Cистема мягкого пуска с фазовым или квазичастотным управлением (на базе высоковольтных пусковых устройств серии ВПУ)

Системы мягкого пуска СМП на базе ВПУ

СМП

Назначение пусковых устройств ВПУ

Высоковольтные пусковые устройства серии ВПУ (HVS - высоковольтное пусковое устройство - high voltage starter) на базе трехфазных тиристорных высоковольтных регуляторов напряжения предназначены для мягкого пуска высоковольтных двигателей переменного тока.

Проблемы, связанные с прямым пуском двигателя

При прямом пуске двигателя переменного тока по обмоткам двигателя протекают большие токи, которые при частых пусках могут привести к выходу из строя двигателя вследствие разрушения изоляции обмоток. Разрушение изоляции происходит по двум причинам: механические разрушения и снижение изоляционных характеристик из-за превышения допустимой температуры.
Первая причина связана с тем, что на обмотки двигателя действуют электродинамические усилия, величина которых пропорциональна квадрату тока. Пусковой ток двигателя в 5 - 7 раз превышает номинальный, соответственно в 25 - 49 раз возрастают электродинамические усилия, действующие на обмотки. Они приводят к механическим перемещениям обмотки в пазовой и лобовых частях, которые разрушают изоляцию. Практикам известно ослабление пазовых клиньев и бандажей в лобовых частях обмоток. Ослабление пазовых клиньев и бандажей усиливает механическое перемещение обмоток и разрушение изоляции.
Вторая причина - термическое разрушение изоляции - связана с тем, что при превышении температурой изоляции установленного для нее порога в последней происходят необратимые физико-химические процессы, приводящие к форсированному старению изоляции. А тепловыделение в обмотках пропорционально квадрату величины тока.
Очевидно, что прямой пуск двигателей - это аварийно опасный режим работы двигателя. Подавляющее большинство выходов из строя двигателей происходит в процессе пуска.
Другие отрицательные аспекты прямого пуска двигателей:

  • повышение нагрузки на электрические сети. При пуске двигателей, как правило, наблюдаются посадки напряжения, неблагоприятные для других потребителей;
  • неконтролируемые переходные процессы в двигателях, приводящие к большим переходным моментам, отрицательно влияют на все элементы кинематической цепочки привода.

По указанным причинам частые отключения и включения двигателей, особенно большой мощности, несмотря на возможность экономии электрической энергии, не практикуются. Неприятности, связанные с выходом из строя оборудования, сводят на нет энергетический выигрыш.
Применение высоковольтных пусковых устройств позволяет практически снять ограничения на количество пусков двигателя за время эксплуатации. Особенно привлекательно использование высоковольтных пусковых устройств для выборочного (поочередного) пуска однотипных электроприводов. Например, для пуска компрессорных агрегатов компрессорной станции. С помощью поочередного запуска агрегатов обеспечивается ступенчатая регулировка производительности всей станции.
Пуск в ход мощных вентиляторов, компрессоров, насосов при использовании ВПУ ослабляет все негативные явления, характерные для прямого пуска. Кроме того, высоковольтные пусковые устройства серии ВПУ используются:

  • в цепях мощных трансформаторов;
  • в качестве регуляторов в статических компенсаторах реактивной мощности;
  • в качестве универсальных коммутаторов и регуляторов для высоковольтных электроустановок.
Традиционные системы мягкого пуска

Традиционная система мягкого пуска (с фазным регулированием) обеспечивает снижение пускового тока на заданном уровне ( не более 2 - 3 Iн ). При этом резко уменьшаются электродинамические усилия в обмотках и связанное с ними механическое разрушение изоляции обмоток. Снижение пусковых моментов благоприятно для механической части привода. Однако, традиционная система мягкого пуска обладает рядом недостатков.
Наиболее существенным недостатком является большое энерговыделение в двигателе в процессе пуска. Объясняется это тем, что физические процессы в двигателе такие же, как и при прямом пуске, поскольку частота напряжения на зажимах двигателя равна частоте питающей сети. Простое снижение тока приводит к уменьшению момента двигателя по сравнению с режимом прямого пуска. Момент уменьшается в квадрате снижения тока в каждой точке по скорости. Снижение момента приводит к существенному увеличению времени пуска. Уменьшение тока обуславливает уменьшение мощности потерь по сравнению с режимом прямого пуска, но не уменьшение энергии потерь, ведь время пуска увеличивается. Только при полном отсутствии статического момента сопротивления механизма, что нереально, энергия потерь для обоих вариантов пуска одинаковая. Практически всегда энергия потерь в двигателе в режиме мягкого пуска выше, чем при прямом. Если к тому же учесть, что условия охлаждения самовентилируемых двигателей при пониженной частоте вращения существенно ухудшаются, то станет понятным, что по термическому режиму обмоток система мягкого пуска уступает прямому пуску.

Среди других недостатков традиционных УМП, не связанных непосредственно с режимом пуска двигателя, отмечаются следующие:

  • отсутствие эффективного тормозного режима.
  • при частоте вращения двигателя, ниже синхронной, последний может развивать только вращающий момент, торможение привода возможно под действием статического момента сопротивления, поэтому с помощью УМП можно только увеличивать время торможения по сравнению со временем свободного выбега за счет частичной компенсации статического момента сопротивления, но не уменьшить.
  • практическая нереализуемость теоретической возможности длительной работы двигателя при частоте вращения ниже синхронной. Объясняется это все тем же: работа двигателя происходит при номинальной частоте напряжения на зажимах статора, при этом потери в двигателе повышаются при снижении скорости (увеличении скольжения). Общая мощность потерь в обмотках двигателя Рдв равна:vvupp-vpu-f1
    Рв - мощность на валу;
    s - скольжение;
    r1, r'2 - омические сопротивления обмоток статора и ротора, приведенного к статору.
Использование преобразователей частоты

Пуск двигателей осуществляется от преобразователей частоты (рис.1) путем плавного увеличения частоты и напряжения. В течение всего времени пуска ток двигателя поддерживается в среднем на уровне номинального; в зависимости от конкретных условий ток меняется в пределах (0.5 - 1.5) Iн. При этом указанные выше отрицательные явления прямого пуска отсутствуют.vpu-formula

Рис.1. Пуск двигателя с помощью преобразователя частоты
ПЧ - преобразователь частоты;
В1..В3 - выключатели.

После завершения пуска преобразователь частоты шунтируется контактным аппаратом, и двигатель продолжает работу от сети. Принципиально можно продолжить работу от преобразователя частоты, но, если необходимость в регулировании частоты вращения отсутствует, целесообразно преобразователь частоты шунтировать, чтобы исключить потери энергии в нем. Особенно следует переводить на питание от сети синхронный двигатель, так как при этом появляется возможность генерировать в сеть реактивную мощность.
Среди недостатков пуска двигателей от преобразователя частоты отметим два:

  • сравнительно высокая стоимость преобразователя;
  • далеко не все преобразователи частоты, предназначенные для управления асинхронными двигателями, оснащены программными средствами точной синхронизации двигателей с питающей сетью, без которых подключение двигателя при наличии внутреннего потока может привести к броскам тока вдвое большим, чем при прямом пуске, что чревато большой вероятностью немедленной аварии двигателя.
Использование устройств мягкого пуска

Необходимость в сравнительно дешевых устройствах для запуска двигателей переменного тока с ограниченными токами привела к широкому распространению устройств мягкого пуска двигателя (УМП).
Силовая схема УМП показана на рис.2. Это по существу силовая схема и принцип управления преобразовательного устройства, известного под названием тиристорного регулятора напряжения (ТРН). За счет возможности регулирования напряжения на зажимах двигателя обеспечивается формирование тока и момента двигателя в пусковом режиме. УМП по существу ТРН, в который введены замкнутая система автоматического регулирования тока и устройство параметрического (функции времени) задания амплитуды тока. В результате УМП реализует формирование заданного ограниченного тока и момента двигателя в процессе пуска. На рис.3 показаны пусковые характеристики двигателя при прямом пуске и при использовании УМП.
Поскольку частотное регулирование не обладает указанными выше недостатками трационных УМП, т.к. частота напряжения на зажимах статора меняется в функции скорости двигателя, следовательно, для решающего улучшения эксплуатационных характеристик УМП ему следует придать свойства преобразователя частоты не меняя простейшей силовой схемы, определяющей его сравнительную дешевизну.
В творческом сотрудничестве Инженерной компании "Технорос" и научно-технического предприятия ООО "Новые направления и технологии" была решена задача квазичастотного пуска двигателей переменного тока с помощью ТРН, реализованная на базе современных быстродействующих микропроцессорных средств управления.

pcsn

Характеристики ВПУ

Силовая схема ВПУ - это комбинация встречно-параллельное соединенных тиристоров, включаемых в каждую из трех фаз двигателя.
Высоковольтные пусковые устройства серии ВПУ могут быть укомплектованы аналоговой или микропроцессорной системой управления. Микропроцессорная система управления позволяет реализовать более совершенные алгоритмы управления, в частности квазичастотное управление тиристорных регуляторов напряжения, при котором существенно (в несколько раз) снижаются потери в двигателе при пуске.
ВПУ, используемые для управления двигателями переменного тока, обеспечивают:

  • плавный пуск двигателя с регулируемым темпом изменения скорости;
  • плавный останов двигателя с регулируемым темпом изменения скорости;
  • снижение потерь в двигателе при его разгрузке;
  • ограничение пусковых токов в питающей сети;
  • повышение долговечности двигателей за счет существенного снижения электродинамических усилий в обмотках двигателей при пусках;
  • повышение качества синхронизации синхронных двигателей и ресинхронизации после исчезновения и последующего восстановления напряжения сети;
  • повышение долговечности коммутационной аппаратуры.vvupp-vpu-ris2
    Рис.2. Функциональная схема высоковольтного пускового устройства.vvupp-vpu-ris3
    Рис.3. Пусковые характеристики двигателя
    I, II - ток и момент при прямом пуске;
    III, IV - ток и момент при пуске с помощью УМП.Высоковольтные пусковые устройства серии ВПУ (HVS), по сравнению с классическими преобразователями при использовании в качестве пусковых устройств, характеризуются низкой стоимостью, малыми габаритами. За счет этого обеспечиваются минимальные сроки окупаемости при внедрении.

 Опросный лист на высоковольтный плавный пуск, СМП (для заполнения нужно сохранить)