Силовая электроника №1'2007

Тиристорный преобразователь для плавного пуска высоковольтных асинхронных электродвигателей

Андрей Ткачук
Владимир Кривовяз
Владимир Копырин
Александр Силуков

В статье приводятся результаты разработки, производства и применения серии высоковольтных тиристорных преобразователей напряжения типа ПАД-В, предназначенных для плавного пуска короткозамкнутых асинхронных электродвигателей с номинальным напряжением 3, 6 и 10 кВ.



Актуальность

Плавный пуск асинхронных электроприводов (АЭП) относится к одному из наиболее важных и ответственных режимов работы. В первую очередь это относится к нерегулируемым по скорости асинхронным электроприводам, когда в качестве приводного электродвигателя применяется асинхронный короткозамкнутый электродвигатель (АД). Прямой пуск асинхронного электродвигателя от сети, особенно для асинхронных электроприводов с большим моментом инерции, обладает рядом известных недостатков, главными из которых являются значительные по величине и продолжительные по времени пусковые токи и удары момента на валу двигателя. Эти удары могут в несколько раз превышать номинальные значения [1, 2]. Для исключения указанных недостатков применяются различные способы и устройства плавного пуска асинхронных электроприводов, которые обеспечивают уменьшение напряжения и тока на статоре асинхронного электродвигателя при пуске и формирование специальной траектории напряжения (тока) [1–7]. К наиболее распространенным устройствам плавного пуска (УПП) асинхронных электроприводов относятся тиристорные преобразователи напряжения (ТПН).

Тиристорные преобразователи напряжения с номинальным напряжением двигателя и питающей сети до 1000 В получили в настоящее время широкое применение благодаря их высокой надежности, низкой стоимости, малым массо-габаритным показателям, простоте эксплуатации и большому их количеству, которое выпускается как отечественной, так и зарубежной промышленностью [2, 3]. В качестве примера может служить тиристорный преобразователь напряжения типа ПАД, разработанный и произведенный НПП «Энергия и экология» [4–6].

Положительный опыт эксплуатации тиристорных преобразователей напряжения различных типов для плавного пуска асинхронных электроприводов напряжением до 1000 В позволил перейти к созданию тиристорных преобразователей напряжением выше 1000 В (ТПН-В). Опыт применения тиристорных преобразователей напряжением выше 1000 В позволил оценить их значительную эффективность при использовании для плавного пуска асинхронных электродвигателей на напряжение 3, 6 и 10 кВ. Двигатели такого класса напряжения являются довольно энергоемкими объектами и широко распространены в промышленности и энергетике. Иногда мощность единичного двигателя (например, асинхронный электропривод воздуходувки на 8 МВт) соизмерима с мощностью питающей сети или трансформаторной подстанции. Поэтому обеспечение плавного пуска, ограничение пусковых токов и рационализация включений/отключений такого рода асинхронных электроприводов является весьма актуальной задачей. Это обуславливает увеличение спроса на устройства плавного пуска на основе ТПН-В.

Обзор высоковольтных тиристорных преобразователей напряжения

Среди изделий преобразовательной техники устройства плавного пуска на базе тиристорных преобразователей напряжением выше 1000 В являются довольно надежными, они неприхотливы в эксплуатации, имеют относительно невысокую стоимость и малый срок окупаемости. Поэтому производство ТПН-В освоил ряд отечественных предприятий, например ОАО «ВНИИР» (г. Чебоксары), ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск), ЗАО «Нефтяная электронная компания» (г. Пермь) и зарубежные фирмы: АББ, Солкон, Ален Бредли, ХЭМЗ и другие.

Таблица 1. Параметры высоковольтных асинхронных электродвигателей с устройствами плавного пуска
Параметры высоковольтных асинхронных электродвигателей с устройствами плавного пуска

Они обеспечивают плавный пуск асинхронных электроприводов в широком диапазоне напряжений и мощности. В состав силовой схемы устройства, в зависимости от назначения и типа, могут быть включены шунтирующий и линейный вакуумный контактор, разъединитель, заземлитель, предохранители и т. п. В таблице 1 приведены основные параметры приводных асинхронных электродвигателей, которые снабжаются ТПН-В.

Для обеспечения возрастающего спроса на устройства плавного пуска ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы» (г. Екатеринбург) разработало и освоило производство серии высоковольтных тиристорных преобразователей напряжения типа ПАД-В для асинхронных электродвигателей [7]. В основу разработки были положены технические решения устройства плавного пуска типа ПАД для асинхронных электродвигателей напряжением 380 и 500 В [4–6]. Опыт их разработки, испытаний и эксплуатации позволил предложить и реализовать в тиристорных преобразователей напряжением выше 1000 В типа ПАД-В все оригинальные и рациональные технические решения низковольтных тиристорных преобразователей типа ПАД [4].

Концепция построения преобразователей типа ПАД-В

При создании высоковольтных тиристорных преобразователей напряжения типа ПАД-В реализована концепция, которая характеризуется следующими аспектами:

  • использование всех положительно зарекомендовавших конструктивных решений тиристорных преобразователей напряжения типа ПАД;
  • применение блочно-модульной конструкции силовой части ТПН-В для номинальных напряжений питающей сети 3, 6 и 10 кВ на базе унифицированного высоковольтного тиристорного модуля (ВТМ);
  • использование унифицированной цифровой системы управления на базе высокопроизводительного однокристального RISC-микроконтроллера [5, 6];
  • реализация информационной части тиристорных преобразователей напряжением выше 1000 В на специализованных высоковольтных датчиках, обеспечивающих измерение, кодирование и передачу информации о координатах асинхронных электроприводов по волоконно-оптическому каналу связи в системный контроллер;
  • использование оригинального алгоритма формирования тока (напряжения) статора двигателя, питаемого от преобразователя типа ПАД-В.
Функциональная схема ПАД-В
Рис. 1. Функциональная схема ПАД-В

Функциональная схема типового преобразователя типа ПАД-В приведена на рис. 1. Она включает: силовой преобразователь СП; информационно-кодирующую часть ИКЧ; волоконно-оптическую линию связи ВОЛС; оптический интерфейс ОИ; системный контроллер СК и пульт управления ПУ. Силовой преобразователь состоит собственно из тиристорного регулятора напряжения UZ с фазовым управлением, трансформаторов тока TA, ограничителей перенапряжения RU типа ОПН и шунтирующего силового коммутационного аппарата KM, например, вакуумного контактора. В основе UZ лежат функционально и конструктивно законченные высоковольтные тиристорные модули типа ВТМ (рис. 2). Модуль включает в себя: два встречно-параллельных тиристора VS1 и VS2 с охладителями; RC-цепь R1 и C1; выравнивающий резистор R2 и оптоуправляемые формирователи импульсов ФИ тиристоров. В зависимости от расположения модуля в схеме он дополнительно снабжается датчиком напряжения, температуры или синхронизации с оптическим выходом. Уже разработаны и изготовлены модули типа ВТМ-250-2к и ВТМ-400-2к. Модуль первого типа предназначен для коммутации тока силой до 800 А (номинальный ток двигателя — 250 А), а второй — до 1400 А (400 А) при напряжении на нем до 2 кВ с естественным охлаждением тиристора. Проводятся работы по созданию ВТМ с этим же классом напряжения на номинальные токи 630, 800 и 1000 А. В зависимости от тока в силовых модулях применяются высоковольтные отечественные тиристоры типа Т253-500-60, Т173-1000-60 или Т193-2000-60 производства ОАО «Электровыпрямитель».

Высоковольтный тиристорный модуль типа ВТМ
Рис. 2. Высоковольтный тиристорный модуль типа ВТМ

При построении тиристорных преобразователей напряжением выше 1000 В соответствующей модификации ВТМ объединяются в последовательные фазные модульные группы. Каждая такая группа содержит в зависимости от напряжения сети (3, 6 или 10 кВ) соответственно 2, 3 или 5 ВТМ. В зависимости от мощности двигателя, согласно таблице 1, устанавливается ВТМ с соответствующим током.

Информационно-кодирующая часть включает следующие датчики: линейных тока ДТ и напряжения ДНС сети; баланса вентильных групп ДБ, необходимые для диагностики исправности тиристоров; оптических разветвителей ОР, которые усиливают и одновременно распределяют импульсы управления на все тиристоры фазных групп; температуры тиристоров ДТ° и линейного напряжения ДНМ машины. Датчики напряжения обеспечивают непосредственное (без трансформатора) измерение линейных напряжений, аналого-цифровое преобразование в последовательный код и передачу его по волоконно-оптической линии связи ВОЛС в плату оптического интерфейса ОИ. По аналогичному принципу работают датчики температуры, тока и баланса вентильной группы. Датчики унифицированы и применяются для всех модификаций ПАД-В с напряжением от 3 до 10 кВ. Все электронные платы выполнены на современном оборудовании с применением технологии поверхностного монтажа. Высоковольтные платы датчиков и формирователей импульсов покрыты специальным эластичным силиконовым лаком. Лак обеспечивает необходимую защиту от влаги, пыли и коронирующих разрядов.

Система управления

Для управления ТПН-В разработана унифицированная цифровая система управления, реализованная на базе высокопроизводительного однокристального RISC-микроконтроллера. Она является продуктом развития цифровых систем управления, примененных для тиристорных преобразователей напряжения напряжением до 1000 В различного назначения [5, 6]. Новая система обладает мощными вычислительными возможностями и развитой периферией с оптическим и электрическим интерфейсами. Она обладает высокой «гибкостью», так как алгоритм функционирования в значительной степени определяется программным обеспечением и применяется для всех типов высоковольтных УПП типа ПАД-В. Система реализует прямое цифровое управление ТПН-В и технологическими параметрами. Структура системы включает в себя три электронные платы. Две из них основные и необходимые.

Первая — это плата системного контроллера (СК). В структуру этой платы включен собственно однокристальный микроконтроллер типа AVR, узлы изолированного дискретного ввода–вывода, питания, электрического и оптического RS-485, часы реального времени для протоколирования ошибочных ситуаций и датчик системной температуры. Системный контроллер организует общий алгоритм функционирования и информационный обмен между остальными модулями системы по различным протоколам: SPI, I2C, MODBUS и скоростной параллельный.

Формирование алгоритма управления плавным пуском асинхронных электродвигателей
Рис. 3. Формирование алгоритма управления плавным пуском асинхронных электродвигателей

В качестве сервисных функций программа СК дополнена блоками по вычислению мощности, потребленной энергии, счетчика времени наработки оборудования, программируемым задатчиком, ПИ-, ПИД-регулятором, различными функциональными преобразователями и другими. Эти блоки вводятся в общий алгоритм в зависимости от требований к плавному пуску асинхронных электроприводов. Большинство функций защиты и диагностики также реализованы на программном уровне. К защитам относятся: обрыв фазы, мгновенная от сверхтоков, электронная времятоковая от токов перегрузки, от перегрева тиристоров и от несостоявшегося пуска. Результатом действия защиты является снятие импульсов с тиристоров, отключение преобразователя и индикация номера аварийного режима. К диагностике относится: несимметрия линейных напряжений и тока, пробой одного из тиристоров в фазной группе. При таких режимах преобразователь не отключается, но оператор по показаниям на дисплее может определить вид аварийного режима и величину.

Вторая плата— это оптический интерфейс ОИ. Она предназначена для преобразования поступающего с ВОЛС последовательного кода в параллельный, усиления и передачи по оптоволокну импульсов управления тиристорами. Плата ОИ по существу является информационным мостом, соединяющим ИКЧ с системным контроллером.

Третья плата — это пульт управления ПУ. Она содержит светодиодный дисплей, точечные индикаторы и клавиатуру. На дисплей выводятся показания измеряемых координат тиристорных преобразователей напряжением выше 1000 В, технологические установки, параметры настроек системы ЭП, коды ошибок и др. На точечные индикаторы выводятся состояние установки, преобразователя, вид отображаемого параметра, а также аварийные режимы. Все необходимые настройки системы выполняются с клавиатуры.

Структура САУ преобразователя может быть настроена для различных режимов пуска асинхронных электродвигателей. Благодаря наличию универсального программируемого задатчика [4–6] может быть реализован любой алгоритм формирования управляющего воздействия, математическое описание которого имеет вид:

  1. При обратной связи по напряжению (формирование напряжения статора асинхронного электродвигателя)
    где y*(t)— закон относительного управляющего воздействия, %; MU — масштабный коэффициент напряжения, В; t — время, с.
  2. При обратной связи по току (формирование тока статора асинхронного электродвигателя)
    где MI — масштабный коэффициент тока, А.
  3. Без обратной связи (формирование угла управления тиристоров в разомкнутой САУ)
    где Ma — масштабный коэффициент угла управления, электрических градусов.

Закон относительного управляющего воздействия определяется следующим выражением:

где kj — коэффициент аппроксимации на j интервале пусковой траектории; Yj ∈ [0; 100] — массив конечных величин пусковой траектории; j = 0,1,…, 9 — номер интервала аппроксимации.

Коэффициент аппроксимации имеет вид

где Δt = TП/10 — интервал времени аппроксимации, с; TП — время пуска асинхронных электродвигателей, с.

Пример графической интерпретации алгоритмов формирования траектории напряжения (график А) и тока (график Б) при плавном пуске АД приведен на рис. 3. По оси ординат расположены относительные величины напряжения U* и тока I* статора двигателя, которые определяются по формулам

где U1ном, I1ном — номинальные значения напряжения и тока статора асинхронных электродвигателей соответственно.

Конструкция

Таблица 2. Технические характеристики преобразователя типа ПАД-В-200-3к
Технические характеристики преобразователя типа ПАД-В-200-3к

Конструктивно преобразователи класса напряжения 3 кВ и номинальным током до 250 А выполняются в одном шкафу. Шкаф содержит собственно силовой преобразователь, ограничители перенапряжений, трансформаторы тока, систему управления, панель реле ишунтирующий вакуумный контактор. В качестве примера на рис. 4 показан внешний вид серийного преобразователя типа ПАД-В-200-3к, основные технические характеристики которого приведены в таблице 2. Электронные платы информационно-кодирующей части располагаются на стеклотекстолитовых панелях над тиристорными модулями и закрыты защитным кожухом из оргстекла (рис. 5). Элементы низковольтной автоматики и релейно-контакторной аппаратуры скомпонованы на двери шкафа. Платы системного контроллера и оптического интерфейса помещены в герметичный металлический бокс.

Внешний вид преобразователя типа ПАД-В-200-3к
Рис. 4. Внешний вид преобразователя типа ПАД-В-200-3к

Преобразователи на напряжение 6 и 10 кВ выполняются в нескольких шкафах. При этом каждая фазная группа ТПН-В, включающая также ОПН, трансформатор тока и проходные шины, выполняется в отдельном шкафу.

Система управления и вся низковольтная релейная автоматика располагается в отдельном герметичном шкафчике. Такая компоновка позволила свободно разместить ВТМ, увеличить зазоры безопасности и длину пути тока утечки. Применяется естественное охлаждение тиристоров, что также увеличивает надежность преобразователя при эксплуатации в запыленных и влажных средах.

Компоновка конструктивных элементов ПАД-В-200-3к
Рис. 5. Компоновка конструктивных элементов ПАД-В-200-3к

Опыт эксплуатации

В настоящее время один из преобразователей типа ПАД-В-80-3к эксплуатируется на насосной станции одной из шахт ОАО «Урал-электромедь» [7]. Он используется для плавного пуска водонаполненного асинхронного двигателя типа ПЭДВ 250-320 В5М погружного насоса. Насос требуется для откачки воды из шахты глубиной более 150 м при превышении допустимого уровня. Требуется довольно частый пуск–останов насоса при номинальной нагрузке. При прямом пуске это приводит к быстрому износу насоса и двигателя, так как пусковой момент согласно паспортным данным в 4 раза превышает номинальный. Ресурс работы двигателя значительно снижается. Замена двигателя или его ремонт весьма проблематичны, так как требуется подъем насоса из глубины, разборка трубопроводов и т.п.

На рис. 6 показана диаграмма тока статора и частоты асинхронного двигателя при плавном пуске. Запуск двигателя осуществлялся в замкнутой системе регулирования с обратной связью по току статора. Обеспечивалась отсечка по току на уровне 3-кратного номинального. При этом время пуска составляет 18 с. Устройство в полной мере соответствует предъявляемым требованиям и положительно зарекомендовало себя в эксплуатации. На серию тиристорных преобразователей для плавного пуска типа ПАД-В на напряжение 3, 6 и 10 кВ Госстандартом России выдан сертификат соответствия РОСС RU.АИ16.НО3944.

Диаграммы плавного пуска асинхронного электродвигателя центробежного насоса
Рис. 6. Диаграммы плавного пуска асинхронного электродвигателя центробежного насоса

Литература

  1. Шубенко В. А., Браславский И. Я. Тиристорный асинхронный электропривод с фазовым управлением. М.: Энергия. 1972.
  2. Справочник электроэнергетика предприятий цветной металлургии / Под ред. Басалыгина М. Я., Копырина В. С. М.: Металлургия. 1991.
  3. Копырин В. С., Бородацкий Е. Г., Ткачук А. А., Бородацкая В. В. Применение тиристорных преобразователей напряжения для электропривода, электротехнологии и освещения на предприятиях цветной металлургии. Материалы международной НТК «Наука и новые технологии в энергетике». Павлодар: ПГУ им. С. Торайгырова. 2002.
  4. Копырин В. С., Ткачук А. А., Бородацкий Е. Г. Преобразователь типа ПАД для плавного пуска асинхронного электропривода. В сб. докл. науч.-практ. семинара «Энергосберегающая техника и технологии». Екатеринбург: Уральские выставки. 2002.
  5. Ткачук А. А., Копырин В. С., Бородацкий Е. Г. Унифицированная микроконтроллерная система управления тиристорными преобразователями напряжения. Материалы международной НТК «Наука и новые технологии в энергетике». Павлодар: ПГУ им. С. Торайгырова. 2002.
  6. Копырин В. С., Ткачук А. А., Бородацкий Е. Г. Микроконтроллерная система управления полупроводниковыми преобразователями электрической энергии. Тезисы докладов НТК «Совершенствование энергетики цветной металлургии». Екатеринбург: Уралэнергоцветмет. 2001.
  7. Ткачук А. А., Силуков А. Ю., Кривовяз В. К. Опыт применения преобразователя типа ПАД-В для плавного пуска высоковольтных двигателей. В сб. докл. науч.-практ. конф. «Проблемы и достижения в промышленной энергетике». Екатеринбург: Уральские выставки. 2006.


*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2007_01_54.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо