Частотно-регулируемый электропривод магистрального насоса головной нефтеперекачивающей станции

3   Электропривод магистральных насосных агрегатов

В дипломном проекте приводом насосного агрегата типа НМ 1250-400 является управляемый синхронный двигатель серии СТД 1600 /2.

Технические данные двигателя серии СТД 1600/2 приведены                      в таблице 10 [9]:

 Таблица 10 – Технические данные двигателя СТД 1600/2

Синхронная скорость 3000 мин-1
Тип	Рн	ηн	cosφ	J	UH	IH	Sном	Uв.ном.	Iв.ном.
	кВт	%	о.е	кг·м2	В	А	кВ·А	В	А
СТД 1600/2	1600	96,9	0,9	112	6000	178	1850	52	277

 

Синхронные  электрические машины характерны тем, что у них ротор в установившемся режиме вращается с угловой скоростью  вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в фазных обмотках статора, подобного  статору асинхронной машины. Это  достигается тем, что ротор синхронной машины представляет собой обычно электромагнит  или реже постоянный магнит с числом пар полюсов, равным числу пар  полюсов вращающегося магнитного поля. Взаимодействие полюсов вращающего магнитного поля и полюсов ротора обеспечивает постоянную угловую скорость последнего независимого момента на валу. Это свойство синхронных машин позволяет использовать их в качестве двигателей для привода механизмов с постоянной угловой скоростью.

 

3.1 Регулирование скорости вращения  синхронных электродвигателей

 

Важнейшая задача современного электропривода – экономичное и  плавное регулирование скорости вращения в требуемых пределах, с  высокой надежностью.

Частотное регулирование  скорости вращения синхронных двигателей (СД) характеризуется в основном такими же показателями, что и частотное регулирование асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Регулирование скорости вращения СД должно проводится с высокими энергетическими показателями: по гармоническому составу, коэффициенту мощности и т.д. Также должны быть высокими плавность и стабильность регулирования, при этом не нужно забывать,  что регулирование должно проводится при постоянном моменте, для этого при законе регулирования соответствующего U_ном/f_ном=const необходимо регулировать ток возбуждения при изменении момента на валу двигателя по закону       .

 

3.2   Регулирование тока возбуждения СД

3.2.1 Показатели работы СД.

Проведена значительная работа по созданию, исследованию и  внедрению различных систем возбуждения и регулирования СД. Однако в течении длительного времени имелись совершенно различные точки зрения в выборе законов автоматического регулирования и типов систем возбуждения.

В последние годы в связи с развитием полупроводниковой  техники и созданием специальных роторных кремниевых диодов и тиристоров началось интенсивное внедрение в промышленность синхронных электродвигателей с новыми системами возбуждения.

СД обладают рядом преимуществ, к ним относятся:

• способность СД отдавать в сеть реактивную мощность, что является наиболее простым и эффективным способом повышения коэффициента мощности. В этих условиях электрические сети разгружаются от реактивных токов, потребляемых асинхронными электродвигателями, трансформаторами и другими устройствами, в результате чего уменьшаются потери в сетях;
• статическая перегрузочная способность синхронных электродвигателей без учета явнополюсности, зависит от сетевого напряжения линейно, а не квадратично, как у АД.;
• форсировка возбуждения при снижениях напряжения ниже 0,8 номинального. Следовательно, при больших снижениях напряжения сети, работа нагруженного синхронного электродвигателя устойчивее, чем асинхронного;
• возможность применения систем возбуждения с АРВ, обеспечивающими постоянство статической и динамической перегружаемой при изменяющихся режимах работы.

СД находят  широкое применение для электропривода всевозможных механизмов. При этих условиях является особенно важным рациональное использование важнейшей особенности  синхронного электродвигателя возможность  изменения величины и напряжения реактивной мощности и тем самым  осуществления регулирования напряжения в узлах нагрузки. Форсирования возбуждения  при снижениях напряжения до определенной величины, значительно повышает устойчивость работы синхронных электродвигателей.

В связи с тем, что применение новых типов систем возбуждения и АРВ позволяет существенно повысить статическую и динамическую устойчивость работы машин» проектирование синхронных электродвигателей следует производить с пониженными воздушными зазорами и уменьшенными запасами статической перегруженности. Такое комплексное проектирование синхронного электродвигателя вместе с системой возбуждения и автоматическим регулированием возбуждения дает возможность уменьшить вес, габариты и стоимость электродвигателя.

3.2.2  Тиристорный возбудитель серии ВТЕ-315-11.

К системам возбуждения предъявляются  следующие основные требования: 1) высокая  надежность в работе и 2) возможно большая  простота и малая стоимость. Кроме  того, необходимость регулирования  напряжения и обеспечения устойчивой работы синхронных машин налагает на системы возбуждения ряд дополнительных требований.

Возбудитель предназначен для питания обмотки возбуждения, управления и регулирования тока возбуждения при прямом и реакторном пуске, синхронной работе и аварийных режимах синхронных двигателей типа СТД мощностью до 12500 кВт с токами возбуждения до 320 А и напряжением возбуждения до 230 В.

Тиристорное возбуждение  и управление осуществляет следующие  функции:

- возбуждение электродвигателя во всех нормальных режимах работы с ручным и автоматическим регулированием тока возбуждения. Устройство обеспечивает переход с автоматического регулирования на ручное в пределах 0,3-1,41;

• автоматический пуск СД с подачей возбуждения в функции ЭДС (напряжения) в обмотке возбуждения ;
• ограничение угла зажигания силовых тиристоров по минимуму и по максимуму, ограничение тока возбуждения до номинального с выдержкой времени, а также ограничение тока форсировки до 1,4 Т_н без выдержки времени;

- автоматический регулятор возбуждения обеспечивает регулирование тока возбуждения при поддержании напряжения сети со статизмом ±10% или уголом ;

Также в возбудителе ВТЕ-315 - 11 предусмотрено:

- автоматическое переключение с выдержкой времени на аварийный

режим при потере возбуждения;

- автоматическое резервирование оперативного напряжения;

- сигнализация замыкания на "землю" роторной цепи возбудителя;

- сигнализация включения схемы автоматического переключения на

аварийный режим при потере возбуждения.

В возбудителе установлены  также приборы для измерения  параметров системы управления.

Применение управляемых  вентилей - тиристоров позволяет выполнять  быстродействующие и надежные системы  с высокими технико-экономическими показателями. Регулирование мощности в десятки и сотни киловатт может быть осуществлено управляющей мощностью в ватты и доли ватта, что делает возможным снизить вес и габариты устройства управления тиристорного возбудительного устройства (ТВУ) синхронного двигателя СД, содержащая элементы питания, управления, регулирования и их функциональные связи.

На современных  нефтеперекачивающих насосных станциях для управления основными («магистральными») насосными агрегатами предусмотрены: пуск и остановка в автоматическом режиме по заданной программе при закрытой напорной задвижке, при получении команды с местного диспетчерского пункта МДП (операторной) или районного диспетчерского пункта (РДП); раздельное дистанционное управление отдельными элементами агрегата с МДП; местное управление отдельными элементами агрегата вручную непосредственно на месте их установки.

 

3.3   Возможность  работы СТД – 1600 в составе  частотно-регулируемого электропривода

 

С ОАО «Уралтранснефтепродукт»  был сделан запрос о возможности  работы синхронных электродвигателей  типов СТД - 1250 - 2 и СТД - 1600 - 2 в  составе частотно-регулируемого электропривода. Получен следующий ответ:

• рабочий диапазон регулирования частоты вращения синхронных турбодвигателей с вентиляторной нагрузкой (квадратичной зависимостью момента сопротивления приводимого механизма от частоты вращения) при совместной работе с преобразователем частоты в большинстве случаев составляет 50(60) - 100% номинальной частоты вращения;
• на рисунке 3.1 приведены результаты расчётной оценки допустимой мощности на валу электродвигателя типа СТД - 1250 - 2 в указанном рабочем диапазоне частот вращения при совместной работе с преобразователем частоты. Оценка проводилась по условию допустимого нагрева обмоток статора и ротора электродвигателя с учётом ухудшения условий охлаждения электродвигателя при снижении частоты вращения, а также дополнительных потерь в электродвигателе от высших гармоник несинусоидального тока на выходе преобразователя частоты. Учёт влияния дополнительных потерь, обусловленных совместной работой с преобразователем частоты, очевиден для номинальной частоты вращения электродвигателя, для которой допустимая длительная мощность на валу электродвигателя составляет порядка 70-80 % номинальной мощности. Такие же ограничения по мощности будут иметь   место   и   для   электродвигателя   типа СТД- 1600- 2;
• критические    частоты    вращения    электродвигателей   составляют:   265 и294 рад/с - для ЭД типа СТД - 1250; 250 и 275 рад/с - для ЭД типа СТД - 1600.Длительная работа электродвигателей вблизи указанных частот вращения (в пределах ±50 мин^-1) недопустима;
• управление установкой тока возбуждения электродвигателей в режимах частотного пуска и регулирования частоты вращения должен осуществлять преобразователь частоты, для чего требуется доработка существующих базовых статических тиристорных возбудителей типа ВТЕ - 315(ВТЕ - 320) в части корректировки их АРВ.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1 – Зависимость  мощности на валу серийного электродвигателя СТД – 1600 – 2 от частоты вращения:

1. кривая ограничения мощности на валу электродвигателя при вентиляторной нагрузке (при квадратичной зависимости момента сопротивления приводимогомеханизма от частоты вращения);
2. кривая ограничения мощности на валу электродвигателя при совместной работе с преобразователем частоты по условию допустимого нагрева обмоток статора и ротора электродвигателя в диапазоне частот вращения (0,5 - 1,0) М_д.ном.

С учётом того, что электродвигатель типа СТД - 1600 - 2 загружен не полностью, а именно на 75% при максимальной производительности насоса, можно сделать вывод о возможности работы его в составе частотно-регулируемого электропривода.

Для лучшего использования  электродвигателя и получения высоких  энергетических показателей его  работы – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной  способности – одновременно с  частотой необходимо изменять и подводимое к двигателю напряжение.

В дипломном проекте в качестве возможного варианта регулирования частоты СД магистрального насоса рассматриваются:

- преобразователь частоты фирмы ЗАО «Энергокомплект» типа EK-AV6, реализованный на силовых IGBT-транзисторах с многоуровневой ШИМ;

- высоковольтный тиристорный преобразователь частоты ПЧСВ.

Преобразователи частоты  на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 - 10 кВ и выше. Однако их цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.

До недавнего прошлого преобразователи частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.

Тиристор является полууправляемым  прибором: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого в тиристорном преобразователе частоты требуется сложная и громоздкая система управления.

Биполярные транзисторы  с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость,  простая неэнергоемкая система управления, самая высокая рабочая частота