Введение

Высоковольтные электродвигатели напряжением 3, 6 и 10 кВ широко применяются в приводах насосных, компрессорных, вентиляционных и мельничных агрегатов. Для таких механизмов характерны значительная единичная мощность, большие моменты инерции и повышенные требования к надежности электроснабжения. Прямой пуск двигателя от сети является наиболее простой схемой, но он сопровождается кратковременным броском тока, электродинамическими усилиями в обмотках, ударными нагрузками в муфтах и возможной посадкой напряжения на шинах распределительного устройства. При недостаточной мощности питающей сети это может привести к нарушению устойчивости работы других электроприемников.

Для уменьшения пусковых воздействий применяются реакторный и автотрансформаторный пуск, устройства плавного пуска на тиристорных регуляторах напряжения, а также частотный пуск. Реакторный и автотрансформаторный способы снижают ток за счет пониженного напряжения на статоре, но одновременно уменьшают электромагнитный момент двигателя. Устройства плавного пуска повышением напряжения дают более мягкую диаграмму тока, однако момент асинхронного двигателя при этом также зависит от квадрата напряжения. Поэтому при тяжелом пуске и высоком моменте сопротивления наиболее эффективным является пуск с одновременным регулированием частоты и напряжения [2, 7].

Частотно-регулируемый привод (ЧРП) позволяет формировать требуемую траекторию разгона, поддерживать потокосцепление двигателя близким к номинальному и ограничивать ток статора заданным значением. Для высоковольтных электроприводов требования к силовым преобразователям, системе управления и условиям эксплуатации рассматриваются в нормативных документах для регулируемых приводов переменного тока свыше 1000 В [1].

Особенности пуска высоковольтных двигателей

При выборе способа пуска необходимо учитывать тип двигателя, момент сопротивления механизма, приведенный момент инерции, допустимую просадку напряжения и тепловое состояние обмоток. Для механизмов с вентиляторной характеристикой нагрузочный момент при малой частоте вращения невелик, поэтому пуск может выполняться сравнительно плавно. Для шаровых мельниц, конвейеров, компрессоров и насосов, работающих под давлением, начальный момент сопротивления может быть высоким, что требует сохранения перегрузочной способности двигателя уже на низких скоростях.

У асинхронного двигателя при понижении напряжения уменьшается критический и пусковой момент, поэтому длительный разгон через реактор или тиристорный регулятор напряжения может сопровождаться перегревом ротора и статора. В ЧРП частота питающего напряжения увеличивается от начального значения до номинального, а напряжение изменяется по закону, близкому к U/f = const. Благодаря этому магнитный поток двигателя поддерживается на требуемом уровне, а электромагнитный момент не падает так резко, как при простом снижении напряжения.

Для синхронных двигателей задача пуска усложняется необходимостью согласования разгона ротора с вращающимся полем статора и системой возбуждения. Возможен асинхронный пуск с отключенным возбуждением, но для крупных высоковольтных машин более предпочтителен частотный пуск с включенным возбуждением. В этом случае преобразователь частоты задает малую начальную частоту, а система управления обеспечивает такой темп разгона, при котором двигатель не выходит из синхронизма. После достижения скорости, близкой к номинальной, выполняется синхронизация с сетью и перевод на байпас [3, 4].

Структура частотно-регулируемого привода для пуска

Высоковольтный ЧРП для пуска включает входной коммутационный аппарат, токоограничивающие реакторы или трансформатор, выпрямитель, звено постоянного тока, инвертор, систему управления, защиты и, при необходимости, выходной фильтр. Если преобразователь используется только как пусковое устройство, после завершения разгона двигатель подключается к сети через байпасный выключатель, а преобразователь может быть подготовлен к запуску следующего двигателя. Такая схема называется групповым частотно-регулируемым пуском.

В современных приводах применяются две основные группы силовых схем. Первая группа — многоуровневые преобразователи напряжения на IGBT или IGCT приборах. Они обеспечивают плавное регулирование скорости в рабочем диапазоне, развитые функции диагностики и возможность применения в технологических процессах, где требуется постоянное изменение частоты вращения. Вторая группа — тиристорные преобразователи с управляемым выпрямителем и зависимым инвертором тока. Такие устройства целесообразны для пуска мощных синхронных двигателей, когда регулирование скорости после разгона не требуется [3, 4].

Преобразователь с инвертором тока формирует ток статора и изменяет его частоту в процессе разгона. На малых скоростях коммутация тиристоров может выполняться принудительно, а при росте ЭДС двигателя инвертор переходит к естественной коммутации. Ограничение тока на уровне, близком к номинальному, уменьшает просадку напряжения в питающей сети и снижает тепловые нагрузки на электродвигатель. Для синхронных двигателей дополнительно требуется согласованная работа преобразователя и возбудителя [4].

Алгоритм пуска и настройка параметров

Алгоритм пуска начинается с проверки готовности силовой схемы, исправности цепей управления, состояния блокировок, системы охлаждения и защит двигателя. Далее преобразователь формирует начальную частоту и напряжение, достаточные для создания пускового момента. Для асинхронных двигателей чаще применяется скалярное управление с постоянным отношением U/f и добавкой напряжения на низких частотах для компенсации падения напряжения на сопротивлении статора. При высоких требованиях к динамике используется векторное управление с раздельным регулированием потокосцепления и момента.

Время разгона задается с учетом механической характеристики рабочей машины. Слишком короткая рампа приводит к росту тока и возможному срабатыванию ограничения, а чрезмерно длинная увеличивает тепловые потери в двигателе и преобразователе. Для насосов и вентиляторов целесообразна S-образная характеристика нарастания частоты, позволяющая уменьшить гидравлические и механические удары. Для механизмов с постоянным моментом сопротивления важно обеспечить достаточный момент на всем участке разгона, особенно в зоне малых частот.

Основными регулируемыми параметрами являются начальная частота, начальное напряжение, предельный ток, допустимое время пуска, тип кривой разгона, уставки защит от перегрузки и минимального напряжения. На практике ток пуска при частотно-регулируемом разгоне выбирается существенно ниже, чем при прямом включении, и обычно находится в пределах 1,1–1,5 номинального тока в зависимости от типа преобразователя, двигателя и характера нагрузки [3, 4].

После выхода на частоту сети выполняется синхронный трансфер. Система управления сравнивает напряжение двигателя с напряжением сети по амплитуде, частоте и фазе. При достижении допустимого рассогласования подается команда на включение байпасного выключателя, после чего преобразователь разгружается и отключается от цепи статора. Качество синхронного трансфера определяет отсутствие бросков тока, толчков момента и коммутационных перенапряжений.

Преимущества и ограничения применения ЧРП

Основным преимуществом частотно-регулируемого пуска является возможность снижения пускового тока без потери момента. Это особенно важно для объектов с ограниченной мощностью питающей сети, длинными кабельными линиями и большим количеством ответственных электроприемников. Дополнительным преимуществом является уменьшение механических нагрузок на вал, муфты, редукторы и приводимый механизм. Программируемая траектория разгона повышает повторяемость пуска и облегчает настройку технологического процесса.

К ограничениям относятся высокая стоимость преобразователя, необходимость размещения высоковольтного оборудования, требования к вентиляции и охлаждению, а также влияние преобразовательной техники на качество электроэнергии. При проектировании необходимо оценивать гармонический состав входного тока, реактивную мощность, электромагнитную совместимость с цепями релейной защиты и автоматизации. Для двигателей с длительным кабельным присоединением и старой изоляцией следует учитывать крутизну фронтов напряжения на выходе инвертора и при необходимости применять выходные фильтры или специальные кабельные решения [1, 6].

Если ЧРП используется не только для пуска, но и для регулирования скорости, экономический эффект может быть связан со снижением энергопотребления механизмов с вентиляторной характеристикой. Если же технологический процесс требует только пуска на номинальную скорость, целесообразность применения постоянного высоковольтного преобразователя должна сравниваться с вариантом группового пускового устройства и байпасным подключением двигателя к сети.

Заключение

Пуск высоковольтного электродвигателя с применением частотно-регулируемого привода является эффективным способом ограничения пускового тока, снижения просадки напряжения и уменьшения механических ударов. В отличие от способов, основанных только на снижении напряжения статора, частотный пуск позволяет сохранять требуемый электромагнитный момент в широком диапазоне скоростей. Для асинхронных двигателей это достигается управлением законом U/f или векторным регулированием, а для синхронных двигателей — согласованным управлением частотой, током статора и возбуждением.

При выборе ЧРП необходимо учитывать мощность и тип двигателя, механическую характеристику нагрузки, допустимое время разгона, параметры питающей сети, условия синхронного трансфера и требования к электромагнитной совместимости. Для объектов, где регулирование скорости не требуется, рациональным решением может быть групповое устройство частотного пуска с последующим переводом двигателя на сеть. Для технологических агрегатов с переменной производительностью предпочтительно применение полноценного высоковольтного преобразователя частоты, обеспечивающего как плавный пуск, так и энергоэффективное регулирование скорости.

Литература:

1. ГОСТ Р МЭК 61800–4–2012. Системы силовых электроприводов с регулируемой скоростью. Часть 4. Общие требования. Номинальные технические характеристики систем силовых приводов переменного тока свыше 1000 В и не более 35 кВ. URL: https://www.elec.ru/library/gosts_e72/gost-r-mek-61800–4–2012/
2. Ткачук А. А., Шилин С. И. Система частотно-регулируемого плавного пуска высоковольтных синхронных электроприводов // ЭППТ 2018, Екатеринбург, 26–30 марта 2018.
3. Высоковольтные преобразователи частоты для плавного пуска синхронных двигателей ПЧСД-В-Г // Автоматизированные системы и комплексы. URL: https://asc-ural.ru/products/ci/fc-pgchp/
4. Устройство безударного плавного пуска УБПВД-С и регулирования скорости УБПВД-СР // Система 21. URL: https://www.systema21.ru/novyj-katalog/item/ustrojstvo-bezudarnogo-plavnogo-puska-ubpvd-s-i-regulirovaniya-skorosti-ubpvd-sr
5. Устройства плавного пуска электродвигателей напряжением 3–10 кВ и мощностью до 17 МВт. ООО НПП «ЭКРА». 2016. Издание 9. 32 с.
6. ABB. ACS2000 medium voltage industrial drives. URL: https://new.abb.com/drives/medium-voltage-ac-drives/acs2000
7. Усольцев А. А., Лукичев Д. В., Ловлин С. Ю., Никитина М. В., Поляков Н. А. Моделирование переходных режимов в асинхронном электроприводе со скалярным частотным управлением. СПб: Университет ИТМО, 2023. 74 с.
8. Вейгнер А. М. Регулируемые электроприводы переменного тока. М., 2009.
9. Абрамович Б. Н., Устинов Д. А., Коновалов Ю. В. Выбор способа пуска синхронного двигателя, используемого в качестве потребителя // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 6. URL: http://www.ogbus.ru
10. Cистема мягкого частотного пуска типа СМП-М-П // Инженерная компания ТЕХНОРОС. URL: https://technoros.spb.ru/vvupp-smpc.html