РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

DOI 10.25987^Ти.2020.16.4.003 УДК 621.316.761

РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

И.А. Хайченко, В.В. Бабенко, Ю.В. Нефедов Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: рассматриваются вопросы расширения функциональных возможностей существующих устройств плавного пуска асинхронных электродвигателей с переменной нагрузкой, по индивидуальной компенсации реактивной мощности локальной системы электроснабжения и повышению ее энергетической эффективности. Существующие аппаратные средства решают эту задачу только на базе отдельных статических устройств. На основе анализа структуры устройств плавного пуска и принципов управления напряжением, подаваемым на асинхронный электродвигатель через полупроводниковые ключи (тиристоры), показаны целесообразность и возможность реализации на базе современных статических устройств пуска и типовых секций силовых конденсаторов многофункциональных статических устройств нового класса, обеспечивающих заданные параметры пусковых режимов асинхронного двигателя с одновременной компенсацией его реактивной мощности. В предлагаемом аппаратном решении осуществляется одновременная коммутация полупроводниковыми ключевыми элементами и асинхронного двигателя, и конденсаторной батареи для случая резко переменной (динамической) нагрузки. Обязательным условием такой коммутации конденсаторной батареи в сеть является реализация режима без броскового пускового тока. Определено, что реализация предложенного аппаратного решения может дать существенный экономический эффект по снижению стоимости оборудования при сохранении всех технических и энергетических параметров автоматизированных асинхронных электроприводов насосов, вентиляторов, компрессоров, тягового и тому подобного оборудования. Определена эффективность применения данного аппаратного решения по снижению удельной стоимости оборудования в пределах от 800 руб. до 2700 руб. на 1 кВт мощности асинхронного электропривода

Ключевые слова: асинхронный электропривод с переменной нагрузкой, режимы пуска, индивидуальная компенсация реактивной мощности, тиристорные контакторы, система управления

Введение

В соответствии с Федеральным законом 261-ФЗ от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», в производственной сфере предусмотрено общее снижение энергоемкости до 20%. Естественно, что одним из ключевых направлений реализации этой задачи является использование высокотехнологичных решений в области автоматизированного асинхронного электропривода, потребляющего сейчас 55-60% вырабатываемой в РФ электрической энергии. В данной статье рассмотрен конкретный сегмент таких асинхронных электроприводов (ЭП), которые работают с резко переменным графиком нагрузки (частые включения и отключения), что по ГОСТ Р 52776-2007 (МЭК 60034-1-2004) соответствует типовому режиму S4.

Так, широкое распространение в энергоемких производствах получили компрессоры на основе асинхронного ЭП, предназначенные для выработки воздуха высокого давления в течении трехсменной работы (рис. 1).

При таком режиме работы возникает необходимость периодического пополнения ресивера воздухом, по мере его расходования на производственные нужды, что сопровождается частыми включениями асинхронного двигателя (АД) компрессора (для данного производства за три смены число включений/отключений превышает полторы сотни).

Рис. 1. Типовой график нагрузки компрессора

В аналогичном режиме постоянной подкачки с частыми коммутациями АД работают и насосные станции объектов с большим потреблением воды (рис. 2).

© Хайченко И.А., Бабенко В.В., Нефедов Ю.В., 2020

Рис. 2. Типовой график нагрузки насосной станции

В течение рабочего дня насосная станция согласно графику (рис. 2) неоднократно осуществляет пусковые режимы. Количество таких пусков в среднем по году можно оценить в 100 за день, причем частота коммутаций выше в часы пикового расхода воды: с 5 до 6, с 13 до 14, с 21 до 22. Как и в предыдущем примере, тяжелые (прямые) пуски и работа в установившемся режиме АД сопровождается потреблением реактивной мощности разной величины.

Аналогичный режим работы («повторно-кратковременный» с частыми пусками) характерен для автоматизированных систем приточ-но-вытяжной вентиляции с повышенными требованиями к уровню кондиционирования, тяговых приводов конвейеров, лентопротяжных и им подобных механизмов.

Для таких случаев, в соответствии с технологическими требованиями данных производств, необходимо регулирование параметров (обычно скорости) асинхронных электроприводов, поддержание высоких показателей по электрическому КПД и коэффициенту мощности (cosф). Даже в режимах работы АД, близких к номинальному, при электрическом КПД 80-92% и cosф = 0,8-0,9 общий энергетический КПД составляет 64-83% и имеет тенденцию снижения до 52-70%, если не реализовать специальные энергосберегающие технологии, связанные с регулированием напряжения и реактивной мощности на базе современных статических устройств.

Постановка задачи

В направлении аппаратных решений по регулированию напряжения (соответственно и скорости) асинхронного электропривода с переменной нагрузкой сейчас наиболее востребованы преобразователи частоты, которые способны обеспечить требуемое качество регулирования скорости и уровень минимального энергопотребления как в пусковых, так и в установившихся режима. Однако стоимость таких устройств достаточна велика. В тех случаях, когда режим работы повторно-кратковременный и

не требует регулирования параметров асинхронного двигателя после его пуска, то очень часто применяются более дешевые, чем преобразователи частоты, статические устройства плавного пуска (УПП).

Эти устройства применяются для реализации управляемого включения АД без токовых перегрузок и корреляции формируемого пускового момента в соответствии с моментом нагрузки. Для этого питание обмоток АД осуществляется через полупроводниковые ключевые элементы (тиристоры, семисторы). Специальный алгоритм включения тиристоров по фазам дает возможность значительного снижения коммутационных токов, облегчает тепловой режим АД, повышает работоспособность ЭП и исполнительного механизма.

В зависимости от технологических требований к качеству регулирования процессов пуска и торможения асинхронного электропривода, силовая часть УПП реализуется с одной, двумя или тремя группами полупроводниковых ключей (обозначаются терминами - одно-, двух-, трехфазные устройства). Наибольшее распространение получили двухфазные УПП. Они применяются в приводах мощностью до 250 кВт для снижения динамических нагрузок при пуске в оборудовании со среднетяжелыми условиями пуска при отсутствии жестких требований к ограничению тока (рис. 3).

Рис. 3. Схема подключения двухфазного УПП

Как было отмечено выше, в основе работы УПП лежит принцип управления напряжением, подаваемым на АД через полупроводниковые ключи (как правило, тиристоры). Такое управление обычно реализуется двумя режимами. Импульсный режим управления позволяет управлять соотношением интервалов включенного и выключенного состояния АД. Особенностью режима является отсутствие генерации высших гармонических напряжений. Это связано с тем, что переключение тиристорных

ключей всегда происходит при протекающем нулевом токе через тиристор. Во втором режиме используются принципы фазоимпульсного управления АД, при котором осуществляется симметричное изменение угла открытия тиристоров в течении каждого полупериода питающего напряжения [1]. В таком режиме регулирования величина действующего напряжения на входе АД определяется длительностью включенного состояния тиристоров. Это увеличивает точность регулирования по сравнению с первым режимом, однако в питающую сеть генерируются высшие гармонические напряжения, которые отрицательно влияют не только на аппаратуру управления и статические конденсаторы, но и ускоряют процессы старения изоляции силового электрооборудования (асинхронные двигатели, трансформаторы) и вызывают рост дополнительных потерь электроэнергии в них и возможность возникновения резонансных процессов.

Дополнительно хотелось бы отметить, что аналогичные аппаратные и алгоритмические решения реализуются и в тиристорных регуляторах мощности, которые широко применяются для разнообразных термических электронагревательных установок, следовательно, предложенные далее решения могут быть использованы и для более широкого круга объектов [2].

Как было отмечены выше, одним из основных направлений повышения энергоэффективности автоматизированного асинхронного электропривода является компенсация реактивной мощности, которая позволяет одновременно повысить качество электроэнергии в системах электроснабжения предприятий. Это положение закреплено на законодательном уровне целым рядом стандартов, регламентирующих качество электроэнергии, требования по компенсации реактивной мощности (КРМ), и используемых в этих целях средствах (ГОСТ 32144-2013, ГОСТ 61921-2013, ГОСТ Р 56744-2015).

Аппаратные средства компенсации реактивной мощности (КРМ), в зависимости от технологических требований, параметров электротехнического оборудования и сложности управления, могут быть следующих типов [3]:

• нерегулируемые - путем подключения конденсаторной батареи фиксированной емкости ручным, полуавтоматическим способом или прямым подсоединением к нагрузке;

• автоматические - путем включения различного количества ступеней конденсаторных батарей (КБ) для варьирования величины реактивной мощности;

• динамические - для компенсации быстро изменяющихся нагрузок.

С точки зрения вопросов энергосбережения в сетях электроснабжения, наиболее эффективен индивидуальный способ КРМ, который реализуется при установке КБ непосредственно на шины источника РМ индуктивного характера (АД). В рассматриваемом в данной статье сегменте автоматизированного электропривода с переменной нагрузкой применима именно индивидуальная КРМ, выполняющая следующие функции:

1. разгрузка питающих сетей электроснабжения от реактивных токов;

2. возможность использования проводов с меньшей пропускной способностью;

3. повышение качества электроснабжения;

4. оптимизация режимов работы ЭП.

Технико-экономическая эффективность

устройств КРМ в значительной степени зависит от средств подключения КБ к системе электроснабжения. В настоящее время реализуются два основных типа низковольтных технических средств: электромагнитные контакторы (рис. 4) и полупроводниковые ключевые элементы (тиристоры, семисторы).

сеть

Рис. 4. Типовая схема автоматического подключения КБ электромагнитными контакторами

Коммутация полупроводниковыми ключевыми элементами применяется в случаях с резко переменной (динамической) нагрузкой (рис. 5).

Такое подключение КБ выгодно отличается от контакторного по быстродействию, наработке на отказ КБ и коммутационной аппаратуры, а также по электромагнитной совместимости силового оборудования. В связи с этими причинами, компенсация реактивной мощности асинхронного электропривода с переменной нагрузкой эффективна при коммутации силовыми полупроводниковыми ключами [4,5].

Рис. 5. Типовая схема подключения КБ

полупроводниковыми ключевыми элементами

Единственным недостатком этого способа коммутации является большая стоимость тири-сторных коммутаторов по сравнению с электромагнитными контакторами.

Решение сформулированной задачи

Рассмотренные выше проблемы автоматизированных электроприводов потребителей с переменной нагрузкой и индивидуальной компенсацией РМ с помощью тиристорных конденсаторных установок (ТКУ) могут быть решены на базе предлагаемого аппаратного решения. В его основе лежит идея расширения функциональных возможностей УПП в направлении компенсации реактивной мощности. При этом, по сути два таких специализированных статических устройства, как УПП и ТКУ, могут быть реализованы на единой силовой платформе типовых УПП с незначительной модернизацией в части конструкторской компоновки основного силового оборудования и системы управления (СУ). На рис. 6 представлена принципиальная трехфазная электрическая схема подключения такой унифицированной пуско-компенсирующей установки (УПКУ).

Если сравнить структуру и коммутацию силовых элементов типового УПП и УПКУ, то очевидно, что существуют минимальные различия в части подключения секции КБ к вводным клеммам и, V, W асинхронного двигателя. Типовая секция КБ, как правило, включает в себя собственно конденсатор выбранной емкости, разрядные резисторы, предохранители, разъединители и даже фильтрующие дроссели.

Как правило, все это оборудование заводского изготовления компонуется в отдельном шкафу и не требует каких-либо корректировок.

Рис. 6. Схема подключения УПКУ

Что касается СУ предлагаемой УПКУ, то она может быть также реализована на базе современных микроконтроллеров, используемых в уже выпускаемых УПП таких известных компаний, как Semikon, SIEMENS, Schneider Electric, APC, ABB, EATON и др.

Так, например, в УПП SKSS1 компании Semikon используется микропроцессорный 8 битный контроллер фирмы Zilog семейства Z86, а также все элементы, необходимые для выполнения трехфазного пуска асинхронного двигателя, включая силовые тиристоры или тири-сторные модули SEMIKRON (или тиристорные сборки SEMISTACK), RC снабберы и токовый трансформатор. SKSS1 позволяет не только реализовать режим плавного пуска и многофункциональную защиту трехфазных асинхронных двигателей, но и использовать его в составе системы комплексной автоматизации, а также организации дистанционного управления и контроля состояния объекта управления с пульта управления оператора. Однако в случае его использования в качестве основы УПКУ необходимо предусмотреть новую прошивку контроллера, реализующую необходимый алгоритм управления не только процессами пуска - торможения, но одновременного бестокового подключения БК. При этом главным условием надежной и долговечной работы подключаемой конденсаторной батареи будет обеспечение импульсного режима управления тиристорными группами. Причем, одновременное подключение параллельно соединенных АД и КБ во время пуска и во время установившегося режима работы должно происходить только в моменты, когда напряжение сети имеет уровень, близкий к нулевому в каждом полупериоде [6].

Очевидно, что при сохранении основных функциональных возможностей УПП и ТКУ,

предлагаемая УПКУ значительно проще технически и алгоритмически стыкуется с имеющимися системами автоматизации технологических процессов, а по цене может быть значительно дешевле, чем вариант применения двух отдельных устройств для плавного пуска АД и индивидуальной компенсации его реактивной мощности. Для определения экономической эффективности предлагаемого решения была проведена экспертная оценка средней стоимости низковольтных УПП и ТКУ ведущих производителей для АД мощностью от 10 до 100 кВт.

Ниже, для АД мощностью Р = 45 кВт, приведена усредненная стоимость УПП и ТКУ мощностью Q = 30 кВАр (предполагается компенсация РМ до уровня коэффициента мощности соБф = 0,99).

Так, усредненная стоимость всей установки для плавного пуска (в соответствии с каталогами для известных моделей: Schneider Electric ATS 22D88Q, Siemens 3RW4427-1BC34, Aucom CSXi-045-V4-C1(C2), Danfoss MCD 201-045-T4, ЭнерджиСейвер ES45L, IDS Drive YHR5-45KW, ABB/PSR105 45/380) колеблется от 85000 руб. до 170000 руб.

Усредненная стоимость ТКУ для КРМ (в соответствии с каталогами для известных моделей: фирма CIRCUTOR, установки со статическим контактором OPTIM EMS-C-31,25-440; Новосибирский завод конденсаторов, АКУТ-НЗК 0,4-30-10-УЗ; компания «Хомов электро», установки КРМТФ-0,4-0,69 кВ с тиристорной системой коммутации; фирма «Нюкон», установки АУКРМТ-0,4 кВ с регулятором РМ NUCON RPCF-12 и тиристорным контактором TN или TSM-HV50 производства Epcos AG) колеблется от 55000 руб. до 150000 руб.

Усредненную стоимость УПКУ для АД мощностью Р = 45 кВт и Q = 30 кВАр, эксперт-но, можно определить в диапазоне от 105000 руб. до 160000 руб.

Очевидно, что снижение затрат только по стоимости основного оборудования (еще присутствует снижение и эксплуатационных расходов и зарплата обслуживающего персонала) может составить от 35000 руб. до 120000 руб. для АД мощностью 45 кВт.

А снижение удельной стоимости затрат на 1 кВт мощности может составить от 800 руб. до 2700 руб., что является очень хорошим показателем для низковольтных статических преобразователей общепромышленного применения.

Выводы

1. В промышленном секторе существует большой класс потребителей с переменной нагрузкой (насосы, вентиляторы, компрессоры, тяговые двигатели и тому подобное оборудование), использующий асинхронный автоматизированный электропривод. Для повышения энергоэффективности асинхронного электропривода целесообразна реализация мероприятий по индивидуальной компенсации реактивной мощности. Существующие аппаратные средства решают эту задачу только на базе отдельных статических устройств.

2. Анализ структуры и технических характеристик современных тиристорных устройств плавного пуска для асинхронных электродвигателей позволяет использовать их как основу нового класса многофункциональных статических устройств.

3. Предложено аппаратное решение по реализации, на основе выпускаемых устройств плавного пуска и секций силовых конденсаторов, статического устройства, обеспечивающего заданные параметры пусковых режимов асинхронного двигателя с одновременной компенсацией реактивной мощности и более удобную его адаптацию с имеющимися системами автоматизации технологических процессов.

4. Технико-экономический эффект от применения данного аппаратного решения по снижению удельной стоимости оборудования экспертно может быть оценен в пределах от 800 руб. до 2700 руб. на 1 кВт мощности асинхронного электропривода.

Литература

1. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода/ Л.П. Петров, О.А. Андрю-щенко, В.И. Капинос и др. М.: Энергоатомиздат, 1986. 199 с.

2. Крысанов В.Н., Нефедов Ю.В., Романов А.В. Контроль параметров электромагнитной совместимости модернизированного оборудования автоклавного производства // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т.15. № 2. С.77-81.

3. Крысанов В.Н. Аппаратно-программное управление режимами узлов нагрузки региональных сетей электроснабжения с помощью статических устройств. Воронеж: ВГТРК, 2017. 244 с.

4. Крысанов В.Н., Зайцев А.И. Энергосберегающие технологии в распределенных электроэнергетических сетях. Воронеж: ВГТРК, 2016. 223 с.

5. Крысанов В.Н. Эффективность использования ти-ристорных конденсаторных установок в промышленных системах электроснабжения // Энергетическая безопасность и энергосбережение. 2017. № 3. С. 15-20.

6. Крысанов В.Н., Демихов А.В. Оптимизация методов подключения конденсаторной батареи // Электрические комплексы и системы управления. 2009. №4 (16). С.53-58.

Поступила 26.05.2020; принята к публикации 17.08.2020 29

Информация об авторах

Хайченко Илья Александрович - аспирант кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: li740@yandex.ru, тел. 89525557503

Бабенко Владимир Владимирович - аспирант кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: vova.babenko.94@mail.ru, тел. 89155408873

Нефедов Юрий Васильевич - аспирант кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: nefedowjurij@yandex.ru, тел. 8906-673-44-40

EXPANSION OF FUNCTIONAL CAPABILITIES OF STATIC CONVERTERS FOR ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVES

I.A. Khaychenko, V.V. Babenko, Yu.V. Nefedov Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the article considers issues of expansion of functional capabilities of existing devices of smooth start-up of asynchronous motors with variable load, individual compensation of reactive power of the local power supply system and increase of its energy efficiency. Existing hardware solves this task only on the basis of separate static devices. Based on the analysis of the structure of the smooth start devices and the principles of voltage control supplied to the asynchronous electric motor through semiconductor switches (thyristors), the expediency and possibility of implementing, on the basis of modern static start-up devices and typical sections of power capacitors, multifunctional static devices of a new class providing the specified parameters of start-up modes of the asynchronous motor with simultaneous compensation of its reactive power is shown. Proposed hardware solution provides simultaneous switching of semiconductor key elements of both asynchronous motor and capacitor bank for case of sharply variable (dynamic) load. A prerequisite for such switching of the capacitor battery into the network is the implementation of a mode without a throw-off start-up current. It is determined that the implementation of the proposed hardware solution can have a significant economic effect on reducing the cost of equipment while maintaining all technical and energy parameters of automated asynchronous electric drives of pumps, fans, compressors, traction and the like equipment. The efficiency of application of this hardware solution is determined, on reduction of specific cost of equipment within the range from 800 rubles to 2700 rubles per 1 kW of capacity of asynchronous electric drive

Key words: asynchronous electric drive with variable load, startup modes, individual compensation of reactive power, thyristor contactors, control system

References

1. Petrov L.P., Andryushchenko O.A., Kapinos V.I. "Thyristor voltage converters for asynchronous electric drive" ("Tiristornye preobrazovateli napryazheniya dlya asinkhronnogo elektroprivoda"), Moscow, Energoatomizdat, 1986, 199 p.

2. Krysanov V.N., Nefedov Yu.V., Romanov A.V. "Control of electromagnetic compatibility parameters of the upgraded equipment of the autoclave plant", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2019, vol. 15, no. 2-1, pp. 77-81.

3. Krysanov V.N. "Hardware and software control of load modes of regional power supply networks using static devices" ("Apparatno-programmnoe upravlenie rezhimami uzlov nagruzki regional'nykh setey elektrosnabzheniya s pomoshch'yu statich-eskikh ustroystv"), Voronezh, VGTRK, 2017, 244 p.

4. Krysanov V.N., Zaytsev A.I. "Energy-saving technologies in distributed electric power networks" ("Energosberegayushchie tekhnologii v raspredelennykh elektroenergeticheskikh setyakh"), Voronezh, VGTRK, 2016, 223 p.

5. Krysanov V.N. "Efficiency of use of thyristor condenser plants in industrial power supply systems", Energy Security and energy Saving (Energeticheskaya bezopasnost' i energosberezhenie), 2017, no. 3, pp. 15-20.

6. Krysanov V.N., Demihov A.V. "Optimization of methods of connection of capacitor battery", Electrical Complexes and Control Systems (Elektricheskie kompleksy i sistemy upravleniya), 2009, no. 4(16), pp. 53-58.

Submitted 26.05.2020; revised 17.08.2020

Information about the authors

Il'ya A. Khaychenko, Graduate student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394016, Russia), e-mail: li740@yandex.ru, tel.: +7952-555-75-03

Vladimir V. Babenko, Graduate student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394016, Russia), e-mail: vova.babenko.94@mail.ru, tel.: +7915-540-88-73

Yuriy V. Nefedov, Graduate student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394016, Russia), e-mail: nefedowjurij@yandex.ru, tel.: +7906-673-44-40