logo
+7 (499) 755-96-83
info@en-res.ru
Статьи / Высоковольтные устройства плавного пуска синхронных и асинхронных электродвигателей
bg-03-7
g-03-8

Высоковольтные устройства плавного пуска синхронных и асинхронных электродвигателей

В статье рассматриваются устройства плавного пуска для электродвигателей, позволяющие устранить недостатки, имеющиеся при прямом подключении к сети.

Парк двигателей переменного тока в различных отраслях весьма велик, при этом большинство из них до сих пор включаются в работу путем прямого подключения к сети. Известно, однако, что метод пуска асинхронных или синхронных электродвигателей прямым подключением к сети имеет три серьезных недостатка – влияние на сам двигатель, на сеть и на технологический процесс.

Влияние на сам двигатель. Пиковые броски тока в переходном процессе пуска (6-7-кратные по отношению к номинальному) приводят к значительным усилиям на проводники, расположенные в лобовых частях обмотки электродвигателя, и как следствие – к ослаблению бандажирования обмотки, постепенному нарушению (перетиранию) изоляции и преждевременному выходу двигателя из строя по причине короткого замыкания витков обмотки.

Влияние на питающую сеть. При питании от автономных генераторов, особенно в конце линии электропередачи, падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания и этой линии при протекании больших пусковых токов приводит к просадке напряжения в сети, что отрицательно сказывается на работе другого подключенного к ней оборудования (компьютеры, связь, терминалы релейной защиты и др.), а сам двигатель может не запуститься из-за снижения его момента пропорционально квадрату просадки напряжения.

Влияние на технологический процесс. Пиковые моменты переменного знака, развиваемые двигателем при пуске (4-5-кратные по отношению к номинальному), приводят к постепенному увеличению зазоров в механических соединениях между двигателем и механизмом, кроме того, в ряде случаев вредно сказываются на технологическом процессе, где такие механические нагрузки недопустимы (например, магистральные конвейеры, когда происходит вытягивание приводного ремня, вентиляторы и смесители в случае опасности деформирования лопастей, системы транспортировки развешанных, уложенных или хрупких материалов при возможности их раскачивания, падения или рассыпания и т.д.).

Эффективным способом устранения указанных недостатков является пуск и останов двигателя через устройство плавного пуска (УПП), позволяющее как плавно, с заданным темпом, увеличивать напряжение, подаваемое на двигатель при разгоне, с последующим его переключением на шунтирующий контактор, так и плавно уменьшать напряжение при останове. Одной из последних разработок для пуска высоковольтных двигателей напряжением от 2,3 до 15 кВ является семейство УПП серии SSM компании «АББ». Наличие 6 допустимых режимов разгона и двух режимов останова практически полностью охватывает все возможные области применения этих устройств для пуска исполнительных механизмов, приводимых в движение синхронными или асинхронными двигателями.

К режимам разгона относятся:

Линейное нарастание напряжения без токоограничения – наиболее надежный метод пуска, так как выходное напряжение УПП в конце концов достигнет достаточно высокого значения для получения полного тока и развития двигателем высокого крутящего момента. Этот метод полезен в тех случаях, когда часто меняется нагрузка двигателя и где требуются различные уровни крутящего момента. Типичными вариантами применения являются конвейеры для транспортировки материалов с переменной массой, поршневые насосы, смесители барабанного типа и др.

Линейное нарастание напряжения с токоограничением – наиболее часто используемая диаграмма напряжения, и она подобна предыдущей диаграмме. Однако при этом добавляется регулируемое ограничение максимального выходного тока. Напряжение увеличивается постепенно до тех пор, пока не будет достигнуто значение уставки токоограничения, и до конца разгона поддерживается таким, чтобы ток не превышал выбранной уставки. Этот режим полезен в тех случаях, когда электрическая мощность питающей сети является ограниченной: питание от передвижных или аварийных генераторов, энергоснабжение в конце линии электропередачи или когда присутствуют требования по ограничению потребляемой при пуске мощности в системе электроснабжения.

Линейное нарастание тока (в замкнутом контуре тока) используется для плавного увеличения крутящего момента двигателя. Выходное напряжение рассчитывается и поддерживается таким, чтобы обеспечить это линейное нарастание тока. Данный режим используется в тех случаях, когда быстрое изменение крутящего момента может привести к повреждению нагрузочного механизма или другого оборудования, о чем говорилось выше при описании влияния прямого пуска на технологический процесс.

Скачок тока. При пуске выходной ток мгновенно увеличивается до уровня токоограничения и удерживается на этом уровне. При таком методе максимально эффективно используется крутящий момент двигателя в пределах его возможностей, поэтому он используется при ограничении мощности питающей электросети и тяжелых пусках таких сложных нагрузок, как, например, центрифуга или штанговые скважинные электронасосы, когда мощность двигателя выбрана почти без запаса, или если не удается разгон при других режимах пуска.

Толчковый пуск используется как начальный энергетический толчок для нагрузок с большим коэффициентом сухого трения. В этом случае в течение некоторого времени (до 2 с) к двигателю прикладывается повышенное начальное напряжение (до 100% от номинального), которое требуется для создания пускового момента трогания, после чего разгон продолжается по одному из режимов линейного нарастания напряжения.

Разгон по заданной пользователем диаграмме напряжения позволяет задать произвольный закон изменения напряжения двигателя от времени, такой, чтобы удовлетворить конкретному критерию пуска для конкретного применения исполнительного механизма. Таким критерием, например, может являться требование, чтобы скорость двигателя увеличивалась по линейному закону, экспоненте или сплайн-функции k-го порядка и т.д.

Наиболее простой способ останова двигателя – на выбеге, когда он отключается от сети. При этом развиваемый двигателем момент скачком падает до нуля и происходит его неконтролируемый останов за счет действия сил сухого трения и сопротивления нагрузки, который может протекать достаточно быстро (менее 1 с). Поэтому для возможности задавать и контролировать время останова в УПП типа SSM введен дополнительный режим – плавное замедление – когда напряжение, подаваемое на двигатель, плавно снижается с заданным темпом, плавно уменьшая в процессе останова и в момент на валу. Снижение напряжения происходит за заданное время (1-60 с), и время останова может превышать в несколько раз время останова на выбеге.

Чаще всего данная функция используется для уменьшения резких изменений давления в трубопроводах систем подачи или перекачки жидкости (вода, нефть и т.д.), которые сопровождаются гидравлическим ударом и хлопаньем обратного клапана. Действительно, в таких системах жидкость нагнетается из области меньшего в область большего давления. Разность этих давлений в статическом режиме называется «статическим напором системы». Когда насос отключается, его выходное давление быстро падает до нуля и статический напор заставляет жидкость двигаться в противоположную сторону. Для исключения этого явления в любом месте системы (чаще всего на выходе насоса) устанавливают обратный клапан, допускающий протекание жидкости только в одном направлении. Когда клапан закрывается, скорость движущейся жидкости внезапно падает до нуля. Поскольку жидкость не может сжиматься, запасенная кинетическая энергия преобразуется в ударную волну, которая перемещается по трубопроводной сети в поисках выхода для ее рассеивания. Звук, создаваемый ударной волной, называют «гидравлическим ударом» (рис. 1а). Энергия ударной волны может быть чрезвычайно опасна для труб, соединительных муфт, фланцев, уплотнений и других монтажных конструкций.

При использовании функции SSM «плавное замедление» крутящий момент двигателя насоса медленно снижается, постепенно снижая и давление в трубе. Когда выходное давление насоса станет чуть ниже статического напора, поток плавно меняет направление на обратное и закрывает обратный клапан. К этому времени движущаяся жидкость обладает уже очень малой кинетической энергией, и ударная волна не образуется (рис.1б). Когда выходное напряжение устройства, подаваемое на двигатель, станет достаточно низким и необходимость в нем отпадает, SSM завершит цикл плавного замедления и отключится.

Во всех режимах работы, как при плавном разгоне или останове, так и при шунтировании контактором, – УПП, имея информацию о напряжении и фазных токах двигателя, токах утечки на землю, полностью защищает его в аварийных ситуациях (20 защит). Следует подчеркнуть, что сюда входит и полная защита двигателя от тепловой перегрузки, так как УПП постоянно контролирует его тепловое состояние, изменяющееся в зависимости от условий пуска, работы или даже внешних условий. В центральном процессорном устройстве SSM имеется специальный «Динамический регистр нагрева», который является математической моделью теплового состояния двигателя. Информация в регистре постоянно контролируется на превышение уставок как по величине, так и по скорости изменения. Входная информация для регистра нагрева рассчитывается из уровня I2t, несимметрии токов, скорости охлаждения и (как опция) из показаний датчиков температуры окружающей среды и обмоток двигателя, если таковые имеются, делая его динамичным индикатором теплового состояния двигателя с учетом всех процессов, протекающих как в самом двигателе, так и вокруг него. SSM контролирует условия работы по-разному для режимов «Разгон» и «Работа с шунтирующим контактором», благодаря чему обеспечивается наиболее полная и правильная защита двигателя от тепловой перегрузки в любой момент его функционирования.

Дополнительными функциями SSM, повышающими надежность и качество тепловой защиты двигателя, являются:

Сброс по заданному условию. Если возникает перегрузка двигателя и устройство плавного пуска отключает его от сети, то это состояние невозможно сбросить до истечения времени, достаточного для охлаждения двигателя. Требуемое время охлаждения рассчитывается, исходя из теплового состояния двигателя в момент его отключения (т.е. горячие двигатели охлаждаются быстрее благодаря дополнительной конвекции). Требуемое время охлаждения также корректируется на основе измерений датчиков температуры, если эта опция используется (требуется дополнительная плата для обработки сигналов от датчиков температуры – до 12 датчиков).

Память теплового состояния. Обеспечивает непрерывную защиту от перегрузки в реальном масштабе времени, даже в случае потери питания. После восстановления питания SSM прочитает показания часов реального времени и возвратит «Динамический регистр нагрева» в состояние, учитывающее прошедшее с момента потери питания время.

Полученная обучением тепловая емкость разрешения сброса защиты. Функция, уникальная для SSM. Путем выборки и усреднения количества теплоты, использованной двигателем в предыдущих трех успешных пусках, SSM не позволит осуществить сброс защиты до тех пор, пока двигателем не будет восстановлен достаточный для последующего пуска запас тепловой емкости. Это предотвращает нежелательные отключения двигателя во время пуска и гарантирует, что неуспешные попытки пуска (которые в других обстоятельствах будут определяться только из условия допустимого числа пусков в час) просто не будут разрешены.

Необходимым атрибутом современного устройства плавного пуска является архив аварий или событий со значениями параметров УПП и двигателя, которые имели место в момент каждого события. УПП SSM имеет глубину архивации в 60 событий, по каждому из которых записывается 16 параметров (960 шестнадцатиразрядных слов). Эта информация наряду с другой статистической информацией (118 переменных) по протоколу Modbus-RTU (канал RS-485) может быть считана системой АСУТП верхнего уровня. Аналогично все параметры SSM (412 параметров) считываются и записываются по тому же протоколу. Также могут быть переданы и дистанционные команды управления «Пуск» и «Стоп». Программный пакет для поддержки связи по протоколу Modbus-RTU и отображения информации на экране оператора поставляется как опция (до 247 устройств на одном канале). Аналогичный пакет разработан и для канала связи RS-232, однако в этом случае к устройству верхнего уровня можно подключить только одно УПП.

Кроме совершенствования функциональных возможностей УПП компания «АББ» направляет значительные усилия на решение вопросов надежности устройства и безопасности обслуживающего персонала. Эти решения разделяются на технические и конструктивные.

Технические решения. Очень важным звеном для правильного функционирования и надежности системы является схема управления включением тиристоров. Формирование неверных временных диаграмм сигналов на управляющих электродах тиристоров может быть причиной их ложного включения или не включения в нужный момент, а также несимметрии выходных напряжения и тока. Серия SSM разработана с учетом устранения этих недостатков, обеспечивая плавный, надежный и повторяемый пуск с помощью устройства плавного пуска.

Схема управления включает в себя несколько специальных функций, которые увеличивают устойчивость системы, помехозащищенность и гибкость с целью обеспечения надежной работы без необходимости использования реакторов или иных внешних устройств, устанавливаемых в других системах, независимо от параметров питающей сети (сопротивление линии связи, токи короткого замыкания, коммутационные провалы и т.д.). Среди таких функций следует упомянуть следующие:

– Автоматическая синхронизация импульсов управления, согласующая угол зажигания каждой фазы с напряжением соответствующей фазы. SSM также активно отслеживает незначительные изменения частоты сети, избегая ненужного защитного отключения, которое может произойти в устройствах с традиционными системами зажигания. Данная функция особенно полезна при питании устройства от передвижных или резервных генераторов, позволяя использовать SSM в приложениях с нестабильной системой силового питания (колебания частоты до ± 6 Гц).

– Метод удлиненного управляющего импульса. В отличие от многих фирм, использующих частотное заполнение стробирующего импульса для формирования сигналов управления тиристором, в SSM на управляющем электроде поддерживается постоянное напряжение неизменного уровня в течение 270 электрических градусов, гарантируя, что стробирующий импульс постоянного тока включит тиристор, даже если в критический момент в линии связи присутствуют помехи. Это, конечно, повышает требования к мощности источника питания цепей управления, однако компания «АББ» сознательно идет на такое решение, обеспечивая тем самым более высокую помехозащищенность SSM и гораздо меньшую вероятность пропусков включения тиристоров, что повышает надежность системы зажигания и устройства в целом.

– Управление зажиганием с использованием обратной связи – метод определения момента зажигания тиристора, основанный на получении желаемого результата на выходе. Для этого цифровой контроллер, управляющий зажиганием, использует сигналы обратной связи по току и напряжению, обеспечивая во время пуска плавное нарастание заданного выходного сигнала и снижая вероятность несимметричных режимов, которые ведут к ненужному дополнительному нагреву двигателя.

– Трансформаторная развязка цепей зажигания препятствует влиянию сетевых помех, которые могут иметь место, на управляющие сигналы. Специально разработанные трехфазные развязывающие трансформаторы на напряжение 120 В обеспечивают измерение напряжения, питание платы зажигания и плат драйверов, изолируя их от напряжения сети. Тороидальные трансформаторы с высокой степенью изоляции используются для понижения переменного напряжения до 28 В для питания схемы формирования удлиненного управляющего импульса, обеспечивая дальнейшую изоляцию управляющего электрода тиристора. Дополнительная изоляция обеспечивается через отдельный трансформатор цепей управления, который питает все низковольтные цепи и плату цифрового контроллера.

– Оптоволоконная изоляция используется для всех сигналов связи между подсистемами высокого и низкого напряжения. Необходимость оптической развязки управляющих сигналов, подаваемых на тиристоры, доказана опытом работы многих фирм. В SSM такая оптическая развязка выполнена, в том числе и для цепей обратной связи по току, а также по температуре радиаторов, аналогов чему пока нет в мировой практике (рис. 2).

Описанные технические решения гарантируют точную, помехоустойчивую и надежную работу системы управления и устройства в целом.

Конструктивные решения. Поставка УПП может осуществляться в двух исполнениях: – «УПП с высоковольтной вводной ячейкой». Поставляется разъединитель с видимым разрывом, силовые предохранители и вводной вакуумный контактор или выключатель (которые иногда размещаются в дополнительном шкафу);

– «УПП без вводной ячейки». Этот вариант очень удобен, если у заказчика уже имеется высоковольтное распредустройство.

В обоих случаях для безопасности персонала двери шкафов оснащены механическими или электромагнитными блокировками со следующим принципом работы:

а) если подано силовое напряжение на устройство, двери шкафов нельзя открыть;

б) если двери какого-либо шкафа открыты, нельзя подать силовое напряжение на устройство.

Кроме того, двери секций высокого напряжения оснащены рукоятками с возможностью запирания их навесным замком, а секции низкого напряжения – встроенным замком для исключения несанкционированного доступа. Ввод силового напряжения и вывод кабеля на двигатель – сверху, снизу шкафа или в верхней части обеих боковых стенок шкафа. Предусмотрено необходимое пространство для подключения кабелей внутри устройства. Степень защиты – IP54 (IP21 для УПП с напряжением 11-15 кВ). Рабочие температуры – от 0 до +40оС (как опция – от –20 до +40оС с подогревателем).

В заключение отметим, что инженерная поддержка при выполнении пусконаладочных работ включает и предварительные расчеты процессов пуска в том или ином режиме с определением всех параметров: скорости и момента двигателя, кривых напряжения и тока двигателя с учетом ограниченной мощности и просадки напряжения на внутреннем сопротивлении источника напряжения. Для этой цели разработана программа моделирования процессов при пуске двигателя от УПП. Она позволяет выбрать оптимальный алгоритм пуска и уровень токоограничения, рассчитать время разгона с учетом просадки напряжения, прикладываемого к двигателю, а также проверить состояние двигателя из условия допустимой для него тепловой перегрузки.

Разработаны программы расчета требуемой диаграммы напряжения в функции времени, которые позволяют быстро запрограммировать УПП для отработки двигателем в пусковом режиме тахограммы, удовлетворяющей критерию пуска для конкретного применения исполнительного механизма (требование, чтобы скорость двигателя увеличивалась по линейному закону, экспоненте и т.п.).

Д.А. Поздеев,
Г.С. Нудельман, канд. техн. наук,
А.Н. Ерезеев, инженер

Журнал “Энергослужба предприятия” N 3 (9) – Июнь 2004

 


©2012-2017 НТЦ Энерго-Ресурс