logo
+7 (499) 755-96-83
info@en-res.ru
Статьи / Частотно-регулируемый электропривод – как универсальное средство управления насосным агрегатом
bg-03-7
g-03-8

Частотно-регулируемый электропривод – как универсальное средство управления насосным агрегатом

В 2011 г. специалистами НПП «ЭОС», ОАО «Насосэнергомаш» и ОАО «ВНИИАЭН» в г. Сумы были проведены комплексные испытания насосного агрегата, состоящего из насоса НМ 7000-250-3.1 и электродвигателя 5АЗМВ- 5000/10000 У2,5, управляемого устройством автоматического регулирования на основе преобразовательно-трансформаторного оборудования типа ПЧТЭ- 5000-ТВ для частотно-регулируемого электропривода. Испытания показали также снижение вибраций в агрегате при снижении оборотов привода. Регулирование скорости вращения насоса может быть обеспечено двумя основными способами:

1. Частота вращения двигателя остается постоянной, а скорость вращения насоса регулируется за счет изменения скольжения в передаточном механизме (муфте). Наиболее распространенным устройством является гидромуфта.

2. Изменяется скорость вращения электродвигателя и жестко связанного с ним насоса. Наиболее распространенным устройством является частотно- регулируемый электропривод (ЧРП).

Проведем сравнение ЧРП и гидромуфт

1. Коэффициент полезного действия. Для расчета к.п.д. в гидромуфте учитываются потери в гидромуфте и охладителе масла, а в ЧРП – в преобразователе частоты, трансформаторах и вентиляторе охлаждения. Для примера рассмотрим гидродинамическую муфту с регулируемым заполнением [4]. Структура гидромуфты приведена на рис. 4.

8

Частотно-регулируемый электропривод - как универсальное средство управления насосным агрегатом

Энергетические характеристики гидромуфты для центробежных машин приведены на рис. 5.

9

Частотно-регулируемый электропривод - как универсальное средство управления насосным агрегатом

Исходя из этого, к.п.д. гидромуфты при регулировании скорости вращения нагрузки равен:

10

Частотно-регулируемый электропривод - как универсальное средство управления насосным агрегатом

Таким образом, к.п.д гидромуфты падает прямо пропорционально относительной скорости насоса. Например, при скорости насоса 50% от номинальной, к.п.д. гидромуфты снижается до 50%.

Для частотно-регулируемых электроприводов в номинальном режиме к.п.д. составляет не ниже 96% и в рабочем диапазоне практически не снижается.

2. Пусковой ток электродвигателя.

  • Для гидромуфт ток при прямом пуске в 5 – 7 раз больше номинального, даже когда двигатель пускается без нагрузки. При прямом пуске без использования частотно-регулируемого электропривода создаются ударные воздействия на лобовые части обмоток статора и питающую сеть, вызывающие сокращение срока службы электрооборудования и увеличивающие расходы на ремонт.
  • Частотно-регулируемый электропривод обеспечивает пуск двигателя центробежного насоса с током, не превышающий номинального.

3. Точность регулирования технологических параметров.

ЧРП обеспечивает высокую точность управления основными технологическими параметрами насоса – подачей и напором (давлением) по сравнению с другими средствами регулирования. Механические средства имеют изначально люфт. Например, для задвижек, из-за наличия трущихся компонентов он составляет примерно 2%. Эти люфты в процессе эксплуатации возрастают из-за износа механических частей, засорения и т.д.

4. Системная интеграция.

ЧРП обеспечивают цифровую коммуникацию и хорошую совместимость с АСУ ТП верхнего уровня (SCADA). Это позволяет не только обеспечить только более точные сигналы для привода, но и проводить мониторинг таких данных двигателя в режиме реального времени, как скорость, мощность, ток, напряжение, температура, неисправности и т.д., отображать их на дисплее оператора, быть составной частью интегральной автоматизированной системы предприятия.

5. Статус двигателя.

При работе с гидромуфтой двигатель всегда вращается с полной скоростью и выделяет тепло в соответствии с текущим значением к.п.д. – При работе в составе ЧРП двигатель вращается с переменной скоростью, при этом уровень напряжения и частоты меньше, чем у источника питания. В результате меньшее выделение тепла из-за меньших потерь энергии в двигателе. Увеличивается срок службы подшипников двигателя пропорционально седьмой степени снижения частоты. Поэтому в результате обеспечивается больший срок службы двигателя.

6. Уход от критических частот в нагрузке.

  • Для гидромуфт невозможен. Необходимо отстраивать их при номинальной частоте вращения.
  • Для ЧРП возможен уход от критических частот.

7. Возможность байпасирования.

  • В случае неисправности или нерабочего состояния гидромуфты, нагрузка не может быть быстро подключена напрямую к двигателю и технологический процесс должен быть остановлен.
  • В случае неисправности или нерабочего состояния ЧРП двигатель может быть подключен напрямую от сети при помощи байпаса и технологический процесс не останавливается.

8. Защита двигателя.

  • Для гидромуфт требуется отдельная от устройств релейной защиты.
  • В ЧРП имеется встроенная защита двигателя с функцией защиты от тепловой перегрузки, перегрузки по току и т.д. Не требуется отдельная релейная защита.

9. Загрязнение окружающей среды

В муфтах используется большое количество масла, которое необходимо периодически заменять. При работе от ЧРП отсутствует.

10. Воздействие на электрическую сеть:

  • электродвигатель гидромуфты не вносит гармонических искажений питающую сеть.
  • частотно-регулируемый электропривод вносит гармонические искажения в питательную сеть. Однако, для современных частотно-регулируемых электроприводов уровни этих искажений являются минимальными и соответствуют нормам электромагнитной совместимости.

Таким образом, ЧРП являются более эффективным и современным средством для управления насосными агрегатами.

Важным аспектом оценки эффектности внедрения частотно-регулируемых электроприводов является анализ стоимости жизненного цикла (Life Cycle Cost) насосного оборудования.

В общем случае, стоимость жизненного цикла насосных агрегатов определяется по формуле:

11

Частотно-регулируемый электропривод - как универсальное средство управления насосным агрегатом

где:

Cic – Стоимость начальных инвестиций (Initial Investment Cost);

Cin – Стоимость монтажных и пусконаладочных работ (Installation and Commissioning (Start-up) Cost);

Ce – Стоимость электроэнергии (Energy Cost);

Co – Операционные расходы (Operation Cost);

Cm – Расходы по обслуживанию и ремонту (Maintenance and Repair Cost);

Cs – Стоимость простоя и потери продукции (Downtime and Loss of Production Cost);

Cenv – Расходы за загрязнение окружающей среды, включая на обращение с использованными частями и загрязнение от перекачиваемой жидкости (Environmental Cost, Including Disposal of Parts and Contamination from Pumped Liquid);

Cd – Расходы на вывод из эксплуатации/обращение с выведенным из эксплуатации оборудованием, включая восстановление местной окружающей среды (Decommissioning/Disposal Cost, Including Restoration of the Local Environment).

Эффективный срок службы насосного оборудования обычно составляет 30-40 лет. Как показывает опыт в общей стоимости жизненного цикла насосных агрегатов средней и большой мощности наибольшую долю занимают стоимость электроэнергии (35- 45%) и расходы по обслуживанию и ремонту (25- 35%). Стоимость начальных инвестиций составляет около 5 – 10%, остальное приходится на другие виды расходов [3].

Внедрение ЧРП вызывает увеличение стоимости начальных инвестиций Cic и монтажных и пуско-наладочных работ Cin, по сравнению с другими средствами. Однако это многократно перекрывается снижением других расходов, как было рассмотрено выше:

  • Стоимость электроэнергии Ce на 25 – 60%.
  • Операционные расходы Co. Благодаря автоматизации технологических процессов и сопряжению со SCADA операционные расходы снижаются.
  • Расходы по обслуживанию и ремонту Cm. Благодаря плавному безударному пуску с номинальными токами и длительной работе с частотой вращения, менее номинальной эти расходы значительно снижаются.
  • Стоимость простоя и потери продукции Cs. Благодаря повышению надежности работы оборудования стоимость снижается, в том числе за счет байпасирования.
  • Расходы из-за загрязнения окружающей среды Cenv. Благодаря отсутствию масла по сравнению с гидромуфтами расходы снижаются. – Вывод из эксплуатации Cd. Оборудование содержит ценные черные и цветные металлы, которые при утилизации можно реализовать с дополнительной прибылью, и не содержит вредных для окружающей среды веществ, например масел, как это имело бы в случае с гидромуфтами.

В целом внедрение ЧРП обеспечивает значительное снижение стоимости жизненного цикла насосного оборудования и существенно решает проблемы энерго- и ресурсосбережения.

Большое значение имеет выбор типа частотно-регулируемого электропривода, особенно для насосных агрегатов большой мощности. Для мощных приводов (свыше 1000 кВт) наибольшее распространение получили две основные топологии ЧРП:

1. Многоуровневые схемы на основе автономных инверторов напряжения (МУ АИН).

Устройство содержит большое количество низковольтных силовых ячеек, подключенных по входу к вторичным обмоткам многообмоточного трансформатора.

Схема многоуровневого частотно-регулируемого электропривода для выходного напряжения 6 кВ приведена на рис. 6.

12

Для обеспечения больших выходных напряжений необходимо увеличивать количество ячеек и обмоток трансформатора. Величина выходного тока ограничивается нагрузочной способностью одной ячейки.

2. Многопульсные схемы на основе автономного инвертора тока (МП АИТ).

Устройство содержит низковольтные блоки, каждый из которых включает в себя управляемый выпрямитель УВ, сглаживающий дроссель Др и автономный инвертор тока АИТ. Они по входу и выходу подключены к многообмоточным трансформаторам Тр. 12-ти пульсная схема частотно- регулируемого электропривода на основе автономного инвертора тока приведена на рис. 7.

13

Для увеличения пульсности и величины выходного тока нужно увеличивать количество блоков и обмоток трансформатора. Величина выходного напряжения не ограничена. Рассмотрим сравнительные характеристики этих типов ЧРП.

Частотно-регулируемый электропривод - как универсальное средство управления насосным агрегатом

Частотно-регулируемый электропривод - как универсальное средство управления насосным агрегатом

Рассмотрим сравнительные характеристики этих типов ЧРП

1. Воздействие на электродвигатель и насос.

МУ АИН имеют практически синусоидальный ток, а напряжение таких преобразователей имеет форму многоступеньчатой широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Многоступеньчатая ШИМ вызывает проблему высокой скорости нарастания напряжения на двигателе (dU/dt), что требует изготовления специальных двигателей с усиленной изоляцией обмоток. Вторым негативным фактором является наличие высокочастотного синфазного сигнала в двигателе. Синфазный сигнал – это изменение потенциала нейтрали двигателя относительно земли (напряжение нулевой последовательности). При коммутациях в преобразователе частоты в зависимости от комбинации включенных полупроводниковых приборов в инверторе потенциал нулевой точки двигателя постоянно изменяется, вызывая синфазный сигнал. Особенно опасен высоковольтный высокочастотный сигнал. Он протекает через подшипники двигателя, вызывая их эрозию и быстрый выход их из строя [5].

Вторым контуром протекания токов нулевой последовательности может быть путь через муфту на насос. Особенно опасным это может быть для насосов, перекачивающих токопроводящие или горючие жидкости, такие как вода или нефть с примесью минеральных солей.

Для решения этих проблем существует 2 метода:

1.1. Установка специальных двигателей, предназначенных для работы от преобразователей частоты. Такие двигатели имеют следующие свойства:

– Используется специальная система изоляции; – При помощи внедрения изолированных с обеих сторон подшипников и устройства шунтирования на землю высокочастотных напряжений на стороне, противоположной валу двигателя, подавляются токи нулевой последовательности в подшипниках;

Кроме того, для защиты насоса от прохождения через него токов нулевой последовательности рекомендуется использование изолированных муфт. Помимо этого, для соединения преобразователя с двигателем требуется использование специального экранированного кабеля, а места его подсоединения к двигателю и шкафу преобразователя должны быть герметичны.

1.2. Для работы со стандартными двигателями рекомендуется установка синусоидальных фильтров. Эти фильтры вносят дополнительные потери и снижают общий к.п.д. МУ АИН.

МП АИТ содержат входные и выходные согласующие трансформаторы.

Они обеспечивают синусоидальное напряжение и практически синусоидальный выходной ток. Благодаря наличию выходного трансформатора в двигателе и насосе отсутствуют какие-либо токи нулевой последовательности. При этом реализуется высокоэффективный экономический закон регулирования двигателя, обеспечивающий оптимальные энергетические характеристики серийных двигателей. Для соединения между преобразователем и двигателем могут использоваться стандартные неэкранированные кабели.

2. Надежность работы

2.1. Силовые ячейки МУ АИН содержат, как правило, электролитические конденсаторы. Эти конденсаторы имеют короткий срок службы (5 – 7 лет) и очень чувствительны к перенапряжениям. В аномальных процессах разряд этих конденсаторов сложно приостановить.

Силовые блоки МП АИТ содержат сглаживающие дроссели, срок службы которых практически не ограничен. Эти дроссели эффективно ограничивают токи в любых аномальных режимах.

2.2. Силовые ячейки МУ АИН, соединенные последовательно между собой, содержат в инверторах транзисторы. В случае выхода из строя одного такого транзистора последовательная цепь размыкается, а вся ячейка становится неработоспособной. Для того, чтобы весь преобразователь оставался работоспособным, вводят N+1 резервирование, а на каждую ячейку ставят специальный шунтирующий элемент, чтобы при выходе из строя ячейки устранить разрыв цепи.

2.3. Силовые блоки МП АИТ содержат тиристоры с мягким восстановлением. Эти тиристоры имеет высокую перегрузочную способность, минимизируют перенапряжения при коммутации, а в случае выхода их из строя цепь становится замкнутой. В схеме отсутствует последовательное соединение, поэтому N+1 резервирование и шунтирующие элементы не требуются. Все это снижает общее количество полупроводниковых приборов в схеме и повышает общую надежность.

2.4. В случае неисправности преобразователя или при проведении регламентных работ должна быть предусмотрена возможность прямого подключения двигателя питающей сети 6 или 10 кВ. Для сети 6 кВ обе топологии ЧРП в равной степени обеспечивают такую возможность.

Но из-за резкого возрастания количества ячеек и обмоток выходного трансформатора МУ АИН для 10 кВ становятся очень громоздкими и практически не применятся. Поэтому при питающей сети 10 кВ используется преобразователь и приводной двигатель напряжением 7,2 кВ.

Байпасирование в таком случае невозможно.

МП АИТ не имеют ограничений по выходному напряжению, поэтому байпасирование на 10 кВ возможно.

Все эти факторы указывают на большую надежность работы МП АИТ по сравнению с МУ АИН.

3. Энергетические показатели в различных режимах работы.

К.п.д. полного комплекта ЧРП различных типов, включая трансформаторы, в двигательном режиме довольно близки. Снижает уровень к.п.д. наличие синусоидальных фильтров для МУ АИН.

МУ АИН конструктивно не допускают динамического торможения, а реализация рекуперативного торможения, хотя и указана как возможная опция в самых совершенных моделях, но практически не применяется ввиду чрезвычайной сложности схемы и алгоритмов управления. На практике они могут тормозить двигатель с очень медленным темпом, чтобы не допустить перенапряжения на электролитических конденсаторах звена постоянного тока и перегрева двигателя, где и рассеивается вся энергия торможения. Т.е. такие ЧРП могут пускать двигатель, но имеют проблемы с управлением торможения насосов. При этом резко возрастает опасность попадания насоса в зону критических частот. Энергетическая характеристика таких схем в режиме торможения невысокая.

МП АИТ обеспечивают режим рекуперативного торможения. Это позволяет динамично управлять торможением насосов, возвращая кинетическую энергию насоса и входящего в него потока жидкости в питающую сеть. Таким образом, МП АИТ обеспечивают более высокие энергетические показатели.

4. Минимальный уровень гармонических искажений, генерируемых в питающую сеть.

МУ АИН имеют по входу многопульсную схему, которая позволяет удалить гармоники нижнего порядка. Но при этом резко возрастает уровень высокочастотных гармоник, вызванный наложением коммутаций множества последовательно соединенных выпрямительных мостов.

МП АИТ выполнены по 12-ти пульсной схеме, а больших мощностей – по 24-ти пульсной схеме и обеспечивают минимальное искажение входного напряжения. При этом остаётся незначительным и уровень высших гармоник.

Эти типы преобразователей отвечают, в общем, современным требованиям по электромагнитной совместимости с сетью в части гармонических искажений.

Учет всех перечисленных выше особенностей поможет оптимально выбрать оборудование для управления насосными агрегатами.


Международный форум “НАСОСЫ-2011” Семинар “ЭККОН-11”

Авторы: Бару А.Ю., Педан Е.А., Поповский В.А., Шинднес Ю.Л., Твердохлеб И.Б


©2012-2017 НТЦ Энерго-Ресурс