Требования к частотно-регулируемым электроприводам по обеспечению режима самозапуска

Особенности самозапуска асинхронных и синхронных двигателей нерегулируемых по частоте вращения

А.Т. Султанов, Г.Б. Лазарев

Как известно [1,2], значительного повышения надежности работы тепловых станций можно достигнуть, если при кратковременных снижениях или даже полном исчезновении напряжения на шинах системы электроснабжения собственных нужд, вызванных короткими замыканиями, не отключать от сети электродвигатели ответственных механизмов собственных нужд (дутьевых вентиляторов и дымососов котлов, сетевых насосов и т.п.). Тогда после восстановления нормального напряжения начинается их самозапуск, который можно рассматривать как индивидуальный или групповой (если к шинам подключены несколько двигателей разных механизмов) пуск от промежуточной частоты вращения, до которой успели затормозиться двигатели с технологическими механизмами собственных нужд в аварийном режиме.

Самозапуском называется восстановление нормальной работы электродвигателя с механизмом на валу без вмешательства эксплуатационного персонала после кратковременного перерыва электроснабжения или глубокого снижения напряжения.

Самозапуск считается обеспеченным, если после восстановления напряжения агрегат разогнался до нормальной частоты вращения и продолжает длительно работать с нормальными (доаварийными) производительностью механизма и нагрузкой двигателя.

Очевидно, что самозапуск следует применять только для тех механизмов, от работы которых в значительной мере зависит надежность работы котлов. Для РТС – это, прежде всего дутьевые вентиляторы горелок котлов ПТВМ, дутьевые вентиляторы и дымососы котлов КВГМ, сетевые насосы

Специфика применяемых электроприводов в том, что если для тягодутьевых машин котлов – это асинхронные двигатели 0,4 кВ и 6 кВ то для сетевых насосов, наряду с асинхронными двигателями (преимущественно 6 кВ), применяются синхронные турбодвигатели 10 кВ.

Самозапуск нерегулируемых по частоте вращения электродвигателей имеет следующие основные отличия от пуска:

При затяжном самозапуске наибольшую опасность представляют отклонения от нормы таких технологических параметров, как снижение подачи воздуха в котел, снижение разрежения в топке котла, уменьшение расхода сетевой воды. Технологические защиты, реагируя на эти отклонения, отключают котел, что приводит к серьезной аварийной ситуации на РТС.

Процесс самозапуска принципиально можно разделить на два этапа:

В общем случае выбег представляет собой сложный электромеханический процесс, протекающий по разному для асинхронных и синхронных двигателей и подробно исследованный в [1,3].

Отметим, что характер электромеханического переходного процесса зависит от длительности перерыва питания, нагрузки двигателя, его параметров и параметров сети. Каждый двигатель при выбеге развивает э.д.с. в обмотке статора. У асинхронных двигателей она невелика, по сравнению с синхронными.

При значительных э.д.с. на процессе выбега сказывается взаимное влияние двигателей, подключенные к общим шинам: агрегаты с более высоким моментом инерции работают, как генераторы, а с малым моментом инерции – как двигатели. При этом изменение частоты вращения всех двигателей происходит одинаково, т.е. имеет место групповой выбег. Как только остаточное напряжение на шинах, которое зависит от «подпитки» двигателями, снизится до 0,25 номинального значения напряжения, дальнейший выбег каждого агрегата происходит индивидуально без взаимного влияния двигателей.

Практически все механизмы собственных нужд 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

где ω — угловая скорость (о.е.), отнесенная к синхронной угловой скорости;
t – время от момента исчезновения напряжения, с;
τ _j — механическая постоянная времени агрегата, с , при коэффициенте загрузки двигателя K _з ≈ P / P _ном .

где J _np — приведенный момент инерции агрегата, кг.м²;
J _Д — момент инерции двигателя;
J _мех — момент инерции механизма.

Зная время перерыва питания и положив, что в момент нарушения электроснабжения агрегат вращался с угловой скоростью, равной синхронной скорости двигателя, можно по приведенным соотношениям без большой погрешности вычислить угловую частоту вращения в о.е. в момент восстановления напряжения.

В общем случае определение возможности самозапуска асинхронных двигателей, нерегулируемых по частоте вращения, сводится к следующим расчетам:

Иначе протекает режим разгона нерегулируемых по частоте синхронных двигателей после восстановления напряжения питания:

Наиболее неблагоприятные электромагнитные и электромеханические процессы при самозапуске синхронных двигателей возникают при несинхронном включении возбужденных двигателей. Такое включение сопровождается значительными бросками тока в обмотках и электромагнитных моментов вращения, приводящих к значительным электродинамическим воздействиям на обмотку статора и удары по валопроводу.

Максимальное значение периодической составляющей тока при несинхронном включении

(5)

где(X _c — индуктивное сопротивление питающей сети).

Соотношение (5) определяет максимальное значение периодической составляющей тока при несинхронном включении в противофазе, если в самозапуске участвует только один двигатель.

При несинхронном включении группы двигателей, участвующих в самозапуске, максимальное значение периодической составляющей тока i-го двигателя

(6)

Нетрудно заметить, что по соотношению (6) можно определить токи несинхронного включения при самозапуске как одного, так и группы двигателей.

Подставляя в (6) X»d _i в о.е. отнесенных к номинальным параметрам i-го двигателя, получим кратность тока несинхронного включения по отношению к номинальному тока рассматриваемого двигателя вне зависимости от базисных условий, принятых для определения X» _c и X»d _Σ .

Допустимость несинхронного включения синхронных двигателей определяется по сопоставлению усилий, возникающих в двигателе при несинхронном включении и коротком замыкании.

Максимальное значение периодической составляющей тока в обмотке статора синхронного двигателя при коротком замыкании на выводах

(7)

Или, положив, как обычно, в о.е. X»q = 1,05, получаем

Нетрудно заметить, что величина Iкз ∗ X»d — кратность тока при коротком замыкании на выводах статора по отношению к току прямого пуска при напряжении U=1.0.

Аналогично (7) можно выразить ток несинхронного включения, как

(9)

С учетом преобразований выше приведенных соотношений получим

(10)

X»dp — учитывает возможность подключения одного или группы двигателей к шинам через реактированные (Хр) фидеры.
K _I – коэффициент, характеризующий допустимое превышение тока при несинхронном включении по сравнению с током, возникающим в синхронном двигателе при коротком замыкании.

Для синхронных двигателей мощностью менее 2000 кВт, допускающих пуск от полного напряжения сети, можно на основании экспериментальных данных ВНИИЭ принять 1,05 ∗ K _I = 1,7.

Во всех случаях, как показывают исследования, для двигателей мощностью менее 2000 кВт определяющим является не условие допустимости несинхронного включения моменту (подробно рассмотрено в [3]), а условие допустимости несинхронного включения синхронного двигателя по току.

При перерывах питания, длительность которых не превышает значения

(11)

возбужденнные синхронные двигатели втягиваются в синхронизм без каких-либо специальных мер.

Соотношение (11) справедливо, если за время перерыва питания скольжение двигателя не превысит критического значения, определяемого из условий 100%-ной синхронизации (условие Эджертона [5])

(12)

где m _мех — приведенный момент сопротивления нагрузки, о.е.
m _с.м.к. — синхронный момент двигателя, соответствующий критическому скольжению.

В то же время при перерывах электроснабжения с последующим действием АПВ и АВР, время перерыва питания, как уже отмечалось, при отсутствии быстродействующих защит превышает величину, определяемую по (11). В этом случае успешная ресинхронизация возможна, если для всех значений скольжений от единицы до критического асинхронный момент будет больше механического момента на валу и генераторного момента от тока возбуждения, т.е. для всех значений

(13)

где r – приведенное активное сопротивление обмотки статора.

В заключение отметим, что, как показывают исследования и расчеты, для синхронных двигателей мощностью до 2000 кВт, нерегулируемых по частоте вращения, допустимость несинхронного включения (НАПВ) определяется величиной тока при τ _c > 2,5 c.

Если сеть мощная (Xo / X _Σ мало) и расчетные кратности тока и момента превышают допустимые значения, то для уменьшения этих кратностей необходимо гасить поле двигателя воздействием на возбуждение. При этом момент снижается быстрее, чем ток и величина E» ₄ доп, определяющая ток, как правило, не превышает 0,5-0,6 U _{ном дв} .

Особенности самозапуска частотно-регулируемых электродвигателей.

Самозапуск частотно-регулируемых электродвигателей 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).

В классическом понимании процесс самозапуска индивидуального частотно-регулируемого электропривода (рис.1.б) после перерыва электроснабжения с последующим восстановлением напряжения в сети, также, как было рассмотрено выше, можно разделить на два этапа – этап выбега электродвигателя, подключенного к преобразователю частоты, с механизмом на валу и этап частотного пуска двигателя от частоты вращения, соответствующей окончанию выбега после восстановления напряжения питания преобразователя частоты, до частоты вращения, соответствующей режиму предшествующему нарушению электроснабжения.

Особенность участия в самозапуске двигателей, подключаемых к сети через преобразователи частоты – в сниженных до 1,2-1,5 номинального значения токов потребляемых ЧРП из сети.

Это благоприятно сказывается на процессе восстановления напряжения в сети и на электромагнитных и электромеханических процессах нерегулируемых двигателей, участвующих в групповом самозапуске [4].

Сразу после отключения преобразователей частоты с подключенными к ним двигателями начинается выбег последних, несколько отличающийся от обычного выбега нерегулируемых двигателей тем, что после срабатывания защиты преобразователя от снижения напряжения питания (уставка такой защиты лежит обычно в диапазоне 0,65-0,75 номинального напряжения силовые полупроводниковые приборы преобразователя частоты запираются по управлению, двигатель с незатухшими полем отделен от сети преобразователем и не подпитывает точку короткого замыкания, а также другие двигатели, подключенные к этим шинами.

Плавный пуск двигателей с преобразователем частоты в статоре должен начинаться практически сразу после восстановления напряжения и разблокирования преобразователя частоты. При этом пуск двигателей должен происходить практически от той частоты вращения, до который двигатели «выбежали».

Режим включения преобразователя частоты с подхватом вращающегося двигателя (старт «на лету», или рестарт) без перерегулирования его частоты вращения должен обеспечиваться системой управления преобразователя, предотвращающей возникновение режима генераторного торможения из-за возможного несоответствия частоты поля ротора и частоты тока статора в момент подачи импульсов управления на вентили преобразователя и разблокировки последнего. Обычно поиск частоты вращения, соответствующей окончанию выбега, осуществляется программным способом (считыванием текущей частоты вращения из модели двигателя).

В принципе, как показывает анализ технических описаний преобразователей частоты различных фирм, практически все они подтверждают возможность обеспечения самозапуска двигателей от производимых ими преобразователей частоты.

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.

Существенное влияние на протекание режима самозапуска оказывает тип фильтра, включаемый на выходе преобразователей на основе ШИМ-АИН. В качестве примера на рис. 2 и 3 приведены осциллограммы режима самозапуска двигателя 320 кВт с нагрузкой на валу 120 кВт, регулируемого от преобразователя частоты фирмы Vacon с выходным LC-фильтром [5]. Как видно из осциллограмм рис.2, после восстановления питания попытка преобразователя выполнить рестарт (подхват) двигателя привела к опрокидыванию последнего, после чего разгон двигателя от преобразователя до номинальной частоты вращения был осуществлен через 5с с темпом

200 мин -1 с. Осциллограммы на рис.3 иллюстрируют режим успешного рестарта при отключенном LC-фильтре. Здесь бестоковая пауза составила около 2 с. После восстановления питания действительная частота вращения двигателя была определена за

В процессе разгона двигателя от преобразователя частоты ток вырос до 300А (

1,27 номинального тока преобразователя). Весь процесс возврата к исходному (до перерыва питания) режиму занял около 3 с. Отметим, что в процессе рестарта выходной ток преобразователя (ток в двигателе) не достигал предельного значения (ограничение тока на уровне 405А).

Рестарт также обеспечивался и при наличии на выходе преобразователя частоты du/dt-фильтра (L-фильтра), что видно из осциллограмм на рис. 4 и 5. На рис.4 показан режим самозапуска насосного агрегата к частоте вращения 990 мин -1 при перерыве питания 1,5 с. Начало самозапуска – через примерно 2,4 с, выход на режим занимает не более 3,3 с.

Осциллограммы на рис.5 иллюстрируют рестарт при очень коротком перерыве питания (на время переключения выключателя). Этот режим характерен тем, что магнитный поток выбегающего двигателя не обнулялся за это время, что в принципе облегчает поиск частоты выбегающего электропривода с насосом. В этом режиме начальное (исходное) напряжение сети – 0,8 номинального, а после восстановления напряжения — номинальное.

В качестве еще одного примера можно рассмотреть режим самозапуска электропривода 800 кВт, 6000В с высоковольтным преобразователем частоты фирмы «Allen-Bradley» сетевого насоса на одной из НПС Тепловых сетей ОАО «Мосэнерго» [6].
Нагрузка ЧРП по мощности (моменту) составляла около 65%. Исходная частота вращения 820 мин -1 (41 Гц). Уставка защиты от понижения напряжения в сети составляла 0,7 номинального значения напряжения.

При срабатывании защиты устройство управления запирает тиристоры преобразователя и электропривод совершает свободный выбег. В соответствии с заложенным алгоритмом (параметр Auto restart dly) после восстановления напряжения система управления преобразователя 1557 MV осуществляет поиск частоты вращения выбегающего электропривода и осуществляет его подхват или плавный пуск от практически нулевой частоты вращения, если перерыв питания был более 5 с до выхода на предшествующий потере питания режим работы.

При проведении опытов самозапуска ЧРП 1557MV моделировались перерывы питания 0,2 с и 2 с. В первом случае возбуждения (магнитное поле двигателя) не успевает сколь-либо существенно уменьшиться. На статоре двигателя сохраняется напряжение, что облегчает процесс поиска частоты вращения и подхват двигателя.
Во втором случае магнитный поток двигателя успевает уменьшиться до такой величины, что напряжение на статоре становится пренебрежимо малым. Это усложняет процесс поиска частоты вращения и требует использования для этих целей других алгоритмов, заложенных в систему управления электропривода 1557MV.
Осциллограммы на рис. 6 – 9 моделируют режим рестарта при перерыве питания 0,2 с.
Осциллограммы на рис. 10-12 иллюстрируют режим рестарта при перерыве питания 2,1 с.

Особенность режима – исходное напряжение сети 1.03 номинального, восстановленное после перерыва питания – пониженное до

0,92 номинального значения. Кроме того, ток двигателя при самозапуске не превышал

0,86 номинального (в токе значительная доля реактивной составляющей, т.к. разгруженный двигатель имеет сниженный cos φ). Фактически разгон ведется под действием электромагнитного момента, равного, как указывалось выше, примерно 0,65 номинального.

Поэтому темп разгона (интенсивность — «рамп» – об/мин за сек) двигателя невысокий и время выхода на исходную частоту вращения при перерыве 2.1 с около 15 с. При форсировании тока, например, до 1,25-1,3 номинального (преобразователь допускает перегрузку 150% в течении 1 мин) это время можно сократить до 3-4 с.

Следует отметить, что в электроприводах с высоковольтными преобразователями на основе топологии «multy-level» (Tosvert MV, Perfect Harmony, Meltrac), которые благодаря многоступенчатой форме выходного напряжения не содержат выходного фильтра, режим рестарта обеспечивается. Это подтверждают и сами фирмы-изготовители в информационных материалах.

Что касается высоковольтных преобразователей АВВ (ACS-1000) и Siemens (Simovert-MV), содержащих на выходе LC-фильтр, то никакой достоверной информации о возможности обеспечения рестарта фирмы не приводят.

Иначе формируются процессы в режиме самозапуска для схемы включения преобразователей частоты с «электрическим» байпасом (рис.1.а). Применение «электрического» байпаса в схемах ЧРП ответственных механизмов (например, дутьевых вентиляторов, дымососов, котлов на РТС, питательных насосов котлов на ТЭС и т.п.), а также в схемах группового управления, позволяет иметь дополнительное резервирование при отказе преобразователя. В этом случае преобразователь частоты отключается от сети и двигателя своими защитами, двигатель становится на некоторое время неуправляемым и совершает выбег. После включения байпасного выключателя двигатель подключается к сети, что сопровождается броском тока. Величина и длительность апериодической составляющей тока зависит от суммарного времени, определяемого временем защиты преобразователя и временем отключения выключателя Q3 и включения выключателя Q2 (рис.1.а). Если обеспечивать всякий раз погасание поля двигателя (задерживать включение Q3), то, во-первых, двигатель будет выбегать до более низких оборотов, а во-вторых, как показывают экспериментальные исследования этого режима, снижение величины апериодической составляющей тока будет не более, чем на 3-5%, т.е. она слабо зависит от выдержки времени АВР. Зато полное время АВР при переключении вращающегося двигателя на сеть будет примерно в 1.3-1.8 раза быстрее, чем при АВР с пуском двигателя резервного агрегата

В качестве примера на рис.13 приведена осциллограмма переключения синхронного двигателя СТД (4000 кВт, 6 кВ) питательного насоса котла в режиме «электрического байпаса». Как видно из осциллограммы, вследствие малого времени перерыва синхронный двигатель, работавший при номинальных параметрах, удалось включить в сеть в режиме синхронизма без бросков тока.

Преобразователи частоты, применяющиеся в электроприводах ответственных механизмов РТС (сетевых и рециркуляционных насосов, дутьевых вентиляторов, дымососов) должны обеспечивать реализацию режима самозапуска (подхвата выбегающего двигателя). При этом максимально допустимое время режим от начала перерыва электроснабжения до выхода механизма на предшествующий режим при максимальном времени перерыва питания 2,5 с не должно превышать 6-8 с.

Преобразователи частоты должны допускать необходимую перегрузку по току в режиме разгона при самозапуске в диапазоне 1,1- 1,5 номинального значения.

При этом «рамп», т.е. интенсивность разгона (об/мин за сек.) должен автоматически изменяться, чтобы обеспечить выход на режим, предшествующий перерыву питания, за минимальное время при указанных перегрузках.

1. Голоднов Ю.М. Самозапуск электродвигателей. – М.: Энергоатомиздат, 1985
2. Электрическая часть электростанций. Под ред. С.В.Усова. – Ленинград: «Энергия», 1977
3. Слодарж М.И. Режимы работы релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей. – М.: Энергия, 1977
4. Лазарев Г.Б., Лохматова Е.А. Анализ особенностей процессов в системах электроснабжения собственных нужд ТЭС, содержащих электродвигатели с регулируемой частотой вращения. – Техническая электродинамика. Тематический выпуск «Моделирование электронных, энергетических и технологических систем», ч. 1 Киев: Изд-во АН Украины, 1999г., с. 58-61
5. Техническая информация «Технические консультации по наладке и испытаниям преобразователей частоты VSI-90SCX4 и VSI-132SCX4 на стенде СТ-1421К». – Инженерный Центр ЭНЭЛ, Москва, 2003
6. Техническая информация ОАО ВНИИЭ «Исследования переходных процессов в частотно-регулируемом электроприводе типа 1557MV сетевого насоса СН-1 НПС «Ховрино». Москва, 2003г.