является актуальной задачей, направленной на повы-

14

ЭСиК. №2(27). 2015