 |
Проблема изменения скорости движения элементов различных машин и механизмов
с целью экономии электроэнергии решается путем применения регулируемых электроприводов. Их использование позволяет существенно снизить потребление электроэнергии
и одновременно улучшить условия работы и продлить срок службы двигателей и механизмов благодаря исключению динамических ударов и ограничению тока в обмотках. Об особенностях автоматизации электроприводов двигателей среднего напряжения рассказывают специалисты чебоксарского НИИ релестроения.
ДВИГАТЕЛИ
СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ (3–10 кВ)
ОСОБЕННОСТИ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Михаил Шамис, к.т.н.,
Маркс Альтшуллер, к.т.н.,
Игорь Ушаков, инженер,
ОАО «ВНИИР»,
г. Чебоксары
Успехи силовой электроники в создании IGВТ-транзисторов на напряжение 1200–1700 В явились основой произошедшего качественного скачка в производстве регулируемых электроприводов переменного тока низкого напряжения (220–500 В). В 80–90 годах ХХ века началось их широкое внедрение в промышленность.
По своим техническим характеристикам частотно-регулируемые электроприводы на базе асинхронных, вентильных, вентильно-индукторных двигателей не уступают электроприводам с двигателями постоянного тока, но превосходят их по экономическим показателям и надежности. Быстрое распространение частотно-регулируемых электроприводов в промышленности, особенно в металлообрабатывающей, объясняется тем, что они позволяют улучшить старые и создать новые технологические процессы с глубокой автоматизацией. Основной экономический эффект от их внедрения создается за счет новой технологии и частично за счет экономии электроэнергии.
А вот автоматизация электроприводов с двигателями среднего напряжения требует значительных капиталовложений, которые окупаются в основном за счет экономии электроэнергии. Электронное устройство управления крупных электрических двигателей выполняется на базе импортных силовых полупроводниковых приборов: IGВТ-транзисторов, запираемых и фазоуправляемых тиристоров на напряжение 6–8 кВ и токи от 100 до 2500 А. Эти приборы достаточно дороги, и фирмы не обещают снижения цен на них в ближайшее время. К сожалению, отечественных приборов такого уровня по напряжению, токам и качеству пока нет.
Анализ ситуации в секторе электроприводов большой мощности, выполненный по ряду публикаций в зарубежных и отечественных изданиях, показал, что создание и начало широкого внедрения современных регулируемых электроприводов (РЭП) и устройств плавного пуска (УПП) для электродвигателей с напряжением 3–10 кВ за рубежом пришлось на начало 90-х годов прошлого века. В 2001–2003 гг. об аналогичных разработках сообщили и российские производители —
ОАО «ВНИИР», «Триол», «Веспер», «ВЭИ Ансальдо».
По экспертным оценкам, в различных отраслях промышленности и в ЖКХ РФ находится в эксплуатации более 16 тысяч электродвигателей мощностью 0,3-5 МВт напряжением 6 и 10 кВ. Но лишь незначительная часть из них оборудована регулируемым электроприводом, в основном иностранного производства.
Способы экономии электроэнергии
Около 90% двигателей среднего напряжения приводят во вращение механизмы с «вентиляторной» нагрузочной характеристикой. Это насосные агрегаты водоснабжения, транспортировки нефти и других жидкостей, компрессоры сжатого воздуха и газов, вентиляторы, нагнетатели воздуха и т.д. Экономия электроэнергии при эксплуатации этих механизмов может быть получена несколькими путями:
- а) за счет регулирования скорости отдельных двигателей;
- б) за счет уменьшения числа работающих двигателей в выходные дни, во время технологических пауз и при снижении нагрузки. Включение их в работу должно выполняться с помощью УПП для исключения бросков тока и динамических ударов;
- в) при комбинированном способе управления группой из нескольких насосных агрегатов с регулированием скорости одного двигателя (например, для одного двигателя устанавливается устройство регулирования скорости, а для всех остальных — одно устройство плавного пуска).
Асинхронные и синхронные двигатели для указанных механизмов разрабатывались для длительных режимов работы. Они допускают ограниченное число пусков за период эксплуатации. Большие пусковые токи (6–8-кратные), создающие глубокие просадки питающего напряжения, а также возникающие в переходных процессах динамические нагрузки в двигателе и механизмах, не позволяют часто отключать и включать эти двигатели. Ударные моменты, возникающие при прямых включениях двигателя в сеть, зависят от угла сдвига момента замыкания контактов выключателя относительно нуля синусоиды.
В самом неблагоприятном случае — при замыкании контактов в начале синусоиды — ударный момент может в 3–4 раза превысить каталожный критический момент двигателя и в 7–10 раз — номинальный момент.
Известно много случаев, когда в процессе прямого включения в сеть двигателей насосных агрегатов и компрессоров срезались шпонки, выходили из строя турбины. Поэтому желание эксплуатационного персонала останавливать такие энергоемкие агрегаты, например в ночное время, может привести к серьезным авариям.
Применение силовых полупроводниковых устройств для плавного пуска и регулирования скорости двигателей среднего напряжения (УБПВД) позволяет при правильном выборе силовой схемы получить существенное энерго– и ресурсосбережение при минимальном сроке окупаемости. Опыт ОАО «ВНИИР» (институт за последние годы изготовил и поставил заказчикам более 30 устройств типа УБПВД для плавного пуска насосов и компрессоров, причем большинство из них применяется для последовательного пуска 3–6 агрегатов), показывает, что средний срок окупаемости этих установок составляет 6–9 месяцев. Например, на Минском тракторном заводе устройство УБПВД, используемое для последовательного пуска трех двигателей СТД (1500 кВт, 6 кВ) ком-прессоров К-240, окупилось за 6 месяцев.
Схемы устройств плавного пуска
Для плавного пуска синхронных двигателей механизмов с большим начальным моментом или значительным моментом инерции может быть использована схема «вентильного двигателя» на базе высоковольтных тиристоров (рис.1).
 Рис. 1. Схема вентильного двигателя на базе высоковольтных тиристоров.
Коммутация тиристоров инвертора до частоты 3–5 Гц в устройстве УБПВД-С, выполненном по этой схеме, производится за счет прерывания тока инвертора при переводе выпрямителя в инверторный режим и выключении его тиристоров, а на больших частотах за счет ЭДС двигателя. После выхода двигателя на синхронную скорость устройство шунтируется высоковольтным выключателем. Для пуска асинхронных двигателей подобных механизмов можно использовать не дорогой транзисторный преобразователь частоты, а более дешевый — тиристорный преобразователь с непосредственной связью с сетью, например, типа УБПВД-М (рис. 2).
 Рис. 2. Тиристорный преобразователь типа УБПВД-М.
До частоты 30–32 Гц в устройстве осуществляется частотный пуск с плавным изменением частоты и напряжения. При этом пусковой момент пропорционален току. На более высоких частотах устройство переходит в режим работы тиристорного пускателя, при котором плавно поднимается напряжение.
Различные модификации устройств плавного пуска двигателей среднего напряжения, кроме ОАО «ВНИИР», выпускает целый ряд российских фирм: «Триол», «Веспер», «НТЦ Приводная техника», а также западные компании АВВ и Siemens.
В целях экономии энергоресурсов при работе крупных механизмов с «вентиляторной» характеристикой, эксплуатируемых в длительных режимах, необходимо использовать различные типы устройств регулирования скорости двигателей. Производительность этих агрегатов пропорциональна скорости вращения двигателя (при отсутствии противодавления), а потребляемая энергия находится в кубичной зависимости от скорости.
Три схемы устройств регулирования скорости
Из опыта эксплуатации насосных и вентиляторных агрегатов известно, что средняя экономия электроэнергии при регулировании скорости двигателей этих агрегатов составляет 25–30% при снижении производительности на 10–15%. Существует несколько видов устройств регулирования скорости двигателей среднего напряжения. Они отличаются как по принципам их работы и типу регулируемого двигателя, так и по объему необходимых капиталовложений. Остановимся на трех основных типах данных устройств.
1. Устройство регулирования скорости асинхронного двигателя с фазным ротором по схеме асинхронно-вентильного каскада (рис. 3).
 Рис. 3. Схема асинхронно-вентильного каскада.
Двигатели с фазным ротором широко применяются для насосов водоснабжения коммунальных систем, мощных воздуходувок, шахтных вентиляторов и т.д. При регулировании скорости этих двигателей вниз от номинальной энергия скольжения возвращается обратно в сеть. Недостатками этой системы являются снижение cosj при регулировании (правда, сейчас предприятия не платят энергосистеме за снижение cosj), наличие колец и щеточных контактов у двигателя, отсутствие мощных двигателей на 3000 об/мин. По капиталовложениям эта схема наиболее дешевая.
2. Для регулирования скорости синхронных двигателей насосных агрегатов может быть использована схема «вентильного двигателя» с электромагнитным возбуждением, например, УБПВД-С ОАО «ВНИИР» (г. Чебоксары) или аналогичные устройства компаний «Электровыпрямитель» (г. Саранск), «ВЭИ-Ансальдо» (рис. 1). Однако эта схема может быть применена только в том случае, если номинальная мощность двигателя на 20–25% превышает потребляемую насосом мощность. Средняя цена устройства такого типа составляет 25–35 долларов США за кВт для двигателей напряжением 6–10 кВ мощностью 1–2 МВт.
3. Наиболее известной и обладающей наилучшими энергетическими показателями является схема преобразователя частоты для управления асинхронным короткозамкнутым двигателем. В настоящее время западные фирмы в основном используют преобразователи частоты с инвертором напряжения.
Основой указанных электроприводов является трех-пяти– уровневый преобразователь частоты (ПЧ), выполненный на высоковольтных полностью управляемых полупроводниковых приборах (рис. 4).
 Рис. 4. Трех-пятиуровневый преобразователь частоты.
Для отвода тепла от силовых полупроводниковых приборов используются охладители специальных конструкций с водяным или принудительным воздушным охлаждением.
ПЧ производства таких зарубежных фирм, как Allen Bradley, General Electric, Ansaldo и Danfoss, выполнены преимущественно на GТО-тиристорах, АВВ и Toshiba — на IGСТ-тиристорах, Siemens и Mitsubishi — на IGВТ-транзисторах. При этом IGВТ-транзисторы способны работать с более высокой частотой по сравнению с GТО и IGСT-тиристорами, что позволяет получить более качественное напряжение на выходе ПЧ.
На вход ПЧ поступает постоянное напряжение, получаемое с помощью 12–24-пульсных выпрямителей и специальных согласующих трансформаторов. Такое построение выпрямителей позволяет минимизировать искажения напряжения питающей сети, создаваемые при работе РЭП. Это обстоятельство создает благоприятные условия для работы иных потребителей электроэнергии.
В ряде случаев выпрямители выполняются по 6-пульсной схеме и подключаются через мощные фильтры к питающей сети непосредственно. Последнее техническое решение продиктовано экономическими соображениями и более высоким допустимым уровнем искажений в питающей сети (чаще всего автономной).
Только цифры
Сегодня в России внедрение эффективных ресурсосберегающих технологий сдерживается высокой стоимостью импортных РЭП большой мощности. Это часто связано с необходимостью закупки полного комплекта фирменного оборудования, включающего трансформаторы, ПЧ, реакторы, двигатель. Удельная стоимость импортных РЭП мощностью 0,3–5 МВт составляет 150–350 USD/кВт (в зависимости от комплектности поставки и мощности). Стоимость отечественных РЭП указанной мощности с учетом наличия у заказчика высоковольтной ячейки, реакторов и электродвигателя составляет 80–120 USD/кВт. Срок окупаемости РЭП отечественного производства, определяемый экономией электроэнергии от их применения, составляет от 1 года до 2 лет в зависимости от объекта внедрения. С учетом экономии других ресурсов срок окупаемости может оказаться существенно меньше.
В настоящее время в ЖКХ и в электроэнергетике износ основного насосного оборудования превышает 60%. Внедрение на насосных и вентиляторных агрегатах устройств плавного пуска и регулируемых электроприводов позволит значительно продлить сроки их эксплуатации.
Проведенный в 1999–2000 годах энергоаудит собственных нужд 50 тепловых электростанций позволил дать экспертные оценки по количеству и номенклатуре механизмов собственных нужд, оснащение которых регулируемым электроприводом наиболее перспективно, а также определить расчетную экономию электроэнергии [1]. К примеру:
- для питательных насосов с суммарной установленной мощностью регулируемых электроприводов 727 825 кВт расчетная экономия электроэнергии составит 12 737 000 тыс. кВт•ч;
- для дутьевых вентиляторов с суммарной установленной мощностью регулируемых электроприводов 185 300 кВт расчетная экономия электроэнергии составит 389 136,3 тыс. кВт•ч;
- для дымососов с суммарной установленной мощностью регулируемых электроприводов 252 000 кВт расчетная экономия электроэнергии составит 442 030 тыс. кВт•ч;
- для сетевых насосов с суммарной установленной мощностью регулируемых электроприводов 211 575 кВт расчетная экономия электроэнергии составит 3 248 625 кВт•ч.
Подводя итог
Внедрение на мощных механизмах с двигателями среднего напряжения устройств плавного пуска и регулирования скорости позволит получить значительную экономию электроэнергии и продлить срок эксплуатации этих агрегатов.
Срок окупаемости капитальных затрат при правильном выборе системы пуска и регулирования скорости двигателей среднего напряжения не превышает двух лет для регулируемых электроприводов и 6–9 месяцев для устройств плавного пуска.
Литература
1. Лазарев Г.Б. Опыт и перспективы применения частотно-регулируемых асинхронных электроприводов в электроэнергетике России // Новости приводной техники. – М., 2003. – №
| 
|
