книги из ГПНТБ / Вершинин П.П. Применение синхронных электроприводов в металлургии

Г л а в а I

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И КОНСТРУКЦИЯ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ,

ПРИМЕНЯЕМЫХ В МЕТАЛЛУРГИИ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И НОМИНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В металлургической промышленности чаще применяют синхронные двигатели с горизонтальным расположением вала. В зависимости от скорости вращения синхронные двигатели изготавливают в двух основных конструктив­ ных исполнениях: неявнополюсными при п =3000 об/мин и явнополюсными—«^ 1500 об/мин. Конструктивное исполнение двигателя определяется механической проч­ ностью ротора.

По способу защиты от внешних воздействий разли­ чают три основные конструктивные формы исполнения синхронных двигателей:' открытые, защищенные и за­ крытые. В открытых двигателях вращающиеся и токо­ ведущие части не защищены от случайных внешних ме­ ханических воздействий и попадания в машину посто­ ронних предметов. В закрытых машинах внутренняя об­ ласть машины защищена от проникновения внешнего воздуха. В металлургической промышленности широкое применение нашли синхронные двигатели всех исполне­ ний большой и средней мощности, явнополюсные и не­ явнополюсные следующих типов: СДН, СДС, СДСЗ, СДК, СДМЗ, СДП, ДС, ДСЗ, ДСК, ДСП, МС, МСЗ, МСП, СМ, СТМ, СТМП, СТД, Ю—21-го габаритов (см. приложение I). Габарит синхронного двигателя опреде­ ляется внешним диаметром D0 пакетов статора:

Обозначение типа двигателя расшифровывается следующим об­ разом: С — синхронный, Д — двигатель, Н — нормальное исполне­ ние, С — специальное исполнение, 3 — закрытое исполнение, П —

11

продуваемый под избыточным давлением, К — компрессорный, М— машина, Т — в тропическом исполнении. Синхронные двигатели спе­ циального исполнения по электрическим параметрам или конструк­ тивным элементам выполняются по специальным техническим усло­

виям.

В двигателях типа МС и МСЗ число 320 обозначает серию, третья цифра серии, поставленная вместо нуля, указывает габарит машины (цифра 1—16-й габарит, 2—17-й и т. д.), после черты в виде дроби в числителе указывается число пакетов сердечника статора (условная длина статора), в знаменателе — число полюсов. Напри­ мер, МС-325—15/12 обозначает машину синхронную, 20-го габарита, с сердечником из 15 пакетов, двенадцатиполюсную (500 об/мин). В двигателях ДС и ДСЗ первые две однозначные цифры характери­ зуют габарит машины, последующие две цифры определяют число пакетов в сердечнике статора, следующие за ними через тире одна две цифры обозначают число полюсов. Например, ДСЗ-2121— 16 обо­ значает: двигатель синхронный, защищенный, 21-го габарита, с сер­ дечником из 21 пакета, шестнадцатиполюсный (375 об/мин). Синхрон­ ные двигатели СТД неявнополюсные нЗ 3000 об/мин изготавливают­ ся с массивным ротором по типу турбогенераторов и называются синхронными турбодвигателями. В обозначении первая цифра после тире указывает мощность в кВт, вторая после тире везде 2 — число полюсов.

К номинальным параметрам синхронных двигателей, характеризующим номинальный режим работы, отно­ сятся следующие.

1. Номинальная мощность двигателя, равная пол ной механической нагрузке двигателя на валу в номи­ нальном режиме Рн, кВт. Номинальная мощность свя­ зана с полной мощностью, потребляемой двигателем из сети SH, следующим соотношением:

НТ]н cos фн ’

В тех случаях, когда от двигателя с опережающим номинальным coscp не требуется генерация реактивной мощности, он может работать при coscp, равном едини­ це (сила тока возбуждения ниже номинальной), с со­ ответствующим повышением полезной мощности.

Номинальная мощность двигателей, как и другие но­ минальные параметры, относится согласно ГОСТ 183— 66 к работе машин на высоте до 1000 м над уровнем мо­ ря и при температуре охлаждающего воздуха 40° С. Параметры двигателей, спроектированных до утвержде­ ния ГОСТ 183—66 (1966 г.) относятся к температуре ох­

12

лаждающего воздуха 35° С. При температуре, воздуха, отличной от 40°С (35°С), номинальная мощность син­ хронных двигателей должна быть соответствующим об­ разом изменена. Ниже приведены пределы изменения полезной мощности двигателей ДС и ДСЗ при откло­ нении температуры окружающего воздуха от 35° С:

линейному напряжению. Синхронные двигатели боль­ шой и средней мощности изготавливают на номиналь­ ное напряжение 10 или 6 кВ. По согласованию с заво- дом-изготовителем двигатели специального исполнения могут выполняться на два напряжения: 6 и 3 кВ. Дви­

при номинальной частоте тока. Синхронные двигатели

телем из сети активной мощности в номинальном режи­

Двигателях принят cosq)H= 0 ,8 или cos(pH= 0,85 при опе­ режающем токе. Крупные двигатели специального ис­

13

полнения выпускаются с cos фн=0,92н-0,95. Все син­ хронные двигатели в номинальном режиме генерируют

всеть реактивную мощность.

7.Номинальная частота тока /н.

8.Номинальная сила тока возбуждения 7/н. соот­ ветствующая номинальному режиму двигателя.

Перечисленные номинальные параметры указывают­

ся на заводском щитке машины. Однако термин «номи­ нальный» применяется и к другим данным, относящим­ ся к номинальному режиму. В каталогах синхронных двигателей, кроме перечисленных параметров, часто приводятся следующие данные:

1) номинальное напряжение возбуждения UfS— на­ пряжение на контактных кольцах обмотки возбуждения при питании ее номинальным током возбуждения и со­ противлении обмотки, приведенном к расчетной рабочей температуре 75° С при постоянном токе*;

2)кратность максимального момента двигателя (статическая перегружаемость) Мтах/Мв,

3)пусковые данные двигателя / п//н; Мп/Мв\ Mo,os/MB,

где / п, Ми — пусковые ток статора и момент, M0fi5 — входной момент;

4) момент инерции ротора / кгс-м2 (или маховой момент GD2, кгс-м2);

5)масса ротора и машины, т;

6)отношение короткого замыкания.

В более полных каталогах приводятся параметры обмоток статора и ротора: активные, индуктивные со­ противления и постоянные времени.

Обмотки статоров синхронных двигателей обычно соединяют в «звезду». Другие системы соединения фаз возможны по согласованию с предприятием — изготови­ телем двигателя. Нормально двигатели имеют три вы­ водных конца обмотки статора, а в двигателях специ­ ального исполнения их.может быть 4, 6, 9 или 12; 9 и 12 выводов необходимо для подключения двигателя к сети 3 и 6 кВ. Обозначение выводов обмоток статора син­ хронных двигателей дано в табл. 1.

Выводы обмотки возбуждения обозначаются буква­ ми: начало U\ и конец 1/г.

* ^°„ 70СТ 183—66 расчетная рабочая температура принимает­ ся равной 75° С для обмоток с изоляцией классов нагревостойкости А, Е и В и 115° С — для обмоток с изоляцией классов F и Н.

14

Обмотки синхронных двигателей в нормальном ис­ полнении имеют изоляцию класса нагревостойкости В. Предельно допустимое превышение температуры для данного класса изоляции при измерении ее методом со­ противления или методом температурных индикаторов по ГОСТ 8865—70 установлено 80° С. Исключение со­ ставляет изоляция обмотки возбуждения неявнополюс­ ных двигателей, для которой предельное превышение температуры установлено 90° С.

В качестве возбудителей синхронных двигателей ис­ пользуются преимущественно генераторы постоянного тока общепромышленного применения.

На двигателях 14—20-го габаритов при скоростях вращения 3000—600 об/мин возбудитель соединяют с валом двигателя эластичной муфтой. При скоростях 500—214 об/мин для соединения применяют клиноре­ менную передачу. При скоростях 187— 100 об/мин при­ меняют отдельно установленные преобразовательные аг­ регаты.

В последнее время на крупных синхронных двигателях интенсив­ но внедряют в качестве возбудителей статические преобразователи: ртутные и полупроводниковые. Некоторые предприятия-изготовители комплектуют выпускаемые ими двигатели тиристорными преобразо­ вателями. Например, Лысьвенский турбогенераторный завод выпус­ кает двигатели типа СТД с тиристорными возбудителями серии ТВУ.

15

2. УСТАНОВКИ С СИНХРОННЫМИ ПРИВОДАМИ НА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ЗАВОДАХ

На предприятиях черной металлургии в эксплуата­ ции находится большая группа ответственных механиз­ мов с приводными синхронными двигателями, перерыв

вработе которых по условиям технологического процес­ са недопустим, например газодувки газоповысительных станций, насосы, подающие воду для охлаждения фурм доменных печей, агрегаты собственных нужд заводских ТЭЦ и паровоздушных станций. Даже кратковременная непредвиденная остановка таких механизмов в резуль­ тате аварии привода или нарушения электроснабжения при коротком замыкании в сети может привести к круп­ ным авариям е тяжелыми последствиями (несчастные случаи, повреждение оборудования, потери производст­ ва и др.).

Значительный ущерб производству наносит аварий­ ная остановка привода непрерывного или полунепре­ рывного прокатных станов с одновременной прокаткой

внескольких клетях. Нагретый металл, находящийся в валках, остывает и для его удаления приходится прибе­ гать к газорезочным работам. На ликвидацию такой

.аварии затрачивается не менее 1—2 ч. Поэтому первое требование к металлургическому электроприводу — на­ дежность и бесперебойность в работе.

Особенностью эксплуатации синхронных электропри­ водов в прокатном производстве являются частые и рез­ кие колебания нагрузки на валу. Поэтому приводные двигатели и машины преобразовательных агрегатов должны обладать высокой перегрузочной способностью,

асистемы электроснабжения — достаточной мощностью.

Вмощных системах пики нагрузки, передаваемые син­ хронными двигателями в сеть, не вызывают чрезмерных колебаний напряжения на шинах подстанции.

Значительные затруднения при работе синхронных приводов в некоторых цехах металлургических заводов возникают вследствие чрезмерной запыленности окружающей среды. Известно, например, что на двигателях, работающих в агломерационных цехах, не всегда удается обеспечить устойчивое возбуждение матицы. Большое влия­ ние на режим возбуждения оказывает вызываемое запыленностью непостоянство сопротивления щеточных контактов возбудителя, дви­ гателя и регулировочного реостата. Стабилизация режима возбужде­ ния в подобных установках достигается в результате применения

16

По режиму работы и характеру нагрузки электро­ приводы с синхронными электродвигателями, применяе­ мые на металлургических предприятиях, можно разде­ лить на следующие группы:

1) синхронные электроприводы с ударной знакопе­ ременной нагрузкой, работающие в повторно кратко­ временном режиме;

2)электроприводы с ударной однозначной нагруз­ кой, работающие в перемежающемся режиме;

3)электроприводы с ударной пульсирующей на­

грузкой; 4) электроприводы с практически неизменной и

плавноизменяющейся нагрузкой.

К первой группе относятся электроприводы преобра­ зовательных агрегатов реверсивных прокатных станов. Мощность двигателей этой группы находится в преде­ лах 5—25 MBA. Наиболее распространенные типы дви­ гателей МС, ДСЗ, СДСЗ. Нагрузка характеризуется че­ редованием двигательного и генераторного режимов. Длительность приложения нагрузки 1—5 с, кратность

ен игает 3,5 Мн и даже выше. Пуск двигателей этой груп­ пы осуществляют вхолостую, поэтому к ним не предъ­ являют особые требования в отношении пусковых и входных моментов: Мп/Мн=0,35-ь0,40; М0,о5/Мн=0,25-^- -i-0,30; кратность максимального момента Мтах/Мн=

=2,5-f-3,5 [12].

На рис. 1, 2 приведены осциллограммы работы син­ хронных электроприводов с ударной знакопеременной нагрузкой.

Сравнительно недавно в приводах преобразовательных агрега­ тов реверсивных станов преимущественно применяли асинхронные двигатели с маховиками и регуляторами скольжения. От действия больших маховых масс толчки нагрузки на валу двигателя частично сглаживались и не передавались в питающую сеть. Кроме того, за счет кинетической энергии маховика удавалось несколько снижать мощность приводного двигателя. Однако за последние 10—15 лет асинхронные двигатели в приводах с резкопеременной' нагрузкой уступают место безмаховичным синхронным агрегатам, обладающим большими технико-экономическими преимуществами. К ним, кроме перечисленных ранее преимуществ синхронных двигателей, относятся: отсутствие потерь электроэнергий в маховике и регуляторе скольже­ ния, снижение стоимости привода и постоянство скорости генерато­ ра при ударной нагрузке, облегчающее задачуГрегущшббаним напри-—

I U b t T A П и и л г / ч п л п .

жения. Кроме того, было доказано, что в приводах современных ре­ версивных станов, характеризующихся минимальным временем цикла прокатки, работа маховика малоэффективна, так как энергия его . не успевает восстанавливаться за время паузы между проходами метал­ ла [13, 14].

Вопрос о влиянии толчков нагрузки на сеть при сов­ ременных мощных системах электроснабжения метал-

Рис. 1. Осциллограммы работы синхронного привода преобразовательно­ го агрегата универсального стана 5 MBA при знакопеременной нагрузке

Рис. 2. Осциллограммы работы синхронного привода преобразова­ тельного агрегата блюминга 1150 14MBA при знакопеременной на­ грузке

18

лургических заводов теряет свою актуальность. Этому способствует внедрение на приводах автоматического регулирования возбуждения. Пики нагрузки, передава­ емые синхронными двигателями с АРВ в сеть, снижа­ ются, повышается динамическая устойчивость синхрон­ ных двигателей. Следует отметить, что, как было до­ казано ранее [1], синхронные двигатели даже без автоматического регулирования возбуждения обладают большим запасом динамической устойчивости, поэтому их можно выбирать, как и асинхронные с маховиком, по среднеквадратичному моменту.

Применение синхронных двигателей в электромашинных преоб­ разователях в будущем, по-видимому, будет сокращаться. В послед­ ние годы интенсивно ведутся работы по внедрению в промышлен­ ность ртутных и тиристорных преобразователей. В СССР и за рубе­ жом работают ионные приводы обжимных реверсивных станов, в стадии опытной эксплуатации находятся тиристорные установки мощностью до 10 МВт.

Отметим, однако, что вопрос о целесообразности повсеместной замены электромашинных преобразователей тиристорными на рекон­ струируемых и вновь строящихся приводах реверсивных обжимных прокатных станов пока не решен. Практика показывает, что мощные реверсивные тиристорные преобразователи, работающие в режимах ударной знакопеременной нагрузки наряду с общеизвестными пре­ имуществами имеют и недостатки. Основные из них следующие:

а) низкий коэффициент мощности (не превышающий 0,4—0,5); б) наличие отказов и ложных срабатываний тиристоров, связан­ ных в основном с наводками в цепях управления при резком измене­

нии электромагнитных полей в окружающем пространстве; в) отрицательное влияние высших гармонических тока на тепло­

вой режим и коммутацию прокатных двигателей; г) отрицательное влияние высших гармонических тока и напря­

жения на сеть и работу присоединенных к сети трансформаторов и двигателей.

Указанные особенности сдерживают массовое применение тири­ сторных преобразователей на главных приводах реверсивных станов как в нашей стране, так и за рубежом. В США и Англии, например, такие системы находят пока очень, ограниченное применение. В за­ падноевропейских странах тиристорные электроприводы на реверсив­ ных станах встречаются чаще. Фирма «Сименс» (ФРГ) изготовила в 1967 г. самый мощный в Европе тиристорный преобразователь для индивидуального привода валков блюминга с пиковой нагрузкой

2X17000 кВт.

Однако на новых реверсивных и даже непрерывных станах горя­ чей прокатки фирма по-прежнему предусматривает вращающиеся преобразователи с тиристорным возбуждением.

Группа электроприводов с ударной однозначной на­ грузкой для нереверсивных рабочих механизмов наибо­ лее обширна. К ней относятся приводы, характеризуе­ мые частыми (от долей секунды до нескольких секунд)