Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристика объекта исследований. частотно-регулируемый электропривод тягодутьевьгх механизмов котла КВГМ-100
1.1. Общие сведения о Пиковой котельной г. Магнитогорска
1.2. Обоснование частотного регулирования производительности ТГДМ
1.2.1. Назначение тягодутьевых механизмов
1.2.2. Частотное управление работой тягодутьевых механизмов
1.2.3. Технико-экономическая эффективность применения ЧРП 22
1.3. Электроприводы тягодутьевых механизмов котлов КВГМ-100 Пиковой котельной
1.3.1. Характеристика тягодутьевых механизмов
1.3.2. Шкафы управления тягодутьевыми механизмами
1.3.3. Характеристика преобразователя частоты SB-17
1.4. Анализ отклонений напряжения сети на действующих тепловых электростанциях
1.5. Пути решения проблемы безостановочной работы котлоагрегатов средствами регулируемого электропривода
1.5.1. Электропитание ЧРП от двух независимых вводов
1.5.2. Электропривод на базе вентильно-индукторного двигателя
1.6. Задачи совершенствования электропривода на базе двухскоростного асинхронного двигателя
1.7. Выводы и постановка задачи исследований
Глава 2. Особенности самозапуска частотно-регулируемьгх электроприводов при нарушениях электроснабжения 48
2.1. Самозапуск нерегулируемых асинхронных электроприводов 49
2.1.1. Индивидуальный самозапуск двигателей собственных нужд 49
2.1.2. Упрощенный расчет индивидуального самозапуска 52
2.2. Особенности самозапуска частотно-регулируемого электропривода при нарушениях электропитания 54
2.2.1. Теоретический анализ 54
2.2.2. Отличия самозапуска частотно-регулируемого и з нерегулируемого электроприводов
2.3. Исследования нарушений в системе электроснабжения Пиковой котельной
2.3.1. Схемы электроснабжения Пиковой котельной
2.3.2. Нарушения электропитания на секциях РУ-10 кВ Пиковой котельной
2.4. Разработка программы и расчет интенсивности нарушений
Выводы
Глава 3. Разработка частотно-регулируемых электроприводов с электропитанием от двух независимых вводов. совершенствование частотно-регулируемых электроприводов с двухскоростным асинхронным двигателем
3.1. Разработка ЧРП с электропитанием от двух независимых вводов
3.1.1. Принцип построения преобразователя частоты с двумя звеньями постоянного тока
3.1.2. Характеристика преобразователей частоты с электропитанием от двух вводов
3.2. Принцип работы статического компенсатора
3.3. Разработка системы управления частотно-регулируемыми электроприводами тягодутьевых механизмов котла КВГМ
3.3.1. Использование режима самопитания за счет энергии торможения
3.3.2. Использование суммарной кинетической энергии дутьевого вентилятора и дымососа
3.4. Электроприводы по системе "ПЧ - двухскоростной АД" с электропитанием от двух вводов
3.4.1. Электропривод с двумя преобразователями частоты
3.4.2. Электропривод на основе ПЧ с двумя выпрямителями
3.5. Энергосберегающий ЧРП на базе двухскоростного АД
Выводы
Глава 4. Экспериментальные исследования разработанных технических решений. опытно-промышленные испытания
4.1. Исследования в лабораторных условиях
4.1.1. Описание экспериментальной установки 97
4.1.2. Анализ осциллограмм 99
4.2. Техническая реализация и экспериментальные исследования в условиях Пиковой котельной 107
4.3. Техническая реализация переключения обмоток двухскоростного АД в условиях Пиковой котельной
Выводы 112
Глава 5. Методика расчета технико-экономической эффективности внедрения частотного регулирования производительности турбомеханизмов с двухскоростными АД 115
5.1. Известные методики оценки энергетической эффективности регулирования производительности турбомеханизмов 116
5.1.1. Анализ известных методик 116
5.1.2. Методика на основе расчета КПД турбомеханизма 118
5.1.3. Расчет при регулировании методом дросселирования 123
5.1.4. Управление производительностью регулированием частоты вращения 127
5.2. Методика расчета энергетической эффективности турбомеханизма с двухскоростным частотно-регулируемым электроприводом 129
5.3. Сравнительная оценка энергетической эффективности при частотном и дроссельном регулировании производительности дутьевого вентилятора с двухскоростным АД 130
5.4. Оценка энергетической эффективности частотного регулирования с переключением обмоток двухскоростного АД 137
5.5. Внедрение результатов диссертационной работы 143
Выводы 146
Заключение 148
Литература 150
- Назначение тягодутьевых механизмов
- Упрощенный расчет индивидуального самозапуска
- Принцип построения преобразователя частоты с двумя звеньями постоянного тока
- Техническая реализация переключения обмоток двухскоростного АД в условиях Пиковой котельной
Введение к работе
Актуальность темы. Существующая статистика работы районных тепловых станций (котельных) показывает увеличение числа аварийных отключений оборудования, технологические механизмы которого оснащены частотно-регулируемыми электроприводами (ЧРП) переменного тока. Причиной этого является увеличение длительности перерывов в работе электродвигателей, питаемых от преобразователей частоты (ПЧ), при нарушениях электроснабжения: провалах либо кратковременных (1-3 с) отключениях напряжения. Особые проблемы возникают при нарушениях электроснабжения ответственных механизмов, отключение которых приводит к аварийным остановам котлов. К ним относятся сетевые насосы и тяго дутьевые механизмы (ТГДМ): дутьевые вентиляторы (ДВ) и дымососы (ДС).
Обязательной функцией для ЧРП ответственных механизмов является восстановление технологического режима за несколько секунд при восстановлении электропитания. Программное обеспечение большинства современных ПЧ предусматривает эту функцию, известную под названиями "пуск в лёт", "Flying start", "самозапуск", "пуск на вращающийся двигатель" и др. Однако реализация этой функции при наладке конкретного электропривода достаточно сложна. К тому же опыт ее использования ограничен, поскольку перезапуск через останов удовлетворяет большинству технологий. Это диктует необходимость разработки ЧРП, обладающих повышенной устойчивостью к нарушениям электроснабжения.
В научных трудах Ю.А. Крылова, В.Ф. Козаченко, Д.В. Тарасова, О.И. Ка-рандаевой обоснован принцип электропитания ЧРП от двух независимых вводов. Выполнены разработки, для ЧРП с вентильно-индукторным двигателем. Однако они не могут получить широкого распространения в связи с единичным изготовлением электродвигателей данного класса.
При внедрении ПЧ в электроприводах районных тепловых станций (котельных), как правило, не производится замена установленных асинхронных двигателей (в том числе двухскоростных), не выработавших свой ресурс. Подобная ситуация возникла на Пиковой котельной г. Магнитогорска при переводе электроприводов ДВ и ДС водогрейных котлов КВГМ-100 на частотное регулирование скорости (производительности). При этом двухскоростные асинхронные двигатели (АД) дутьевых вентиляторов типа ДАЗО 12-55-6/8 и ДАЗО 12-42- 6/8 остались в работе.
Следует отметить, что вопросы частотного регулирования производительности механизмов с двухскоростными АД в настоящее время изучены недостаточно. В большинстве практических случаев осуществляется регулирование во всем диапазоне при работе АД только на обмотке высокой скорости (ВС). Вместе с тем, как показали исследования, переключение ПЧ на обмотку низкой скорости (НС) позволяет получить дополнительный эффект как с точки зрения энергосбережения, так и с позиций повышения устойчивости ЧПР к нарушениям электроснабжения.
Целью диссертационной работы является разработка комплекса научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих энергосбережение и повышение устойчивости частотно-регулируемых электроприводов тягодутье-вых механизмов тепловой станции при нарушениях электроснабжения.
Для достижения цели поставлены следующие основные задачи:
-
Анализ причин снижения надежности ЧРП. Условия восстановления технологического процесса котельных агрегатов при кратковременных нарушениях электроснабжения. Анализ способов повышения устойчивости ЧРП.
-
Обоснование и разработка ЧРП с электропитанием от двух независимых вводов:
разработка электропривода с одновременным электропитанием от двух независимых вводов;
разработка электропривода с переключением на резервный ввод при нарушениях электроснабжения по основному вводу.
-
Совершенствование ЧРП тягодутьевых механизмов с двухскоростным электродвигателем, обеспечивающих энергосбережение и повышение устойчивости к нарушениям электроснабжения.
-
Разработка экспериментальной лабораторной установки. Исследования в лабораторных условиях. Опытно-промышленные испытания ЧРП дутьевого вентилятора с электропитанием от двух независимых вводов в условиях Пиковой котельной.
-
Совершенствование методики расчета технико-экономической эффективности внедрения частотного регулирования производительности турбоме-ханизмов с двухскоростными АД. Оценка эффективности внедрения разработанных технических решений на тягодутьевых механизмах котла КВГМ-100.
Методика проведения исследований. Теоретические исследования основывались на положениях теории электропривода, теории надежности, статистических методах обработки информации. При разработке программы расчета интенсивности отказов использовался язык программирования Turbo Pascal 7.0. Экспериментальные исследования проводились на созданной лабораторной установке путем прямого осциллографирования координат с последующей обработкой результатов. Экспериментальные исследования в условиях производства проводились на действующих электроприводах дутьевых вентиляторов и дымососов котлов КВГМ-100 Пиковой котельной г. Магнитогорска.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтвердившие целесообразность электропитания ЧРП ответственных механизмов от двух независимых вводов, одновременные нарушения электроснабжения на которых маловероятны.
-
Частотно-регулируемый электропривод, выполненный на основе двух идентичных ПЧ, объединенных на стороне постоянного тока, обеспечивающих непрерывность работы за счет автоматического переключения на резервный ввод при исчезновении питающего напряжения на основном вводе.
-
Частотно-регулируемый электропривод с одновременным электропитанием от двух вводов, оснащенный быстродействующим регулятором сетевого напряжения, выполненным на базе преобразователя напряжения (мощности) типа СТАТКОМ.
-
Научно-обоснованные технические решения, обеспечивающие энергосбережение и повышение надежности ЧРП тягодутьевых механизмов с двух-скоростными АД:
- электропривод с переключением преобразователя частоты на обмотку
высокой (низкой) скорости в зимний (летний) периоды и дроссельным регу
лированием в диапазонах скоростей, близких к номинальным значениям;
- электропривод с двумя преобразователями частоты с подключением
обмоток к независимым вводам;
- электропривод с преобразователем частоты с двумя выпрямителями с
электропитанием обмоток от одного либо двух независимых вводов.
5. Результаты экспериментальных исследований в лабораторных условиях,
подтвердившие принципиальную возможность переключения вводов ЧРП без
нарушения скоростного режима АД. Результаты исследований в производст
венных условиях, подтвердившие техническую реализуемость принципа одно
временного электропитания ЧРП от двух независимых вводов.
7. Результаты оценки технико-экономической эффективности, подтвердившие увеличение эквивалентного КПД вентиляторной установки с двухско-ростным АД и повышение надежности тягодутьевых механизмов.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением математического аппарата и методов программирования, использованием реальных технических характеристик оборудования, результатами экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях, повторяемостью результатов экспериментов и их соответствием результатам, опубликованным в научной литературе, опытом эксплуатации частотно-регулируемых электроприводов на тепловых предприятиях.
Научная новизна.
В работе получены следующие новые научные результаты:
-
Подтверждены повышение длительности переходных процессов самозапуска ЧРП тягодутьевых механизмов в 1,5-2 раза по сравнению с нерегулируемыми электроприводами и увеличение в 2-4 раза вероятности аварийных остановов котлов, вызванных нарушениями электроснабжения ответственного оборудования.
-
Обоснован и технически реализован принцип одновременного электропитания частотно-регулируемых электроприводов от двух независимых вводов, совпадение нарушений электроснабжения по которым маловероятно.
-
Предложен принцип совместного использования кинетической энергии дымососа и дутьевого вентилятора, обеспечивающий повышение устойчивости ЧРП при нарушениях электроснабжения.
4. Разработаны научно-обоснованные технические решения, обеспечи
вающие повышение устойчивости и энергосбережение в электроприводах по
системе «ПЧ - двухскоростной АД» за счет электропитания обмоток ВС либо
НС от независимых вводов, а также переключения выхода ПЧ на эти обмотки
в зависимости от производительности агрегата.
-
Подтверждено сохранение устойчивой работы ЧРП с электропитанием от двух независимых вводов при нарушениях электроснабжения по одному из вводов. Теоретически и экспериментально доказано, что автоматическое переключение ПЧ на резервный ввод не оказывает влияния на работу электропривода и не приводит к нарушению технологического режима механизма.
-
Методика оценки технико-экономической эффективности внедрения частотно-регулируемых электроприводов, основанная на расчете эквивалентного КПД, получила развитие в направлении ее применения для турбомеха-низмов с двухскоростными асинхронными двигателями.
-
Доказано, что переключение обмоток двухскоростного АД при питании от преобразователя частоты обеспечивает технико-экономический эффект за счет энерго- ресурсосбережения и повышения надежности тягодутьевых механизмов.
Практическая ценность и реализация работы.
-
Разработана и изготовлена действующая физическая модель ЧРП с электропитанием от двух вводов. Установка выполнена на базе ПЧ фирмы Siemens и преобразователя СТАТКОМ, выполняющего функции регулятора подводимого напряжения. В результате экспериментальных исследований подтверждена техническая возможность одновременного электропитания ЧРП от двух независимых вводов с перераспределением нагрузки между вводами.
-
ЧРП с электропитанием от двух независимых вводов, выполненный на базе ПЧ типа SB-17 («Сбережок»), прошел промышленные испытания в условиях Пиковой котельной г. Магнитогорска. В результате подтверждена практическая возможность перевода электропитания между вводами без нарушения технологического процесса механизма.
-
Предложенная методика оценки технико-экономической эффективности ЧРП с двухскоростным АД применена для анализа эффективности сезонного переключения ПЧ с обмотки высокой скорости на обмотку низкой скорости, а также для расчета эффективности внедрения разработанных ЧРП на тягодутьевых механизмах Пиковой котельной.
-
Результаты диссертационной работы переданы в электрослужбу треста «Теплофикация» г. Магнитогорска, где использованы при разработке «Программы внедрения энергосберегающих мероприятий на 2015 г.». Ожидаемый экономический эффект от внедрения энергосберегающих мероприятий в условиях Пиковой котельной составляет 2,1 млн. руб./год. Социальный эффект заключается в повышении надежности тепло- водоснабжения населения.
-
Полученные результаты рекомендуются для использования при внедрении ЧРП на тепловых станциях, ТЭЦ и промышленных предприятиях, а также
7 в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 10 международных конференциях, в том числе: VII Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012 (Иваново, 2012 г.); пятнадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» (Екатеринбург, УрФУ, 2012 г.); VII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2012 г.); I Международной (IV Всероссийской) научно-технической конференции «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий» (Уфа, УГНТУ, 2013 г.); VIII Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования» (Москва, МЭИ, 2013 г.), а также на расширенном заседании кафедры электротехники и электротехнических систем ФГБОУ ВПО «МГТУ» (ноябрь 2014 г.).
В 2012-2013 гг. работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлению «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления электрической энергии».
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 18 печатных трудах, в том числе 5 в рецензируемых изданиях. Получено 4 патента РФ на полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 158 наименований. Работа изложена на 182 страницах основного текста, содержит 68 рисунков, 22 таблиц и приложение объемом 17 страниц.
Назначение тягодутьевых механизмов
Назначением тягодутьевых механизмов водогрейных котлов является поддержание оптимального соотношения "топливо-воздух" и создание наиболее благоприятных условий для полного сгорания топлива. Для выполнения этих условий необходимо, с одной стороны, подать нужное количество воздуха в топку, с другой - с заданной интенсивностью извлекать из неё продукты горения. Так как нагрузка котлов может изменяться в пределах от 30 до 100%, количество подаваемого воздуха и удаляемых продуктов сгорания также должно изменяется в этих пределах. Соответственно производительности ДВ и ДС должны регулироваться.
Дымососы используются для удаления продуктов горения или вредных воздушных примесей. Дымосос состоит из вентилятора, обеспечивающего разность давлений, и устройства регулирования потока воздуха. При отсутствии преобразователя вентилятор работает на полную мощность, при этом осуществляется дроссельное регулировании производительности.
Вентиляторы и дымососы котлов КВГМ-100 Пиковой котельной (рис. 1.3,а) радиального (центробежного) типа. Регулирование производительности производится упрощенными направляющими аппаратами шиберного типа, установленными во входных коробах. Поворот лопаток направляющего аппарата осуществляется через рычаги от колонки дистанционного управления. На рис. 1.3,6 показан механизм управления лопатками дутьевого вентилятора котла №3, снабженный нерегулируемым электроприводом, обеспечивающий параметрическое регулирование напора воздуха, подаваемого в котел.
Для управления задвижкой используются сигналы - "закрыть задвижку" и "открыть задвижку" (рис. 1.4) [80, 81]. Сигналы управления подаются на двигатель, который управляет шибером, после анализа отклонения текущего давления в трубопроводе от заданного. Длительность подачи сигналов определяют площадь поперечного сечения трубопровода и объем перекачиваемого воздуха. Такой способ регулирования приводит к повышенному расходу электроэнергии тягодутьевыми машинами.
Применение преобразователей частоты для управления вентилятором подачи воздуха в топку и вентилятором дымососа позволяет не только эффективно решить задачу повышения эиергоэффективности, но и автоматизировать технологический процесс. Установка ПЧ не исключает регулирования потока воздуха шибером, эта система регулирования может использоваться как резервная.
На рис. 1.5 представлена схема, поясняющая принцип подключения преобразователей частоты для управления тягодутьевыми и насосными механизмами котла [81,82].
Как отмечалось, система регулирования дымососа должна поддерживать заданную величину разряжения в топке независимо от производительности котла. Сохранение баланса между подводом тепла и его отводом вы полняется системой управления производительностью, регулирующей подачу топлива в топку. С увеличением количества топлива пропорционально возрастает подача воздуха, соответственно электропривод дымососа должен увеличить отсасывающий объём продуктов горения.
При внедрении преобразователей частоты осуществляется автоматическое управление производительностью ТГДМ за счет регулирования скорости приводных асинхронных электродвигателей в зависимости от изменения соответствующих технологических параметров. Функциональные возможности преобразователей частоты [80]: - включение и плавный пуск электродвигателя; - управление частотой и напряжением на выходе, в том числе автоматическое по часам реального времени; - автоматическое поддержание величины технологического параметра; - автоматическое повторное включение после аварийного отключения; - плавный останов и отключение электродвигателя; - защита электродвигателя в аварийных ситуациях и нештатных режимах. Применительно к дымососам и вентиляторам возможны следующие варианты управления: - полностью ручной режим, когда оператор согласно визуальным показаниям прибора разрежения или избыточного давления выставляет необходимую частоту; - подключение ГТЧ непосредственно к системе котельной автоматики; - управление преобразователем с помощью ПИД-регулятора, при этом используется датчик давления или разрежения с токовым или потенцио-метрическим выходом. Последний вариант обычно интегрируется в систему управления котлом. Система управления тягодутьевыми механизмами (рис. 1.6) обычно включает в себя несколько ПЧ (управление приводами дымососов и вентиляторов), датчики разрежения, датчики давления и пульт управления оператора [81].
В соответствии с выполняемыми функциями систему регулирования можно разделить на два независимых контура: - Контур регулирования дутьевого вентилятора. В данном контуре частота вращения регулируется ПИД-регудятором поддержания давления воздуха перед горелкой. Необходимое давление воздуха вычисляется по значению давления топлива и температуре подаваемого воздуха. Так же при необходимости производится корректировка уставки давления по содержанию кислорода в уходящих дымовых газах, которое контролируется зондом QT1. Вычисление производится в контроллере блока автоматического управления согласно режимной карте котла, и задающий сигнал поступает на преобразователь частоты дутьевого вентилятора.
Контур регулирования дымососа. В данном контуре задействован датчик разряжения в топке. По его сигналу ПИД-регулятор блока автоматического управления поддерживает постоянное разряжение в топке на уровне 2-5 мм. вод. ст., подавая управляющий сигнал на преобразователь частоты дымососа. Для упрощения схемы можно задействовать ПИД-регулятор преобразователя частоты, выведя на аналоговый вход ПЧ сигнал с датчика разряжения.
Поддержание оптимального режима горения в топке обеспечивается выбором необходимой скорости вращения электродвигателей тягодутьевых механизмов при полностью открытых направляющих аппаратах практически во всем диапазоне рабочей производительности котельной установки. Однако иногда при этом возникает неустойчивый режим горения при розжиге котла и в начальном диапазоне его производительности ("отрыв" пламени от запальника или от горелки). Такой режим характеризуется значительными динамическими возмущениями давления/разрежения в топке, вызываемыми работой расположенных рядом котельных установок, связанных газоходами с общей дымовой трубой. Причиной "отрыва" пламени может быть также естественная тяга дымовой трубы.
Для настройки различных систем управления котлоагрегата предусматривается ручной режим работы с непосредственным управлением скоростью вращения двигателей ТГДМ. Перевод каждой системы управления из ручного режима работы в автоматический и обратно может быть произведен в любой момент времени независимо от режима работы другой системы управления. Должна быть предусмотрена возможность "безударного" переключения из одного режима в другой.
Упрощенный расчет индивидуального самозапуска
В [103-106] задача обеспечения устойчивости электропривода при нарушениях электроснабжения решается за счет применения многофазного вентильно-индукторного электродвигателя (ВИД) с независимой обмоткой возбуждения. Известными преимуществами такого класса ВИД являются [104]: отсутствие магнитов на роторе, расширенный диапазон работы при регулировании в цепи независимой обмотки возбуждения, высокая надежность, большая перегрузочная способность, обеспечивающая требуемый запас по мощности. Эти достоинства позволяют обеспечить внутреннее оперативное резервирование мощности на случай отказов в преобразователях и возможность кратковременного продолжения работы в аварийных режимах с использованием заложенного резерва мощности, повышая тем самым надежность работы установки.
Наличие нескольких фидеров сетевого питания и введение устройств автоматического включения резерва, трансформаторов, устройства распределения силового питания, преобразователей частоты, станции управления двигателем и интеллектуальных модулей позволяют задать необходимый режим работы в случае аварийного пропадания напряжения на одном из фидеров, а также автоматически переключиться на другой фидер с кратковременным использованием во время переключения заложенного резерва по мощности электродвигателя.
Разработана серия устройств, реализующих изложенный принцип. Согласно [ 103], в электропривод на базе многофазного ВИД 10 (рис. 1.14) с независимой обмоткой возбуждения 8 введены устройства автоматического включения резерва 3, трансформаторы 2, устройство распределения силового питания 3 с коммутационной и защитной аппаратурой, станция управления двигателем 6, преобразователи частоты 4, каждый из которых имеет выходы для питания независимой обмотки возбуждения, а также информационные входы, подключенные к выходу датчика положения ротора 9. Вес преобразователи частоты соединены между собой локальной промышленной сетью, к которой подключены интеллектуальные модули 5.
Для повышения надежности работы одна часть электропривода получает питание от ФИДЕРА 3, а вторая - от ФИДЗЇЗ,А2. От силовых выходов устройств автоматического включения резерва питание подается на входы трансформаторов напряжения 2. В процессе работы последних напряжение появляется на их выходах и далее передается на независимые входы устройства распределения силового питания 3. В случае пропадания напряжения на одном из фидеров сетевого питания происходит быстрое автоматическое переключения на другой фидер. Во время этого переключения задается необходимый режим работы электропривода е кратковременным использованием заложенного резерва мощности электродвигателя. Вследствие этого электропривод продолжает работать без остановки и потери мощности. После переключения на второй фидер необходимость использования резерва по мощности исчезает, и электропривод работает в номинальном режиме. При восстановлении напряжения на аварийном фидере происходит переключение обратно на него, и электропривод возвращается в исходный режим работы. Таким образом обеспечивается непрерывность работы электропривода.
Рассматриваемый ВИД позволяет создавать сложные системы электроприводов непрерывного действия с повышенными требованиями к надежности.
Рассмотренный электропривод, а также решения, предложенные в [105, 106], основаны на рациональном использовании преимуществ многофазного ВИД, позволяющих обеспечить внутреннее оперативное резервирование мощности иа случай отказов в ПЧ и возможность кратковременного продолжения работы в аварийных режимах с использованием заложенного резерва мощности, повышая тем самым надежность работы электропривода.
Как известно, двухскоростные асинхронные двигатели применяются иа тепловых предприятиях в электроприводах циркуляционных насосов дымососов и дутьевых вентиляторов [107]. Указанные АД применяются в целях экономии электроэнергии иа собственные нужды посредством их перевода на меньшую скорость вращения в зависимости от нагрузки котла (сезонное снижение нагрузки, снижение нагрузки в ночное время, при пуске и останове котла).
Эти электродвигатели выполняются с двумя независимыми статорны-ми обмотками, каждая из которых подключается к питающим шинам через отдельный выключатель. Специальная блокировка в схемах управления выключателями исключает одновременное включение обеих обмоток. На каждой статорной обмотке предусматриваются необходимые защиты, действующие на ее выключатель. Уставки защит выбираются в соответствии с номинальными параметрами каждой статорной обмотки [108].
При существующей схеме электроснабжения Пиковой котельной электропитание обмоток высокой скорости двигателей ДАЗО 12-55-6/8 и ДАЗО 12-42-6/8 осуществляется от рассмотренного выше преобразователя частоты SB-17 либо от сети 380 В, питание обмотки низкой скорости - только от сети. При питании обмоток от сети предусмотрено дроссельное регулирование производительности ДВ.
Предполагается, что возможность переключения электропитания двигателя с обмотки ВС на обмотку НС в сочетании с частотным регулированием скорости обеспечит дополнительный ресурс энергосбережения. Соответственно возникает задача оценки этого ресурса при различных способах регулирования производительности ДВ.
В существующей схеме подключения обмоток, представленной на рис. 1.15, имеется возможность подключения обмоток высокой и низкой скоростей на два независимых ввода. Это создает условия для применения преобразователя частоты с электропитанием от двух вводов и соответственно для повышения устойчивости данного ЧРП к нарушениям электроснабжения.
Очевидно, что эти вопросы требуют проведения дополнительных исследований. Вместе с тем, проведенный литературный обзор показал, что разработка систем частотного регулирования скорости электропривода с двухскоро-стным АД в отдельную научно-практическую проблему не выносится. При применении преобразователей частоты осуществляется регулирование скорости во всем диапазоне при подключении ПЧ к обмотке высокой скорости. Технико-экономическое обоснование такого регулирования по сравнению с дроссельным регулированием либо переключением обмоток выполнено в работах [45, 48]. В [68] предложена методика расчета, основанная на оценке изменения КПД механизма совместно с электроприводом, которая рассматривается ниже в разделе 5. Вопросы питания обмотки низкой скорости от ПЧ не рассматривались, хотя известно, что переключение обмоток повышает КПД двухскоростного АД в зоне низких скоростей. Кроме того менее зарегулированный режим работы преобразователя частоты также способствует увеличению его КПД.
Принцип построения преобразователя частоты с двумя звеньями постоянного тока
Практически все механизмы собственных нужд районных тепловых станций (РТС) имеют механическую характеристику (зависимость момента сопротивления от угловой скорости), близкую к вентиляторной (квадратичную).
Если пренебречь моментом трения, выбег таких механизмов может быть описан зависимостью [115]: Зная время перерыва питания, предположив, что в момент нарушения электроснабжения агрегат вращался с угловой скоростью, равной синхронной екороети двигателя, можно по приведенным соотношениям без большой погрешности вычислить угловую частоту вращения в о.е. в момент воеета-новления напряжения.
В общем случае определение возможности самозапуска АД, нерегулируемых по частоте вращения, сводится к следующим расчетам; - определяют снижение угловой скорости за время перерыва питания, значение угловой скорости и скольжения двигателя в момент восстановления напряжения; - определяют напряжение на обмотках статора двигателей после восстановления напряжения; - определяют вращающий момент двигателя при полученных напряжении и скольжении; - определяют момент сопротивления агрегата при полученной угловой скорости, - если уеловие Мд МС выполняется, самозапуек обеспечен. Еели условие М-1 --Мс не выполняется, нужно отказаться от самозапуска части двигателей, подключенных к общим шинам, с тем, чтобы увеличить напряжение на шинах и на статоре остальных двигателей, участвующих в самозапуске, - рассчитывают время разгона агрегата от момента восстановления напряжения.
Уепешиоеть самозапуека и его длительность в значительной степени зависят от продолжительности перерыва питания. С уменьшением паузы электродвигатели тормозятся в меньшей степени, ограничиваются токи самозапуска, и повышается напряжение на шинах в момент подключения питания. Вследствие этого возрастает динамический момент и ускоряется восстановление номинальной частоты вращения. Если перерыв в питании превышает 5 с, ток и напряжение при самозапуске практически не отличаются от соответствующих величин при одновременном пуске группы исходно неподвижных двигателей. При паузах 2,5 с и более самозапуск обычно происходит каскадно и сопровождается ступенчатым уменьшением тока, потребляемого различными группами электродвигателей [118].
Самозапуск частотно-регулируемых электродприводов имеет ряд особенностей, которые зависят от топологии преобразователя частоты, типа и принципов управления силовыми полупроводниковыми приборами, схемы подключения преобразователя к сети электроснабжения и электродвигателям (индивидуальный ЧРП или схема группового управления - СГУ) [115 ].
На рис. 2.2 схематично представлены процессы в теплосети при кратковременном нарушении электропитания сетевого насоса с оценкой абсолютных значений временных интервалов, приближенных к реальным, [58, 70], На оси времени указаны события в порядке их следования и примерный характер изменения частоты вращения электропривода применительно к сетевому насосу. В момент времени t] нарушается электропитание, что приводит к снижению частоты вращения двигателя от начального значения шЇШЧ и снижению расхода воды через котел. В момент /3 расход прекращается полностью в связи со срабатыванием обратного клапана на напоре насоса, а несколько раньше в момент 12 начинается отсчет времени /шшр аварийной защиты котлов. Если расход воды не восстанавливается до уровня уставки минимального расхода, все работающие котлы одновременно выключаются (гавар одинаковы для всех котлов). После перерыва tnep в момент времени Ц электропитание восстанавливается, например, благодаря срабатыванию секционного АВР.
Характер процесса в теплосети при кратковременном нарушении электропитания и автоматическом перезапуске сетевого насоса При питании электродвигателя от сети при подаче напряжения на еще вращающийся электродвигатель с момента tA начинается его разгон (штриховая линия на рис. 2.2), по окончании которого (/разг.с) расход воды восстанавливается. Общее время tmccr составляет: восст пер разг.с э где разг.с - время разгона электропривода с остаточной частоты вращения (Вост.с ПРИ ег0 питании от электросети. Очевидно, что условием безостановочной работы котлов является соблюдение Неравенства /В0Сст авар
Как отмечалось, практически все современные преобразователи частоты имеют функцию подхвата вращающегося (выбегающего) электродвигателя, с использованием которой возможно восстановление технологических показателей при возобновлении нормального электропитания.
Процесс подхвата вращающегося двигателя при питании от ПЧ отличается от описанного самозапуска при питании от сети. В интервале времени t4 - (5 происходит восстановление готовности преобразователя к пуску, обозначенное на рис. 2.2 временем синхронизации tcmxp. В случае успешного самозапуска в момент t5 начинается разгон с темпом, определяемым перегрузочной способностью преобразователя частоты.
Кроме того, за время /шшр частота вращения электропривода продолжает снижаться до величины шост.ич, что еще более усугубляет проблему восстановления режима из-за увеличения необходимого времени разгона.
В принципе, как показывает анализ технических описаний преобразователей частоты различных фирм, практически все они подтверждают возможность обеспечения самозапуска двигателей от производимых ими ПЧ. На практике оказывается, что в целом ряде случаев обеспечивается не старт "на лету", а перезапуск ЧРП практически от нулевой или очень малой частоты вращения. Очевидно, что общее время самозапуска ЧРП ответственных механизмов при этом недопустимо увеличивается.
Проведенный анализ, результаты обзора литературных источников и анализ опыта эксплуатации ЧРП Пиковой котельной и ОАО «ММК» позволили выделить следующие основные отличия самозапуска нерегулируемых и частотно-регулируемых электроприводов.
В реальных условиях самозапуск частотно-регулируемого электропривода в 90% случаев происходит без реализации функции "пуск в лёт". Это связано либо с ее отсутствием (как в преобразователе SB-17 ), либо с некорректной работой алгоритма, реализующего эту функцию. Известные исследования данной функіши выполнялись только для высоковольтных ЧРП с источниками тока, информация о подобных исследованиях для ПЧ с инвертором напряжения с ШИМ отсутствует.
При провалах напряжения практически через 30 мс происходит отключение ПЧ от сети и далее при отсутствии вышеназванной функции свободный выбег АД до полной остановки. Это подтверждено исследованием авторов публикаций [90, 119, 120]. Затем происходит разгон практически с нулевой скорости до установившейся. Длительность паузы более 30 мс и глубина провала при отсутствии функции "пуск в лёт" влияния на переходный процесс практически не оказывают, т.к. двигатель развязан с сетью. Изменения скорости при больших маховых массах не валу электродвигателя за промежуток до 30 мс времени незначительны.
С точки зрения реальной ситуации в 90% случаев нужно сравнивать: самозапуск нерегулируемого электропривода (с учетом времени выбега и остаточного напряжения сети) и выбег до нулевой скорости и последующий частотный разгон АД до установившейся скорости при восстановленном напряжении. В случае недопустимого снижения давления срабатывает защита по давлению подаваемого воздуха либо разрежению в топке, и происходит аварийный останов котла.
Техническая реализация переключения обмоток двухскоростного АД в условиях Пиковой котельной
На рис. 4.4, б представлены осциллограммы напряжений и токов для режима, при котором с помощью статического компенсатора СТАТКОМ производится перераспределение потребление энергии между вводами. В исходном режиме напряжение на вводах практически одинаковы: 411 В - по первому вводу, и 414 В - по второму. В результате преобразователь частоты потребляет активную энергию по каждому из них, что подтверждают представленные осциллограммы токов. Поставлена задача - перевести преобразователь на питание только по первому вводу, с этой целью увеличивается задание на реактивный ток статического компенсатора. Протекание реактивного тока через реактор (сетевой дроссель на рис. 4.2), установленный на вводе №1, создает дополнительное падание напряжения, в результате чего общее напряжение на этом вводе увеличилось с 411 В до 455 В. Как следует из осциллограмм, этого оказалось достаточным, чтобы ток, потребляемый по второму вводу, снизился практически до нуля, и активная энергия, необходимая для работы преобразователя, стала поступать только по первому вводу.
На рис. 4.5, а представлены осциллограммы напряжений и токов при изменении действующего значения напряжения на вводе №2 и введённом в работу статическом компенсаторе. Поставлена задача - исследовать способность СТАТКОМа обеспечить приоритетность одного из вводов (приоритетного) при изменении напряжения на втором (резервном) вводе под действием различных факторов. Как следует из осциллограмм, при изменении напряжения на вводе №2 на ±8% в диапазоне от 384 В до 418 В, за счет работы статического компенсатора на вводе №1 напряжение изменилось от 422 В до 458 В. Причем разницы в напряжениях по вводам оказалось достаточно, чтобы преобразователь частоты получал питание только по вводу №1: потребление тока по второму вводу равно нулю. Таким образом, экспериментально подтверждена способность статического компенсатора сохранять приоритетность одного из вводов.
Однако в показанном случае напряжение на вводе №1 все время превышает напряжение на вводе №2. На рис. 4.5, б представлены осциллограммы, когда напряжение на вводе №1 как превышает, так и становится ниже напряжения на вводе №2. В этом случае происходит изменение характера тока, потребляемого СТАТКОМом из сети, что приводит к перераспределению токов, потребляемых по вводам.
В интервале времени от 0 до 2 с действующие напряжения на вводах приблизительно одинаковы: 419 и 412 В. В интервале от 2 до 7 с напряжение на вводе №1 увеличивается от указанного значения до 454 В. Ток СТАТ-КОМа приобретает емкостный (опережающий) характер. Суммарный ток, потребляемый по вводу 1, увеличивается, ток по вводу 2 снижается до нуля.
В интервале времени от -10 до -15 с характер процессов противоположный. Напряжение на вводе 1 снижается до 386 В и становится меньше напряжения на вводе 2, равного 406 В. Ток СТАТКОМА приобретает индуктивный характер, обеспечивая поддержание напряжения на вводе №2 на уровне, близком к первоначальному. Потребление токов по вводам также перераспределяется .
Разработанный принцип электропитания электропривода от двух вводов прошел опытно-промышленные испытания на дутьевом вентиляторе котла № 4 Пиковой котельной. Для технического исполнения преобразователя частоты со сдвоенным звеном постоянного тока использовались два преобразователя частоты SB-17 С3300У: преобразователь, подключенный для питания двигателя ДАЗО 12-42- 6/8 и ПЧ, предназначенный для питания дымососа того же котла, в настоящее время находящийся в резерве. Питание преобразователей осуществляется от двух секций 0,4 кВ, подключенных к независимым шинам 6 кВ. Эксперименты проводились при неработающем котле №4. Регистрация параметров, как и в случае лабораторных исследований, осуществлялась с помощью программно-аппаратного комплекса «S-recorder».
Для реализации принципа питания преобразователя частоты от двух вводов необходимо объединить звенья постоянного тока двух преобразователей. В конструкции ПЧ «Сбережок» предусмотрена возможность подключения к звену постоянного тока [88]. Были произведены следующие соединения (рис. 4.7): зажим постоянного тока РА/+ первого преобразователя внешним образом был присоединен к соответствующему зажиму второго преобразователя, аналогичное соединение выполнено в отношении отрицательных полюсов PC/- этих преобразователей. Следует отметить, что никакой дополнительной коммутирующей аппаратуры, связывающей два ПЧ, установлено не было. Это объясняется тем, что всякая коммутация под током в цепях с IGBT транзисторами может привести к нежелательным перенапряжениям и выходу полупроводниковых ключей из строя.