Электродвигатели

Устройства плавного пуска синхронных и асинхронных электродвигателей (ЭД) в последнее десятилетие начали широко применяться для обеспечения плавных и контролируемых пусков и торможений ЭД.
При этом результаты исследований, полученные петербургскими учеными, показывают, что имеются случаи, когда применение этих устройств сопровождается появлением побочных негативных эффектов.

УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Неоднозначность протекающих процессов

Леонид Кучумов, к.т.н.
Антон Кузнецов, к.т.н.
Денис Червочков
ЗАО «НПФ «ЭНЕРГОСОЮЗ»,
г. Санкт-Петербург

Устройства плавного пуска (УПП) содержат включенные в каждой фазе попарно встречно-параллельно тиристорные ключи, позволяющие за счет фазового регулирования влиять на действующее значение первой гармоники напряжения на выводах ЭД. Выбором соответствующей программы изменения напряжения на статорной обмотке ЭД достигается желаемое уменьшение пусковых токов и связанных с ними величин провалов напряжения в питающей сети. Снижаются ударные воздействия на механические части электроприводов.

Но всегда следует иметь в виду, что реализуемый в УПП принцип подачи на ЭД пониженного напряжения неприемлем в случаях, когда пуски при прямой подаче номинального напряжения проходят недостаточно надежно и сопровождаются большими посадками напряжения.

НЕБЛАГОПРИЯТНЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ УПП

Обратим внимание на недостатки технического решения об использовании УПП:

• возникновение при пусках больших гармонических искажений напряжений в питающей сети и особенно на выводах пускаемого ЭД. Вероятность появления резонансных усилений гармоник до неприемлемых уровней при наличии в сети емкостных элементов, например конденсаторных батарей [1, 2];
• появление при пусках значительных по величине колебаний электромагнитных моментов на валу ЭД на частоте 300 Гц;
• появление в сети переменного тока постоянных составляющих токов при реально возможных несимметриях в углах регулирования тиристоров УПП [3].

ОБЪЕКТ И СХЕМА ИЗМЕРЕНИЙ

Обсуждение положительных и негативных эффектов применения УПП проведем, основываясь на результатах проведенных измерений пусков синхронных электродвигателей (СД) с U_ном = 6 кВ и мощностью P_ном = 3150 кВт на одном из промышленных предприятий. Эти относительно тихоходные СД (n_ном = 300 об/мин) по технологическим условиям часто работали в режимах холостого хода с повышенными потерями ΔP_ХХ = 250 кВт, но их останов при этом не производился из-за тяжелых условий повторного пуска. Установка группового УПП для реализации относительно благополучно проходящих плавных пусков СД позволила получить заметную экономию в оплате электроэнергии.

Схема подключения СД к питающей сети при прямых и плавных пусках через соответственно выключатели В_СД и В_УПП показана на рис. 1. Обозначены напряжения и токи, фиксировавшиеся в многоканальном цифровом осциллографе-анализаторе «НЕВА ИПЭ». Использовались широкополосные датчики напряжения (ДН) и тока (ДТ), в том числе типа Холла, для отображения постоянных составляющих напряжений и токов в роторе СД. Выполнялись соответствующие обработки цифровых отсчетов мгновенных значений тока и напряжения с расчетом действующих значений и мощностей сигналов, с выделением их гармонических составляющих.

Рис. 1. Схема измерений при проведении опытов прямого и плавного пусков СД

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Разгон СД, в том числе и при использовании УПП, происходит под воздействием его асинхронного момента, корректируемого в данном случае за счет включения в цепь ротора пускового сопротивления R_СС = 1,6 Ом. По достижении валом СД подсинхронной скорости вместо сопротивления R_СС в цепь ротора подключается возбудитель.

Специфические различия режимных параметров при прямых и плавных пусках СД можно проследить по представленным на рис. 2 и рис. 3 временным зависимостям. На каждом периоде промышленной частоты рассчитывались действующие значения напряжений, токов, а также активных и реактивных мощностей для составляющих первых гармоник. Моменты начала прямого и плавного пусков совмещены, поэтому для различия однотипных переменных введены индексы «пр» и «пл».

Рис. 2. Токи и напряжения в режимах прямого и плавного пусков СД

Рис. 3. Активные и реактивные мощности в режимах прямого и плавного пусков СД

Рис. 4. Токи и напряжения в обмотке возбуждения при плавном пуске СД

В связи с малыми расстояниями от питающих шин до выводов СД измеренные напряжения и мощности на шинах при прямом пуске незначительно отличаются от их значений на выводах СД. Но при плавном пуске включенное в статорную цепь СД устройство УПП, состоящее только из тиристорных ключей, проявляет себя как токоограничивающий реактор для токов основной частоты с сопротивлениями r_{УПП 1} и x_{УПП 1}.

В этом «реакторе» существуют потери напряжения ΔU_{УПП 1} = = U₁ – U_{СД 1}, а также теряются поступающие из энергосистемы мощности ΔP_{УПП 1} = 3 · I²_{СД 1 пл} · r_{УПП 1} и ΔQ_{УПП 1} = 3 · I²_{СД 1 пл} · x_{УПП 1}. В нелинейном устройстве УПП эти мощности преобразуются в потоки реактивных и активных мощностей высших гармоник, идущих от УПП (как генератора этих гармоник) на покрытие неизбежно существующих потерь в сопротивлениях питающей сети и в СД.

Активная величина мощности ΔP_{УПП 1} относительно невелика. Но преобразуемая в высшие гармоники реактивная мощность ΔQ_{УПП 1} = Q_{1 пл} – Q_{СД 1 пл} ≅ 4,3 Мвар является значительной (около 50% от потребляемой из сети реактивной мощности Q_{1 пл}).

При пусках СД в его закороченной на сопротивление R_CC обмотке возбуждения возникают ток i_ОВ(t) и напряжение u_ОВ(t) с переменной частотой, снижающейся от 50 Гц в начале пуска до нуля после синхронизации СД. Информация о сигнале i_ОВ(t) использовалась при определении показанных на рисунках зависимостей от времени скорости вращения n (об/мин) вала СД.

Осциллограммы тока и напряжения обмотки возбуждения при плавном пуске приведены на рис. 4. Эти переменные дополнительно искажены высшими гармониками, инициируемыми УПП, а после завершения пуска – гармониками, создаваемыми преобразователем возбудителя.

Так как в данном конкретном случае УПП используется в качестве группового устройства для поочередного пуска нескольких однотипных электродвигателей, по завершении разгона СД вначале производилось отключение УПП (СД обесточивался), а затем (спустя 0,15 с) СД напрямую подключался к питающей сети. На рис. 2–4 отмечены моменты времени этих коммутаций и момент совершения операции одновременного отключения сопротивления R_СС и подключения возбудителя.

СОПОСТАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПУСКА

Сопоставим режимные параметры при прямом и плавном пуске СД.

Прямой пуск СД длится 3,5 с. Развиваются большие по величинам начальная пусковая и максимальная (при критическом скольжении) мощности соответственно 2 и 6 МВт (см. Р₁(t) на рис. 3). Но под влиянием пускового тока с действующим значением 1600 А (4,8 крат по отношению к I_{СД ном}) и наброса на сеть реактивной мощности Q_{СД 1} = 14 Мвар возникает почти 20%-ный провал напряжения в питающей сети. Из-за наличия в токах пускаемого СД апериодических составляющих ударное (амплитудное) значение тока в одной из фаз достигает величины 4,5 кА (более 9 крат по отношению к √2 · I_{СД ном}).

При плавном пуске СД за счет фазового регулирования тиристорных ключей УПП на выводы СД подается пониженное примерно на 53% напряжение основной частоты. Поэтому почти в 2 раза уменьшаются пусковые токи, наброс реактивной мощности и провал напряжения. В токах подавляются ударные составляющие. Но уменьшаются и пусковые мощности (моменты на валу), плавный пуск становится почти в 4 раза более продолжительным.

Если во время прямого пуска СД гармонические искажения напряжения мало отличались от фоновых значений, характерных для рассматриваемой сети, то при плавных через УПП пусках возникает очаг мощных гармонических возмущений.

Специфические особенности искажений сигналов видны из рассмотрения приведенных на рис. 5 фрагментов осциллограмм переменных, относящихся к фазе А: тока i_СД(t), измерявшихся относительно земли фазных напряжений питающей сети u(t) и на выводах СД u_СД(t), падения напряжения на выводах УПП u_УПП(t) = u(t) – u_СД(t).

Рис. 5. Фрагмент осциллограмм напряжений и тока в фазе А при плавном пуске СД

Фазные токи имеют прерывистый характер. Чрезмерно велики искажения синусоидальности напряжения u_СД(t). Положение усугубляют и высокочастотные колебания напряжений, возникающие при коммутациях тиристоров УПП. Гармонический анализ показывает, что на протяжении 14,5 с плавного пуска коэффициент искажения синусоидальности напряжения в питающей сети находится на уровне K_U = 7%, близком к предельно допустимому по ГОСТу значению 8%. В спектрах тока и напряжений выделяются гармоники кратностей 5, 7, 11 и 13, характерных для сетей с 6-пульсными выпрямителями.

Коэффициент гармонического искажения напряжения u_СД(t), отнесенный к номинальному напряжению СД, достигает сверхвысокого значения K_{U СД} = 80%.

Далее обратим внимание на существование в режимах прямого и плавного пусков СД значительных по величине высокочастотных составляющих электромагнитных моментов. Это наглядно видно из приведенных на рис. 6 осциллограмм и частотных спектров трехфазных мгновенных мощностей p_СД(t) на первых от начала пуска десяти периодах промышленной частоты.

Рис. 6. Трехфазные мгновенные мощности и их частотные спектры в начале прямого (а) и плавного (б) пуска СД

Эти мощности рассчитывались по алгоритму p_СД(t) = = i_A · u_{СД A} + i_B ·u_{СД B} + i_C · u_{СД C}. О свойствах мгновенной мощности p_СД(t) подробно говорится в работе [4]. Её усредненные на интервалах времени T = 0,02 с значения практически совпадают с мощностью P₁(t) на рис. 3, а наличие высокочастотных пульсаций отражает возникающую фазовую неуравновешенность трехфазной цепи.

При прямом пуске вследствие существования еще не затухших апериодических токов в мощности p_СД(t) наибольшие значения имеют составляющие частоты в диапазоне от 0 до 150 Гц, причем пиковое значение этой мощности равно 15 МВт. При плавном пуске из-за шести прерываний фазных токов на протяжении периода промышленной частоты сразу устанавливается режим с размахами колебаний мощности относительно среднего значения ±1,7 МВт на частоте 300 Гц. Степень опасности таких колебаний зависит в каждом конкретном случае от чувствительности к ним вала и других механизмов электропривода.

Наблюдается еще один неблагоприятный фактор, сопутствующий применению УПП: возникновение постоянных токов в трехфазных цепях переменного тока вследствие неизбежно существующих несимметрий углов открытия тиристорных ключей смежных фаз, и тем более при отказах некоторых тиристоров.

В обсуждавшемся выше режиме плавного пуска СД заметных постоянных токов не было, но о возможности их существования с величиной в десятки ампер упомянуто, например в [3]. Недопустимость появления постоянных токов вследствие угрозы насыщения трансформаторов и электродвигателей требует применения отсутствующих сейчас нестандартных и быстродействующих защит, реагирующих на эти сигналы. Анализ условий возникновения и способов борьбы с постоянными токами в трехфазных сетях с силовыми полупроводниковыми устройствами должен быть продолжен.

УСТАНОВКА УПП НЕ ОПРАВДЫВАЕТ ОЖИДАНИЙ

Рассмотренные ранее соображения о положительных и негативных эффектах применения УПП сопровождались иллюстрациями вполне успешного плавного пуска СД. Но известны и случаи явно неоправдавшихся ожиданий от применения УПП в относительно маломощных сетях с глубокими посадками напряжений и при больших требуемых пусковых моментах для начала разворота СД.

На рис. 7 и 8 показаны результаты измерений специфически протекавших процессов при плавном пуске через УПП от сети 10 кВ присоединенного через протяженную кабельную линию СД мощностью 5 МВт электропривода насосного агрегата. Обозначения переменных здесь такие же, как и в ранее обсуждавшихся процессах плавного пуска.

Рис. 7. Ток, напряжение и коэффициент гармонических искажений K_u при плавном пуске СД 5 МВт от сети 10 кВ

Рис. 8. Временная зависимость мощностей при плавном пуске СД 5 МВт

С целью подавления провоцирующих гидроудары бросков электромагнитных моментов вначале на СД подается напряжение с действующим значением U_СД = 6,9 кВ, пониженным на 30% по сравнению с номинальным. Но при этом СД не способен начать разворачиваться, поскольку в этом искаженном гармониками напряжении составляющая основной частоты, влияющая на формирование электромагнитного момента, оказывается малой (U_{СД 1} ≅ 1,4 кВ). И только спустя 2,5 с после предельно возможного в данном случае подъёма напряжения до уровня U_СД ≅ U_{СД 1} = 8,2 кВ за счет перевода тиристоров УПП в непрерывное проводящее состояние разгон СД начинается и через 9,3 с успешно заканчивается.

В результате пусковой ток СД, потребляемые реактивные мощности Q₁ и Q_{СД 1}, а также провал напряжения в сети только на 10% в меньшую сторону отличаются от подобных параметров при прямом пуске СД. К тому же показанный на рис. 7 коэффициент искажения синусоидальности напряжения K_U (t) на питающих шинах 10 кВ на протяжении 12 с от момента подачи напряжения на СД до завершения его разгона почти в 2 раза превышает указанное в стандарте предельно допустимое значение 8%.

В трехфазных мощностях p_СД(t) (моментах на валу) из-за высших гармоник в токах и напряжениях существуют мощные пульсации с доминирующей частотой 300 Гц (сигнал p_СД(t) на рис. 8).

Настораживает также и факт существования длительного (2,5 с) заторможенного состояния СД с поданным на его выводы напряжением, когда в обмотках СД и в пусковом сопротивлении R_СС невентилируемого СД выделяется средняя мощность порядка 1 МВт.

Заметим, что на других обследованных объектах с применением УПП наблюдались и более тяжелые условия протекания плавного пуска ЭД. Наиболее вероятны подобные случаи при наличии в цепях ЭД токоограничивающих реакторов или промежуточных трансформаторов, которые включаются при отличиях номинальных напряжений сети и ЭД.

Например, при пуске от сети 10 кВ СД насосной станции с параметрами U_ном = 6 кВ, P_ном = 2 МВт и n_ном = 500 об/мин через согласующий трансформатор и УПП двигатель начал раскручиваться только спустя 6,5 с от начала подачи на него напряжения. При этом несколько секунд напряжение на выводах СД было предельно высоким, но из-за повышенной реактивности сети еще недостаточным для развития необходимого электромагнитного момента на валу СД. По окончании плавного пуска наблюдался близкий к предельно допустимому перегрев обмотки СД и пускового сопротивления R_СС.

Всё вышесказанное свидетельствует о нецелесообразности применения УПП в маломощных сетях. При острой необходимости предпочтение следует отдать более дорогим устройствам частотного пуска ЭД.

ВЫВОДЫ

1. Область применения относительно дешевых устройств УПП для осуществления плавных пусков электродвигателей ограничена, поскольку реализуемый в данном случае принцип понижения напряжения на выводах СД возможен и эффективен только на объектах, на которых имеются легкие условия при прямых пусках.
2. Применению УПП в каждом конкретном случае должен предшествовать анализ допустимости появления в сети хотя и кратковременных, но чрезвычайно мощных источников гармонических возмущений в напряжениях, токах и воздействующих на вал электромагнитных моментах.
3. Необходимо продолжить исследования малоизученных вопросов о появлении в сети переменного тока постоянных токов при возникновении пофазных несимметрий управления тиристорными ключами УПП, способов распознавания таких токов и построения соответствующих защит.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов А.В., Фоменко В.В. Экспериментальное исследование переходных процессов при пуске двигателя в 6,3 МВт от тиристорного пускового устройства на Оренбургском газоперерабатывающем заводе // Электро. 2008. № 2.
2. Гапон Д.А., Бедерак Я.С. Особенности режима питающей сети во время плавного пуска мощных синхронных двигателей // Промышленная энергетика. 2014. № 2.
3. Петухов В.С., Соколов В.А. Повреждения трансформаторов и электродвигателей. Причина – в системе плавного пуска // Новости ЭлектроТехники. 2005. № 2(32).
4. Кучумов Л.А., Кузнецов А.А., Сапунов М.В. Трехфазная мгновенная мощность линии как представительный сигнал при анализе энергетической эффективности и диагностике неисправности электрооборудования // Промышленная энергетика. 2007. № 4.