Лекция 14
Высоковольтный вентильный электропривод с звеном постоянного тока
Введение
В последнее время особую актуальность в нефтедобывающей промышленности
приобретает проблема совершенствования технологических процессов и повышения
надежности и долговечности оборудования нефтедобывающих промыслов и магистральных газопроводов, с целью снижения на этой основе себестоимости добычи нефти и газа и понижения отпускных цен на органическое топливо, как средства снижения энергоемкости валового национального продукта. На нефтедобывающих промыслах используются нерегулируемые электродвигатели с постоянной частотой вращения, которые не исключают вредных динамических воздействий на оборудование в процессе работы и в переходных режимах, что приводит к необходимости частой замены наиболее нагруженных узлов и выходу оборудования из строя.
Прямой пуск высоковольтных асинхронных и синхронных электродвигателей с напряжением питания 6кВ-10кВ сопровождается броском пускового тока, достигающим 6-8 кратного значения по отношению к номинальному току двигателя.
Эти броски тока вызывают большие электромагнитные и механические ударные нагрузки на двигатели и на приводимые ими исполнительные механизмы.
Многократные ударные нагрузки приводят к выходу из строя дорогостоящего технологического оборудования и к значительным затратам на его ремонт.
Кроме того, прямой пуск высоковольтного электродвигателя большой единичной мощности, сопровождаемый протеканием пусковых токов, сравнимых по величине с токами металлического короткого замыкания, приводит к глубоким посадкам напряжения питающей сети при каждой операции пуска, что отрицательно сказывается на устойчивости работы других потребителей.
Большие пусковые токи, потребляемые электродвигателями в момент их пуска и связанные с этим глубокие посадки напряжения очень усложняют, а в ряде случаев делают невозможным пуск в работу таких двигателей в случае их электроснабжения от газотурбинных, дизельных или иных электростанций ограниченной мощности подобного типа
Сегодня непрерывно растет число предприятий, рассматривающих применение электроприводов с регулируемой частотой вращения как ключ к энергосбережению, повышению рентабельности и конкурентоспособности предприятия, улучшению экологической обстановки. Принцип экономии электроэнергии регулируемым электроприводом весьма прост:
- Регулирование осуществлять не заслонками, задвижками, шиберами, а изменением
Скорости вращения вала насосов и вентиляторов
- Для центробежных насосов и вентиляторов:
( Расход ) ~ ( Частота вращения )
( Давление ) ~ ( Частота вращения ) в квадрате
( Подводимая Мощность ) ~ ( Частота вращения ) в кубе
Если требуемый расход составляет 80% от номинального:
Требуется скорость вращения, составляет 80% от номинальной
Подводимая мощность падает до 51% от номинальной!
Применение регулируемого электропривода в нефтедобывающей промышленности обеспечивает:
- регулирование осевого давления на долото в режимах бурения в заданных параметрах;
- требуемые скоростные характеристики привода буровых лебедок во всех четырех квадрантах
механической характеристики;
- минимизацию нагрузок на механические элементы станков-качалок устройств откачки нефти из скважин;
- исключение вредных динамических механических, гидравлических и электрических воздействий
на скважинные насосы и трубопроводы.
- автоматическую синхронизацию и оптимизацию режимов последовательно работающих НПС
на магистральном нефтепроводе,
- увеличение за счёт этого пропускной способности магистральных нефтепроводов,
- исключение условий возникновения гидравлических ударов и предотвращение
за счет этого аварийных разрывов магистральных трубопроводов,
-"щадящие" режимы и увеличение ресурса работы насосного оборудования,
- экономию до 30-40% электроэнергии, потребляемой насосными агрегатами. - Частотный пуск/останов высоковольтных двигателей исключая высокие пусковые токи; - Регулирование частоты вращения от 0,1 до 120 Гц в замкнутом и разомкнутом контуре; - Исключение возникновения гидравлических ударов в системе трубопроводов и выхода из строя шестеренчатых или ременных передаточных механизмов; - Надежность работы и увеличение ресурса электродвигателей, а так же приводимых ими агрегатов и механизмов; - Снижение аварийности оборудования и уменьшение затрат на ремонт и обслуживание, а также сокращение аварийных простоев производства; - Пуск двигателей из горячего состояния, позволяющий исключить простой агрегатов при ожидании естественного охлаждения; - Самоподхват при пуске электродвигателя в режиме свободного выбега; - Полную защиту двигателя от сверхтоков и нештатных режимов эксплуатации.
- значительно снизить энергопотребление, ремонтные и эксплуатационные затраты при поддержании прежней производительности машин и механизмов;
-увеличить срок службы электродвигателя и приводного механизма за счёт оптимизации его работы в широком диапазоне изменения нагрузок;
-снизить эксплуатационные затраты в системах управления насосами, вентиляторами, центрифугами и т.п.;
-экономить электроэнергию в насосных, компрессорных и других агрегатах, работающих с переменной нагрузкой (до 50%);
-создавать замкнутые системы асинхронного электропривода с возможностью точного поддержания заданных технологических параметров.
Область применения
Высоковольтные преобразователи частоты предназначены для частотного пуска и регулирования скорости вращения высоковольтных электродвигателей, мощностью 250 – 5000 кВт, с номинальным напряжением 3, 6, 10 кВ и обеспечивающих работу технологических устройств различного назначения таких как:
- дутьевые вентиляторы;
- дымососы;
- насосы подачи воды;
- циркуляционные насосы;
-питательные насосы (ПЭН);
- насосы различного назначения;
- нефтяные насосы;
-компрессоры;
- мельницы;
-дробилки и т.д.
Классификация
Вентильные высоковольтные преобразователи преобразует электрическую энергию трехфазной сети переменного тока напряжением 3, 6, 10 кВ с постоянными параметрами частоты и напряжения в трехфазное напряжение с изменяемыми параметрами частоты и напряжения по закону частотного регулирования U/f = const.
Существует три основных исполнения вентильных преобразователя с звеном постоянного тока :
- прямого преобразования ПЧСВ
- с низковольтным звеном ПЧСН
- многоуровневые
Электропривод прямого преобразования ПЧСВ
Если напряжение питающей сети и номинальное напряжение двигателя соответствуют напряжению преобразователя частоты, схема частотнорегулируемого электропривода соответствует показанной на рис. 1
Рис.1
ПЧСВ построен по схеме вентильного двигателя и включает в себя высоковольтный выпрямитель, инвертор и сглаживающий дроссель (ДС) в звене постоянного тока. Нагрузкой инвертора является приводной двигатель.
В
-
управляемый выпрямитель;
РТ- входной реактор, ограничивающий аварийные токи к.з.;
ДT- датчик тока;
ДС- сглаживающие индуктивности в звене постоянного тока преобразователя;
И - инвертор тока;
СУВ- система управления выпрямителем;
СУИ- система управления инвертора;
СД- синхронный двигатель;
Tн– измерительные трансформаторы напряжения;
ТВ- тиристорный возбудитель;
ОВ- обмотка возбуждения синхронного электродвигателя.
Для симметрирования силовой схемы преобразователя сглаживающие дроссели поставляются с расщепленной обмоткой (с двумя полуобмотками). Обмотки дросселя включаются последовательно в оба полюса звена постоянного тока. Возможно применение двух независимых дросселей. Такое построение позволяет снизить воздействие на изоляцию двигателя по отношению к «земле».
Входной реактор (РТ) предназначен для ограничения аварийных токов короткого замыкания на безопасном для силовых приборов уровне.
Силовые схемы управляемого выпрямителя и инвертора построены на базе трехфазного моста - шестипульсной схеме. Каждая из шести вентильных линий выпрямителя (инвертора) составлена из "n" последовательно включенных тиристоров. Количество тиристоров зависит от класса питающего напряжения. Силовые тиристоры, характеризующиеся разбросом заряда восстановления, шунтируются цепями динамического распределения напряжения по последовательно включенным тиристорам при коммутации. Параметры цепей распределения выбраны с учетом максимальной величины разброса заряда восстановления при максимальной нагрузке, а также с учетом параметров нелинейного токоограничивающего дросселя, включенного в каждую вентильную цепь.
Для повышения надежности и исключения развития аварии осуществляется контроль целостности индивидуально каждого силового тиристора.
Рис
2
Силовая схема преобразователя частоты (рис.2) включает в себя следующие устройства.
-управляемый трехфазный мостовой выпрямитель В. Выпрямитель В подключается к сети 50 Гц через токоограничивающий реактор или согласующий трансформатор. На стороне переменного тока управляемого выпрямителя установлены датчики тока ДТ1;
-трехфазный мостовой автономный инвертор тока АИ с отсекающими диодами. Отсекающие диоды и коммутирующие конденсаторы предназначены для принудительного выключения тиристоров инвертора. На выходе АИ установлены датчики напряжения ДН и тока ДТ2;
-сглаживающий дроссель Др в звене постоянного тока между В и АИ. Принцип функционирования: переменный ток частоты 50 Гц выпрямляется с помощью управляемого выпрямителя, а затем преобразуется в переменный ток регулируемой частоты с помощью автономного инвертора тока. Частота переменного тока определяется частотой подачи управляющих импульсов на тиристоры инвертора, а амплитуда переменного тока регулируется изменением угла управления импульсов выпрямителя. Регулятор скорости РС. На входе РС сравниваются сигналы задания частоты вращения и сигнал фактической частоты вращения. На выходе регулятора скорости получаем сигнал задания амплитуды тока и задания угла сдвига между вектором тока и потока двигателя.
-Преобразователь (устройство) П1 измерения векторов тока и потока двигателя . По мгновенным значениям фазных токов и напряжений измеряются амплитуда и пространственный угол векторов тока I и напряжения U, а по U и I находим .
-Преобразователь (устройство) П2 измерения амплитуды Ф и частоты вращения вектора потока. Момент, развиваемый двигателем, определяется амплитудами , Ф и углом сдвига между векторами I и . Назначение регулятора скорости изменять момент двигателя таким образом, чтобы фактическая скорость была равна заданной / . Система автоматического регулирования величины тока двигателя (он же выходной ток инвертора, он же входной ток выпрямителя), включающая в себя:
регулятор тока РТ, на входе которого сравниваются сигналы задания / и фактического тока;
система управления выпрямителем СУВ, формирующая управляющие импульсы тиристоров выпрямителя, угол управления которых определяется выходным сигналом РТ;
управляемый выпрямитель в качестве силового регулятора. Система управления инвертором СУИ формирует управляющие импульсы тиристоров инвертора. Выходная частота переменного тока (или частота вращения вектора ) определяется частотой подачи управляющих импульсов на тиристоры инвертора. Последняя формируется в СУИ таким образом, чтобы фактический угол сдвига между векторами и был равен заданному .
ДОСТОИНСТВА ПЧСВ 1. Данный тип преобразователя частоты обеспечивает частотное управление скоростью двигателя, активное торможение двигателя с рекуперацией энергии в питающую сеть. 2. Элементная простота силовой схемы, отсутствие специальных требований к силовым полупроводниковым приборам обеспечивает данному типу преобразователя частоты повышенную надежность и простоту в эксплуатации. 3. Для надежной работы двигателей не требуется установка силовых фильтров. 5. Микропроцессорная система управления обеспечивает также: - автоматическую настройку параметров регуляторов с учетом реальных параметров двигателя и привода; - самодиагностику системы управления; - запоминание причин аварийного отключения и индикацию данной причины; - хранение информации о предаварийном и поставарийном состоянии преобразователя с возможностью вывода данной информации на дисплей компьютера; - архивирование задаваемых режимов и событий в процессе эксплуатации; - управляющую и информационную связь с устройствами управления более высокого уровня по стандартному последовательному интерфейсу (RS 232, RS 485).
Регулирование тока возбуждения при регулировании скорости вентильного двигателя осуществляется так, чтобы обеспечить постоянный магнитный поток в зазоре.
При этом:
Uf / f = Uн / fн
Uн, fн - номинальные значения напряжения двигателя и частоты вращения;
Uf - величина напряжения при частоте вращения равной -f
Для реализации закона регулирования должен использоваться статический возбудитель, обеспечивающий безинерционное регулирование тока возбуждения в функции тока статора двигателя.