В статье автор рассматривает основные используемые двигатели и вентильный двигатель в качестве привода для магистральных насосов.
Ключевые слова: вентильный двигатель, магистральный насос, привод.
Главным узлом нефтеперекачивающей станции является центробежный нефтеперекачивающий агрегат. Каждый агрегат состоит из двух основных частей: привода и центробежного нагнетателя. В задачу привода входит создание вращения вала насоса (как правило, это мощный электродвигатель). Насос содержит внутри своего корпуса рабочее колесо с профильными лопатками. При помощи лопаток нефть перемещается из области низкого давления в область высокого давления. Центробежная сила заставляет нефть двигаться вдоль лопаток из центра к периферии. За счёт этого возникает достаточно большой перепад давления. Для такого перемещения нефти необходимо совершить работу на вращение вала насоса. Данное работу и выполняет электродвигатель.
К электродвигателям насосных агрегатов предъявляется ряд требований:
- Обеспечить необходимое регулирование скорости.
- Работать в продолжительном режиме.
- Необходимость пуска двигателей под нагрузкой.
Рассмотрим основные виды электродвигателей. К ним относятся асинхронные и синхронные электродвигатели.
Причиной частого применения асинхронных электродвигателей является их простота конструкции и небольшая стоимость. Асинхронных двигателей бывает два типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. У АД частота вращения магнитного поля статора постоянна и зависит от частоты сети (стандартная частота 50 Гц) и от числа пар полюсов. Частота вращения ротора чуть ниже скорости вращения статора и отличается на величину скольжения которая составляет 0,012–0,06 скорости магнитного поля статора.
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором являются наиболее часто используемым электроприводом для насосов небольшой мощности. Данные двигатели просты в обслуживании и сильно дешевле двигателей других типов. Пуск данных двигателей — прямой асинхронный. При пуске не потребуется каких-либо дополнительных устройств, что значительно упрощает схему управления насосами.
При прямом пуске АД с короткозамкнутым ротором увеличивается кратность пускового тока, который для двигателей мощностью 0,6–100 кВт при частотах вращения 750–3000 об/мин в 5–7 раз превышает номинальный ток. Быстрое увеличение пускового тока безопасно для двигателя, но может вызывать резкое снижение напряжения в сети. В связи с этим это может негативно повлиять на других потребителей электроэнергии, находящихся в той же распределительной сети. По этим причинам АД с короткозамкнутым ротором пускаемые прямым пуском ограничиваются мощностью до 100 кВт и зависят от распределительной сети чтобы избежать падения напряжения.
АД с фазным ротором имеют более сложную и дорогостоящую конструкцию. Обмотки ротора этих двигателей соединены с внешним пусковым реостатом через три контактных кольца. Перед запуском такого ЭД в цепь ротора с помощью реостата вводится дополнительное сопротивление, за счет этого при включении величина пускового тока уменьшается. По мере увеличения частоты вращения двигателя сопротивление постепенно уменьшается, после достижения частоты вращения двигателя, близкой к номинальной, пусковой реостат полностью снимается, обмотки закорачиваются, и двигатель продолжает работать как короткозамкнутый.
Для насосов с горизонтальным расположением в отечественной промышленности настоящее время используются АД с короткозамкнутым ротором единой серии 4А мощностью 0,06–400 кВт при частоте вращения 3000 об/мин и высоте оси вращения 50–355 мм.
Для привода вертикальных насосов выпускаются АД с короткозамкнутым ротором серии ВАН мощностью от 315 до 2500 кВт, напряжением 6 кВ и с частотой вращения 375–1000 об/мин.
Синхронные электродвигатели (СД) применяются для приводов мощных насосов. Они характеризуются большой мощностью и продолжительностью работы. Частота вращения ротора СД связана постоянным зависимостью от частоты питающей сети переменного тока, в которую эта машина включена.
Ротор СД имеет в себе обмотки, создающие постоянное магнитное поле, которое благодаря взаимодействию с вращающимся магнитным полем статора начинает вращаться. Питание на обмотку подается через контактные кольца от возбудителя. Возбудителем может быть генератор постоянного тока или тиристорный возбудитель. Они часто располагаться отдельно от двигателя, но есть и варианты с расположением генератора на одном валу.
Преимущества СД перед АД следующие:
— экономит электроэнергию,
— меньшая реактивная мощность из-за коэффициента мощности, который может достигать 1 или даже больше.
— устойчивая работа при падениях напряжения.
Основным недостатком является пуск. Пуск синхронного двигателя происходит за счет короткозамкнутой обмотке расположенный на роторе. Асинхронный режим работы продолжается до тех пор, пока скорость вращения ротора не станет близкой к синхронному, т. е. 0,95 от частоты вращения магнитного поля статора. При достижении скорости вращения близкой к синхронной на обмотку статора подается постоянный ток от возбудителя и двигатель втягивается в синхронизм.
Для насосов с горизонтальным валом используют синхронные двигатели общего применения серий СД2, СДН-2, СДНЗ-2 и СДЗ, имеющие большой диапазон мощности (132–4000 кВт) и частоты вращения (100–1500 об/мин) при напряжении 380–6000 В.
Для приводов вертикальных насосов используются две серии синхронных двигателей ВСДН и ВДС, мощностью 630–12 500 кВт и напряжением 6 или 10 кВ, с опережающим коэффициентом мощности. Это позволяет получить от двигателя в номинальном режиме работы реактивную мощность в пределах до 35 % [2].
Следующим типом двигателей для использования как привод магистрального насоса является вентильный двигатель (ВД). Общепринято под ВД принимать синхронную двигатель, в котором вместо обмоток используются постоянные магниты [3]. Как и в синхронном двигателе на статоре располагается трехфазная обмотка переменного тока, коммутируемая за счет преобразователя частоты. В роторе вместо обмотки возбуждения используются постоянные редкоземельные магниты. Использование данных материалов позволяет значительно улучшить массогабаритные показатели ВД и получить более высокий вращающий момент в том же габарите статора двигателя. К редкоземельным магнитам относиться «самарий-кобальт» (Sm-Co) и «неодим-железо-бор» (Nd-Fe-B). Обычно ротор располагается внутри статора электродвигателя, а для вентильных двигателей существуют конструкции с внешним ротором (рис. 1).
Рис. 1. Расположение ротора ВД
Постоянное снижение стоимости редкоземельных магнитов, а также ускоренное развитие устройств силовой электроники сделали возможным применение ВД областях техники, где традиционно применялись только машины постоянного тока или специальные асинхронные двигатели. Данное явление объясняется целым рядом конструктивных и технико-эксплуатационных преимуществ ВД по сравнению с другими существующими типами электрических машин [4, 5]. Перечислим основные из них:
— Бесконтактность и не требующих обслуживания узлов. Отсутствие скользящих электрических компонентов в ВД значительно увеличивает срок их службы и надежность по сравнению с двигателями: постоянного тока, асинхронными двигателями с фазным ротором и синхронными двигателями. Это преимущество расширяет диапазон регулирования скорости вращения и позволяет подавать большее питающее напряжение. Благодаря этому, по сравнению с машинами постоянного тока, возможно использование кабелей меньшего сечения и преобразователя электроэнергии на меньшие токи.
— Минимальные массогабаритные показатели. При отсутствии обмоток в роторе пропадают и основные электрические и магнитные потери в роторе. Использование редкоземельных магнитов обеспечивают максимальную индукцию в воздушном пространстве.
— Лучшие показатели энергоэффективности и коэффициента мощности. КПД у ВД превышает 90 % и незначительно отклоняется от номинального значения при изменениях нагрузки. При этом в асинхронных двигателях мощностью до 40 кВт максимальный КПД может составлять 90 % и сильно меняется при изменении нагрузки. Например, когда двигатель нагружен на половину мощности, КПД может упасть до 60... 70 %.
— Возможность регулирования частоты вращения как вниз от номинальной, так и вверх с практически неизменным показателем мощности.
— Большая перегрузочная способность по крутящему моменту.
— Минимальные токи холостого хода.
Регулирование скорости вращения ВД производится изменением выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя. Источником питания является трехфазно-симметричного системы токов (напряжений) [6]. Используемая схема питания — это преобразователь электрической энергии на базе уже ставшего стандартом транзисторного инвертора напряжения на IGBT транзисторах. Благодаря управлению транзисторами инвертора широтно-импульсной модуляции (ШИМ), с относительно высокими частотами (для двигателей малой и средней мощности частоты ШИМ могут составлять от 1 до 20 кГц), обеспечивается близкая к синусоидальной форма токов ВД (рис. 2).
Рис. 2. Инвертор с IGBT транзисторами
Проектированием и изготовлением ВД в нашей стране занимаются: ОАО «ЧЭАЗ»; ОАО «КБ ПА», г. Ковров; лаборатория спецмашин (ЛСМ) ЗАО «СЗЭМО», г. Санкт-Петербург (дисковые СДПМ); ОАО «Машиноаппарат», г. Москва; конструкторское бюро мехатроники, г. Златоуст Челябинской области, а также многие другие предприятия и организации.
Таким образом использование вентильного двигателя как привод для магистральных насосов является хорошим выбором. Данный двигатель обладает всеми преимуществами двигателей постоянного и переменного тока и является универсальным средством электромеханического преобразования энергии. Управление ВД уже устоялось и остаётся неизменными в течение нескольких последних десятилетий. Редкость использования обуславливается стоимостью редкоземельных магнитов. Постоянное удешевление и поиск новых магнитных материалов позволит использование ВД в больших отраслях промышленности.
Литература:
- Электродвигатели для насосов и насосного оборудования [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.szemo.ru/press-tsentr/article/elektrodvigateli-dlya-nasosov-i-nasosnogo-oborudovaniya/, свободный (дата обращения: 23.05.2021).
- Панкратов В. В. Тенденции развития общепромышленных электроприводов переменного тока на основе современных устройств силовой электроники // Силовая интеллектуальная электроника. Специализированный информационно-аналитический журнал. — 2005. — № 2. — С. 27–31.
- Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе: управление (синус и/или трапеция) [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://habr.com/ru/post/539542/, свободный (дата обращения: 23.05.2021).
- Корельский Д. В., Потапенко Е. М., Васильева Е. В. Обзор современных методов управления синхронными двигателями с постоянными магнитами. // Науковий журнал «Радiоелектронiка. Iнформатика. Управлiння», 2001. — С. 155 –159.
- Вентильный электропривод: шанс для российских производителей. // Оборудование: рынок, предложение, цены. — 2004. — № 1.
