Исследование эффективности пуска высоковольтных синхронных электродвигателей при помощи инвертора тока

УДК 621.313

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПУСКА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ПОМОЩИ ИНВЕРТОРА ТОКА

Ш.Т. Дадабаев

Проведен анализ негативных факторов, влияющих на пуск, а также сделан обзор способов плавного пуска высоковольтных синхронных электродвигателей, предложен альтернативный способ пуска как от инвертора тока, детально сделан анализ инвертора тока на базе тиристоров, служащих для плавного пуска высоковольтного синхронного электродвигателя, выявлены основные преимущества преобразователей с инвертором тока, используемых для пуска синхронных двигателей.

Ключевые слова: насосный агрегат, синхронный двигатель, частотный преобразователь, инвертор тока, электропривод, переходной процесс.

В данной работе объектом для исследования были приняты высоковольтные синхронные электродвигатели, служащие для привода насосных агрегатов оросительной насосной станции первого подъема. Возмущающие воздействия на объект были режимы пуска агрегатов, с учетом чего исследования проводились на оросительной насосной станции АНС-1, которая расположена в Аштском районе Согдийской области Республики Таджикистан. В данной станции установлены четыре насосных агрегатов мощностью по 8 МВт [1, 2, 3]. Электроприводом для насоса служат явнополюсные синхронные электродвигатели (СД) вертикального исполнения. Регулирование производительности насосных агрегатов осуществляется путем включения или отключения агрегатов, что является неэффективным и опасным. При отключении и включении СД происходит динамические электромагнитные переходные процессы, а также гидравлические удары при пусках повреждают и изнашивают механические части оборудования и стыки трубопроводов [1]. Всякий раз при пуске высоковольтного СД возникают следующие проблемы: увеличение значения токов и моментов двигателя, отклонение напряжения, нагрев двигателя и дополнительные потери, которые уменьшают технический ресурс насосных агрегатов и всего оборудования в целом [1, 2, 3].

С развитием силовой электроники, стали доступны применение полупроводниковых преобразователей разных типов с разными функциями, как инверторы тока и регуляторы напряжения, служащие плавного пуска высоковольтных электродвигателей переменного тока. В практике уже хорошо себя порекомендовали устройства плавного пуска (УПП), так как они стоят дешевле, чем ПЧ в два-три раза, и хорошо служат для поочередного плавного пуска нескольких электродвигателей [4, 6]. Однако УПП в некоторых случаях не может обеспечить максимум ограничения по току, и это обстоятельство привело к необходимости исследования пуска СД от источника тока, т.е. от инвертора тока. Для высоковольтных электроприводов в основном используют инверторы тока на базе тиристора и для них характерно то, что в результате переключения тиристоров, на выходе инвертора формируется ток определенной формы, а форма напряжения зависят от нагрузки. Для детального анализа на рис. 1 приведены графики тока и напряжения инвертора тока при компьютерном моделировании.

Как видно из графиков (см. на рис. 1) токи на выходе инвертора тока не зависят от нагрузки и сформированы в виде последовательности разнополярных прямоугольных импульсов тока [5].

1 II II 1

11111 III 1ш_ _Ш1 1!

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

100 0 -100

4000 2000

•20М

е— -ч деде*

/ \ /

\ / V / /

0.СЙ5 0.01 0.01 Б 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

Г V. ч 1

ч ч ч ?

^—^ -Г

О 0.035 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

ОАзс1=0.957 Т|те

Рис. 1. Графики тока и напряжения на выходе инвертора тока

Производство инверторов тока на запираемых тиристорах служащие для плавного пуска мощных электродвигателей началось 90-х годах прошлого века. Хорошим примером производителя таких устройств можно считать компанию ООО НПП «ЭКРА», которая выпускает преобразователи частоты разных типов с разными принципами работ. Одним из продукций компаний, которая основано на работу инвертора тока является ШПТУ-ВИ [5, 7]. Этот шкаф представляет собой тиристорный преобразователь частоты с управляемым выпрямителем и зависимым инвертором тока (далее -ШПТУ-В, выпрямитель; ШПТУ-И, инвертор соответственно). Данный преобразователь является наиболее простым и экономически выгодным схемотехническим решением для пуска синхронных электродвигателей с щеточной системой возбуждения и с механизмами на валу, обладающими большим моментом нагрузки (шаровые мельницы, дробилки, экструдеры и т.д.) и большим моментом инерции (вентиляторы, насосы, компрессоры и т.д.) с необходимостью пуска в тяжелых условиях (на открытую задвижку, без байпаса и т.д.). Устройство предназначено для построения системы плавного пуска (СПП) одного или группы высоковольтных синхронных электродвигателей мощностью до 17 МВт для механизмов с тяжелыми условиями пуска. ШПТУ-ВИ обеспечивает автоматизированный процесс последовательных частотных пусков с ограничением пускового тока до 1,31ном и точную автоматическую синхронизацию с питающей сетью двигателей от одного устройства [7].

Принцип действия зависимого инвертора тока основан на том, что коммутация тока в тиристорах инвертора происходит за счет ЭДС СД, а частота инвертированного тока на выходе равна частоте ЭДС. Для обеспечения процесса коммутации угол опережения инвертора должен быть не менее 30 эл. градусов. Этот режим работы инвертора называется режимом естественной коммутации.

Электромеханическая система «ШПТУ-ВИ - СД» построена по схеме вентильного двигателя, которую можно рассматривать как эквивалентный двигатель постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения, механический коммутатор которого заменен электрическим коммутатором (инвертором). Такая система обладает всеми достоинствами двигателя постоянного тока (ДПТ), с точки зрения регулировочных характеристик, и достоинствами синхронного двигателя в смысле конструктивных преимуществ [7]. На рис. 2 и 3 приведено функциональная схема электромеханической системы с ШПТУ-ВИ и графики переходных процессов параметров электропривода при пуске с инвертором тока.

Рис. 2. Функциональная схема электропривода с инвертором тока

Рис. 3. График пуска двигателя СТД-6300/6000-2УХЛ4 магистрального насоса перекачки нефти с помощью ШПТУ-ВИ

Таким образом, использование преобразователя частоты на основе инвертора тока является эффективным решением для электроприводов большой мощности, так как дает возможность для увеличения технического ресурса и тем самим экономию на затраты на ремонт и обслуживание электрооборудования насосной станции. А также в случае необходимости, по технологическим условиям работы приводимого механизма, обеспечения режима рекуперации энергии в питающую сеть.

Список литературы

1. Дадабаев Ш.Т. Оптимизация пусковых режимов работы высоковольтных электроприводов оросительной насосной станции с учетом жаркого климата Известия высших учебных заведений. Электромеханика №2, 2018. С. 86-91.

620

2. Дадабаев Ш.Т. Перспективы внедрения регулируемых электроприводов в насосных агрегатах большой мощности. Энергетик №7, 2015. С. 31-33.

3. Дадабаев Ш.Т. Разработка математической модели системы регулирования насосных агрегатов оросительной станции первого подъема // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017. Вып. 9. Ч. 1. С. 532-536.

4. Дадабаев Ш.Т., Ларионов В.Н. Исследования применения энергоэффективных способов управления в электроприводах с вентиляторной нагрузкой // Вестник ТТУ, 2014. № 4. С. 56-59.

5. Лазарев С. А. Применение инверторов тока в высоковольтном электроприводе. Экспозиция нефть газ, 2013. №4(29). С. 78-80.

6. Ларионов В.Н., Калинин А.Г. Энергоэффективность и энергосбережение в электроприводах с вентиляторной нагрузкой. Чебоксары: Изд-во. Чуваш. Ун-та, 2012. 146 с.

7. Устройства и системы плавного пуска и регулирования скорости электродвигателей напряжением 3-10 кВ и мощностью до 17 МВт. ООО НПП «ЭКРА». 2016. Издание 9. 32 с.

Дадабаев Шахбоз Толибджонович, старший преподаватель, shahhozdadohoevamail. ru, Республика Таджикистан, Худжанд, Худжандский политехнический институт таджикского техничесого Университета имени академикаМ.С. Осими

STUDYING THE EFFICIENCY OF STARTING HIGH-VOLTAGE SYNCHRONOUS ELECTRIC MOTORS WITH A CURRENT INVERTER

Sh. T. Dadahaev

The analysis of negative factors affecting the start, as well as an overview of the methods of soft start of high-voltage synchronous motors, an alternative method of starting, as from the current inverter, detailed analysis of the current inverter hased on thyristors, serving for a soft start of the high-voltage synchronous motor, identified the main advantage of converters with current inverter usedfor starting synchronous motors.

Key words: pump unit, synchronous motor, frequency converter, current inverter, electric drive, transient process.

Dadahaev Shakhhoz Tolihjonovich, senior lecturer, shahhozdadohoevamail.ru, Republic of Tajikistan, Khujand, Khujand polytechnic Institute of the Tajik Technical University hy academician M.S. Osimi