• Eng
  • Рус

Системы управления электродвигателями

Системы управления электродвигателями напряжением 0.4, 6(10) кВ: устройства плавного пуска, преобразователи частоты

Скачать полное техническое описание

Наиболее энергоемкими элементами промышленных предприятий являются электродвигатели производственных механизмов, энергопотребление которых составляет более 60% от всей вырабатываемой электроэнергии. В настоящее время значительная часть электродвигателей не оснащена пускорегулирующими устройствами и подключается к сети напрямую.

Потребление электроэнергии электромеханическими комплексами

 

Применение современных пускорегулирующих устройств

Известно, что прямое подключение электродвигателей к сети имеет существенные недостатки – отрицательное влияние на электродвигатель и приводной механизм, негативное воздействие на систему электроснабжения и технологические процессы, помимо этого отсутствие регулирование производительности приводит к увеличению потерь электроэнергии и, как следствие, снижению энергоэффективности электротехнических комплексов.

Эффективным решением данных проблем в условиях промышленных предприятий является применение современных пускорегулирующих устройств (ПРУ). В настоящее время находят широкое применение два типа ПРУ: устройства плавного пуска, преобразователи частоты, которые позволяют обеспечить:

  • Формирование пусковых характеристик электродвигателей (плавный пуск, безаварийный пуск электродвигателей в условиях предприятий с дефицитом мощности, реверсирование, торможение, останов);
  • Распределения нагрузок – управление режимами работы ЭД в соответствии технологической необходимостью эксплуатации электромеханических комплексов;
  • Оптимизацию пусковых и тормозных моментов для безударных разгонов и остановок приводных механизмов, увеличение срока службы подшипников, редукторов, ремней и других деталей машин;
  • Обеспечение рационального распределения производственных мощностей в системах электроснабжения (использование электродвигателей в качестве потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки);
  • Защиту электрического и механического оборудования от аварийных режимов;
  • Рациональную и экономичную эксплуатацию технологического оборудования.

Устройства плавного пуска

 

Преобразователи частоты

 

Специалисты компании АО «Электронмаш» готовы оказать следующие услуги:

  • обследование объекта и сбор исходных данных;
  • разработка и согласование технического задания;
  • комплексная поставка оборудования;
  • шеф-монтажные и пуско-наладочные работы;
  • обучение персонала заказчика.

 

Оптимизация режимов работы и управление электродвигателями при помощи пускорегулирующих устройств (ПРУ)

Законом об энергосбережении определена задача снижения энергетической составляющей в себестоимости продукции. Наиболее энергоемкими элементами промышленных предприятий являются электродвигатели производственных механизмов, энергопотребление которых составляет более 60% от всей вырабатываемой электроэнергии. Для реализации направлений по энергосбережению на предприятиях разрабатываются и внедряются энерго- и ресурсосберегающие технологии и мероприятия. Так как электромеханические комплексы с высоковольтными ЭД являются установками большой единичной мощности, то они оказывают существенное влияние на режим энергопотребления предприятия. Выбор рационального режима использования таких комплексов является важной научно-технической задачей.

Особое значение, при эксплуатации электротехнических комплексов промышленных предприятий, в современных экономических условиях, приобретает безостановочное производство. Восстановление производственного цикла, сложного технологического процесса и нормальных режимов работы после простоя, в ряде случаев, становиться очень сложной задачей.

Известно, что прямое подключение электродвигателей к сети имеет существенные недостатки – отрицательное влияние на электродвигатель и приводной механизм, негативное воздействие на систему электроснабжения и технологические процессы, помимо этого отсутствие регулирования производительности приводит к увеличению потерь электроэнергии и, как следствие, снижению энергоэффективности электротехнических комплексов. В настоящее время значительная часть электродвигателей не оснащена пускорегулирующими устройствами и подключается к сети напрямую.

Эффективным решением данных проблем в условиях промышленных предприятий является применение современных пускорегулирующих устройств (ПРУ). В настоящее время находят широкое применение два типа ПРУ: устройства плавного пуска (УПП, Soft Starter), частотно-регулируемые электроприводы (ЧРП, VFD), которые позволяют обеспечить:

  • Формирование пусковых характеристик электродвигателей (плавный пуск, безаварийный пуск электродвигателей в условиях предприятий с дефицитом мощности, реверсирование, торможение, останов);
  • Распределение нагрузок – управление режимами работы электродвигателя в соответствии технологической необходимостью эксплуатации электромеханических комплексов;
  • Оптимизацию пусковых и тормозных моментов для безударных разгонов и остановок приводных механизмов, увеличение срока службы подшипников, редукторов, ремней и других деталей машин;
  • Обеспечение рационального распределения производственных мощностей в системах электроснабжения (использование электродвигателей в качестве потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки);
  • Защиту электрического и механического оборудования от аварийных режимов;
  • Рациональную экономичную и эксплуатацию технологического оборудования.

Внедрение современных ПРУ в производство позволит достичь значительных показателей экономической и энергетической эффективности, по средствам использования электродвигателей в качестве потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки при минимизации в процессе пуска электродинамических и термических воздействий на электродвигатель и систему электроснабжения. Достигается значительная экономия материально-технических ресурсов, за счет увеличения межремонтного периода обслуживания электрооборудования и снижения капиталовложений, необходимых для обеспечения электроснабжения объектов.

Список литературы

1.    Федеральный  закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении  энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные  акты Российской Федерации".

2.    Устинов Д.А. Состояние и перспективы развития преобразователей частоты. Машиностроение и автоматизация производства. Межвузовский сборник выпуск 18.: СПб. 1999.

3.    Абрамович Б.Н., Устинов Д.А. Выбор способа пуска синхронного двигателя используемого в качестве потребителя регулятора // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 6

 

Обеспечение устойчивости электроустановок при пуске высоковольтных ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НГДП

Промышленные предприятия часто сталкиваются с проблемой недопустимой потери напряжения на подстанциях (шины 6 кВ) при пуске высоковольтных электродвигателей.

Большие пусковые токи, потребляемые электродвигателями в момент их запуска, и связанные с этим глубокие провалы напряжения очень усложняют, а в ряде случаев (например, большая удаленность пускаемого электродвигателя от головного источника питания) делают невозможным пуск в работу двигателей без останова других потребителей по причине срабатывания устройств релейной защиты.

Неблагоприятно сказываются броски пускового тока на питающую сеть, приводя к недопустимым по нормам ГОСТ 13109-97 [1] провалам напряжения, что отрицательно сказывается на устойчивости работы других потребителей. Нарушается нормальное течение технологических процессов. Также становится невозможным массовый самозапуск электродвигателей после восстановления напряжения на источниках питания.

Согласно строительных норм СН 174-75 остаточное напряжение на шинах 6 кВ при пуске электродвигателей должно составлять не менее 75% [2]. Остаточное напряжение на шинах 6 кВ при пуске высоковольтных электродвигателей в некоторых случаях составляет 70% и менее, что недопустимо.

Одним из эффективных решений данной проблемы в условиях нефтепромыслов является применение устройств плавного пуска, которые должны обеспечивать:

  1. Запуск двигателей в условиях предприятий с дефицитом мощности;
  2. Формирование заданных пусковых характеристик электродвигателей(см. рис.1).

Рис.1 Графики пуска СТД-1600.

 

Способ пуска высоковольтных синхронных электродвигателей может быть выбран по результатам сопоставительного анализа вариантов исходя из условий технологического процесса и состояния электрических сетей предприятия.

Применение  устройств плавного пуска дает возможность пуска электродвигателей большой единичной мощности в сетях ограниченной мощности от газотурбинных и газопоршневых электростанций. В настоящее время применяется УПП 6 кВ на Талаканском и Ай-Пимском месторождениях ОАО «Сургутнефтегаз». Базовыми элементами таких систем являются тиристорные преобразователи, в которых используется фазовый принцип управления. В каждой из трех фаз преобразователя используется встречно-параллельное включение тиристоров. Как показали результаты режимов работы УПП на месторождениях ОАО «Сургутнефтегаз» не произошло ни одного опасного провала напряжения при пуске высоковольтных электродвигателей.

Литература:

  1. ГОСТ 13109-97  Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Изд-во стандартов, 1997.
  2. СН 174-75 Инструкция по проектированию электроснабжения промышленных предприятий. М.: Изд-во стандартов, 1975.

Эффективная технология энергосбережения на производственных предприятиях

В соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2020 года снижение энерго- и электроемкости экономики и повышение эффективности использования энергоносителей являются важнейшими стратегическими направлениями [1,2]. Электроэнергетика является определяющей составляющей в структуре энергопотребления, которая вместе с теплоснабжением использует 70 % топливно-энергетических ресурсов. Вместе с тем значительная часть объектов нефтегазодобывающих предприятий эксплуатируется уже более 35 – 40 лет, их оборудование основательно устарело и нуждается в коренной реконструкции [3].

Например, одной из наиболее энергоемких составляющих технологического процесса добычи нефти является система поддержания пластового давления (СППД). СППД представляет собой комплекс технологического оборудования, предназначенного для подготовки, транспортировки и закачки в пласт энергоносителя. Нефтегазодобывающие предприятия расходуют до 40% мощности на закачку воды. Поэтому формирование заданных пусковых характеристик производственных механизмов является одной из важнейших задач в электротехнических системах промышленных предприятий.

Наиболее энергоемкими элементами системы электроснабжения предприятий являются стационарные установки с приводом от высоковольтных электродвигателей мощностью до 6 МВт и более. При пуске высоковольтных электродвигателей остаточное напряжение на шинах 6 кВ достигает 70% и менее, что недопустимо. Также становится невозможным массовый самозапуск электродвигателей после восстановления напряжения на источниках питания. Поэтому важными техническими мероприятиями по энергосбережению являются мероприятия по модернизации существующих электроприводов и систем регулирования.

В связи с постоянным увеличением стоимости электроэнергии становится экономически и технически целесообразным применение регулируемых электроприводов. Так, для привода насосов КНС эффективным решений данной проблемы в условиях нефтепромыслов является применение устройств плавного пуска, которые должны обеспечивать:

  1. Формирование заданных пусковых характеристик электродвигателей (плавный пуск, запуск двигателей в условиях предприятий с дефицитом мощности, реверсирование, торможение и останов);
  2. Гибкое управление режимами работы электродвигателей в соответствии с технологической необходимостью потребления рабочей жидкости (обеспечение поддержания необходимого давления в пластах, оптимизация распределения нагрузок между насосами внутри КНС и между смежными КНС);
  3. Неограниченное число пусков за время эксплуатации (рациональное и экономичное использование оборудования с учетом тарифа на электроэнергию);
  4. Защиту электрического и механического оборудования от аварийных режимов.

Поэтому является актуальным применение современных пускорегулирующих устройств высоковольтных электродвигателей, при котором обеспечивается электромагнитная совместимость оборудования в соответствии с ГОСТ 13109-97 и СН 174-75 [4,5].

Обеспечение рационального распределения производственных мощностей в системах электроснабжения нефтегазодобывающих комплексов может быть достигнуто путем использования высоковольтных электродвигателей в качестве потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки.

Такое использование высоковольтных электродвигателей достигается путем оптимизации процесса пуска, при минимизации электродинамических и термических воздействий на электродвигатель и систему электроснабжения, по средствам применения современных систем управления электродвигателем (преобразователи частоты, устройства плавного пуска).

Таким образом применение современных систем управления электродвигателем обеспечивает оптимизацию пусковых характеристик электромеханических комплексов, ограничение пусковых токов до 3,5 от номинального значения и ограничение снижения основной гармонической составляющей питающего напряжения, а также минимизацию искажения кривой питающего напряжения, при которой обеспечивается электромагнитная совместимость электрооборудования, что позволит обеспечить непрерывность технологических процессов и эффективно распределять ресурсы предприятий.

 

Литература

  1. Волков Э.П., Баринов В.А., Маневич А.С. Проблемы и перспективы развития электроэнергетики России. М.: Энергоатомиздат, 2001
  2. Основные положения энергетической стратегии России на период до 2020 года//Энергетическая политика России на рубеже веков. М.: «Папирус ПРО», 2001.
  3. Барсенев А.П., Шейко П.А., Лазарев Г.Б., Шакарян Ю.Г. Техническое перевооружение и реконструкция ТЭЦ России с применением энергосберегающих технологий на основе регулируемого электропривода механизмов собственных нужд//Вестник ВНИИЭ-200. М.: ЭНАС, 2000.
  4. ГОСТ 13109-97  Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Изд-во стандартов, 1997.
  5. СН 174-75 Инструкция по проектированию электроснабжения промышленных предприятий. М.: Изд-во стандартов, 1975.

Применение современных систем управления электродвигателем в различных отраслях промышленности

Развитие промышленности неразрывно связано с комплексом работ по техническому перевооружению на основе комплексной механизации и автоматизации производственных процессов. Современный этап развития промышленности, с точки зрения энергопотребления, характеризуется непрерывным увеличением электрических нагрузок как производственных, так и всего предприятия в целом. Это объясняется увеличением производственных мощностей, внедрением новых энергоемких процессов.

Наиболее энергоемкими элементами в составе электротехнических комплексов предприятий  являются электродвигатели (ЭД), энергопотребление которых составляет 60% от всей потребляемой электроэнергии. В связи с постоянным увеличением стоимости электроэнергии становится экономически и технически целесообразным применение регулируемых электроприводов. В настоящее время значительная часть ЭД не оснащена современными системами управления электродвигателями (СУЭД) и подключается к сети напрямую, что сопровождается рядом проблем:

  1. Электродинамические и термические воздействия на ЭД;
  2. Ударные нагрузки на приводной механизм;
  3. Негативное воздействие на систему электроснабжения и технологические процессы (провалы напряжения в питающей сети);
  4. Увеличение потерь электроэнергии и, как следствие снижение энергоэффективности предприятий.

СУЭД – устройства плавного пуска (УПП, soft starter), преобразователи частоты (ПЧ, VFD) в составе электротехнических комплексов управления ЭД, предназначенные для плавного пуска (останова), регулирования режимов работы (ПЧ) и защиты ЭД, а также для реализации коммутационных режимов в процессе пуска (останова).

СУЭД целесообразно применять для предотвращения нарушений технологических процессов вызванных потерей питающего напряжения в распределительных сетях предприятий при пуске ЭД, а также для снижения электродинамических и термических воздействий на ЭД, ударных нагрузок на приводимый в движение механизм.

К числу объектов, основными энергоемкими элементами, в составе электромеханических комплексов которых являются высоковольтные электродвигатели, где необходимо обеспечить плавный пуск относятся:

  • Насосные станции;
  • Вентиляционные системы промышленных предприятий;
  • Компрессорные станции;
  • Дробильные машины;
  • Конвейеры;
  • Мельницы;
  • Молоты/прессы;
  • Станции аэрации систем водоснабжения канализации;
  • Цементные вращающиеся печи.

СУЭД находит широкое применение в следующих отраслях:

1.      Нефтегазодобывающие предприятия:

1.1  Кустовые насосные станции (КНС);

1.2  Дожимные насосные станции (ДНС);

1.3  Компрессоры, насосы технологических комплексов, имеющие в составе высоковольтные ЭД;

1.4  Дымососы (котельные, газоочистка);

2.      Энергетика:

2.1 Питательные электронасосы;

2.2 Сетевые насосы;

2.3 Циркуляционные насосы;

2.4 Насосы береговых насосных станций;

2.5 Дутьевые вентиляторы;

3.   ЖКХ, теплосети, водоканалы:

      3.1 Насосы канализационных насосных станций;

      3.2 Насосы береговых насосных станций;

      3.3 Сетевые насосы;

      3.4 Насосы водопроводно-насосных станций;

      3.5 Воздуходувные агрегаты очистных сооружений;

4.   Морское применение (в основном применяются ПЧ):

      4.1 Якорные лебедки;

      4.2 Трюмные помпы;

      4.3 Основные ЭД;

      4.4 Поворотные ЭД;

5.   Химическая промышленность:

      5.1 Компрессоры (винтовые, поршневые, центробежные, турбокомпрессоры);

      5.2 Компрессоры рефрижераторных установок;

      5.3 HVAC (вентиляционные системы) системы;

      5.4 Смесители;

      5.5 Вентиляторы, насосы;

6.   Горная промышленность:

      6.1 Экструдеры;

      6.2 Центрифуги;

      6.3 Смесители;

      6.4 Вентиляторы и воздуходувки;

      6.5 Дробилки;

      6.6 Мельницы;

      6.7 Конвейеры;

      6.8 Земснаряд, драги;

7.   Металлургия:

      7.1 Вентиляторы водяного газа;

      7.2 Кислородно-конвертерные вентиляторы;

      7.3 Вентиляторы пылеуловителей;

      7.4 Доменные воздуходувки;

      7.5 Насосы вспомогательных систем;

      7.6 Дымососы систем газоочистки и др.;

8.   Газовая:

      8.1 Турбокомпрессоры;

      8.2 Газовые нагнетатели;

      8.3 Дымососы;

9.   Промышленные предприятия:

      9.1 Дутьевые вентиляторы;

      9.2 Дымососы;

      9.3 Насосы различного назначения;

      9.4 Компрессоры;

      9.5 Насосы оборотного водоснабжения для собственных технологических нужд;

      9.6 Компрессорные станции технологического воздуха;

10. Деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность:

      10.1 Рафинеры (аппарат для размола и очистки грубой древесной массы);

      10.2 Дефибраторы (устройство для получения древесной массы истиранием пропаренной щепы между металлическими дисками, один из которых вращается);

11. Цементная промышленность:

      11.1 Цементные вращающиеся печи;

      11.2 Дробилки, мельницы, вентиляторы, конвейеры, насосы, компрессоры;

12. Атомная промышленность:

      12.1 Насосы (подача воды; рециркуляции конденсата, насосы водяного охлаждения);

      12.2 Вентиляторы, компрессоры.

Для объектов, имеющих в своем составе несколько высоковольтных ЭД, широко применяется система группового плавного пуска, осуществляющая поочередный плавный пуск ЭД. Система группового плавного пуска характеризуется продолжительностью паузы между пусками. Сокращение данного перерыва достигается увеличением мощности и применением более эффективной системы охлаждения силовых дискретных элементов.

Большую долю среди стационарных установок (СУ) предприятий минерально-сырьевого комплекса составляют механизмы, в приводе которых установлены высоковольтные электродвигатели – турбомеханизмы: вентиляторы главного и местного проветривания, компрессоры, насосы; шаровые мельницы и.т.д. Мощность приводов в единичной установке может достигать нескольких тысяч киловатт.

Например, компрессорные установки могут иметь установленную мощность, превышающую 10 МВт. и расходовать на угольных шахтах до 25% электроэнергии. Мощность приводов шаровых рудомольных мельниц достигает 4 ¸ 8 МВт.  На вентиляцию расходуется до 30% электроэнергии потребляемой горными предприятиями.

В работе тепловых электростанций большое значение имеют питательные насосы. Они являются значительными индивидуальными потребителями энергии электростанции, потребляя 3÷4% вырабатываемой энергоблоком мощности. Насосы входят в состав турбонасосных агрегатов, подающих питательную воду в котлоагрегаты энергетических блоков мощностью 250÷800 МВт. Поэтому важным фактором, характеризующим питательные насосы являются такие параметры, как высокая экономичность, надежность, готовность, срок службы.

Поэтому формирование заданных пусковых характеристик стационарных установок является одной из важнейших задач в электротехнических системах предприятий. В зависимости от условий эксплуатации стационарных установок могут быть сформулированы различные ограничения, как со стороны рабочего механизма, так и со стороны системы электроснабжения и приводного электродвигателя. К таким ограничениям относятся:

  • потеря напряжения в системе электроснабжения не должна превышать допустимого по ГОСТ 13109 – 97;
  • ускорение в процессе разгона механизма не должно превышать допустимого значения, как для механизма, так и для самого двигателя;
  • нагрев обмоток двигателя в процессе пуска не должен превышать допустимой величины;
  • отклонение рабочих характеристик электроприводов, параллельно работающих стационарным установкам не должно превышать допустимого по условиям технологического процесса;

Применение современных СУЭД в составе электротехнических комплексов промышленных предприятий позволяет избежать негативных последствий прямого подключения высоковольтных электродвигателей к сети, а также обеспечит пуск электродвигателей большой единичной мощности от газопоршневых и газотурбинных электростанций. Реализация плавного пуска электропривода и регулирование скорости в широких пределах особенно необходимо в условиях современных промышленных предприятий для обеспечения требуемых норм технологического процесса. Поддержание заданных параметров технологических процессов, путем использования современных систем управления электродвигателями, позволит получить оптимальные параметры продукта на каждой стадии производства. Чем точнее будут эти параметры, тем качественней будет готовый продукт.

 

Список литературы

  1. Возбуждение и устойчивость электромеханических комплексов с синхронными двигателями / Б.Н. Абрамович [и др.]. Под общей ред. Б.Н. Абрамовича – СПб.: Изд-во политехн. университета, 2010.
  2. СН 174-75 Инструкция по проектированию электроснабжения промышленных предприятий. - М.: Изд-во стандартов, 1975.
  3. Сыромятников, И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей / И.А. Сыромятников. – М. : Энергоатомиздат, 1984.
  4. Устинов Д.А. Управление возбуждением синхронных двигателей стационарных установок горных предприятий в процессе пуска. Политехнический симпозиум «Молодые ученые промышленности СевероЗападного региона».: СПб. 2003.

Управление электродвигателем

Электродвигатели промышленного оборудования являются основными потребителями электрической энергии. Доля силовых установок в общем потреблении производственным оборудованием энергии достигает 60%. Большинство современных установок подключается к сетям питания напрямую, без применения пускорегулирующих устройств.

Область применения регуляторов пуска

Подключение электродвигателя напрямую к сети электропитания несет несколько недостатков – негативное воздействие на сам двигатель и его механизмы пуска, отрицательное влияние на линию электроснабжения и производственные процессы. Кроме того, отсутствие управления мощностью ведет за собой повышенное потребление электроэнергии и снижает общую энергетическую эффективность промышленного комплекса.

 Для решения данной проблемы на производственных и промышленных объектах применяют пускорегулирующие устройства (ПРУ), что является наиболее эффективным способом. Наибольшее распространение имеют два основных вида ПРУ: преобразователи частоты и устройства плавного пуска. Управление электродвигателем с помощью этого оборудования позволяет обеспечить:

  • Управление характеристиками пуска электродвигателя – плавность, безопасный пуск, реверс, торможение и остановка в сетях с ограниченной мощностью;
  • Управление нагрузкой – изменение рабочих режимов в зависимости от потребностей производственного цикла;
  • Повышение плавности моментов пуска и остановки электродвигателей, что обеспечивает увеличение срока службы деталей и частей механизмов;
  • Распределение суточных нагрузок в сетях электропитания за счет рационального управления потреблением энергии;
  • Предотвращение работы установок в аварийных режимах;
  • Рационализация и повышение экономичности эксплуатационного процесса.

ПРУ плавного пуска

Устройства плавного пуска (УПП) представляют собой электротехнический механизм, выполняющий плавный пуск и остановку электродвигателя (ЭД), а также регулирующие режимы коммутации при этих действиях.

В основе УПП заложен тиристорный регулятор напряжения (ТНР), который является электронным устройством со статическим режимом работы. Принцип действия заключается в ограничении нарастания значений напряжения и силы тока при старте ЭД путем регулирования углов открытия тиристоров. ТНР использует фазовый способ управления, на каждой из которых используется встречно-параллельная активация тиристоров.

ПРУ частотно-регулируемые

Приводы управления электродвигателем основанные на частотно-регулируемом принципе принимая электроэнергию преобразуют ее передают потребляющим промышленным механизмам и оборудованию. В своей работе они обеспечивают защиту от коротких замыканий и перегрузок. Частотно регулируемые приводы (ЧРП) также позволяют управлять электродвигателями: позволяют осуществлять безударный пуск и остановку, бесступенчатый разгон и торможение, а также подержание определенного режима работы.