CC BY
44ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.313-57
В.В. Блюк1, e-mail: vatyabtyk@mait.ru; А.В. Егоров1, e-mail: avyegorov@yandex.ru; А.Н. Комков1, e-mail: komkov.a@gubkin.ru 1 ФГБОУ ВО «РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина» (Москва, Россия).
Динамические режимы асинхронных электроприводов: классификация и терминология
При разработке технических решений в области повышения надежности и устойчивости работы промышленных электротехнических систем необходимо применение единообразной и однозначной терминологии для описания динамических режимов электроприводов и их групп. На практике наблюдается разнородное толкование общепринятых в научной литературе терминов, что чревато взаимным непониманием поставленных задач и конфликтными ситуациями между исполнителями и заказчиками работ. Особое практическое значение имеют режимы, связанные с пуском двигателей из различных исходных состояний в нормальных и послеаварийных режимах электротехнических систем. Динамические режимы разделяются на электромагнитные, электромеханические и тепловые переходные процессы. Скорость их протекания определяется видом энергии, который их обусловливает. Существенные различия возможных скоростей затухания переходных процессов, обусловленных определенным видом энергии, не позволяют однозначно установить время завершения процесса. Для каждого процесса целесообразно выделить один измеряемый параметр, по значению которого можно оценить состояние переходного процесса. Предлагается использовать значения остаточной электродвижущей силы (ЭДС), угловой скорости и среднюю температуру активных частей машины. Базовым принципом классификации служит факт сохранения связи двигателя с питающей сетью или потеря таковой связи. Если связь с сетью не утрачивается, такой режим называется самозапуском. Показано, что режимы, возникающие при работе быстродействующего автоматического ввода резерва (БАВР), также являются самозапуском приводов. Пуском называется режим, когда связь с сетью потеряна и двигатель начинает разгон из холодного состояния. Ключевое отличие повторного пуска от пуска заключается в том, что данный пусковой режим возникает в случае потери связи с сетью, однако двигатель при этом находится в горячем состоянии. Подхватом называется частный случай повторного пуска, когда двигатель находится в горячем состоянии и его выбег еще не завершен. Единообразие терминологии позволяет сформировать четкую классификацию, удобную для пользования и необходимую для применения при разработке технических заданий на проектирование и реконструкцию промышленных электротехнических систем.
Ключевые слова: динамические режимы электроприводов, пуск, самозапуск, повторный пуск, подхват.
V.V. Blyuk1, e-mail: vatyabtyk@mait.ru; A.V. Egorov1, e-mail: avyegorov@yandex.ru; A.N. Komkov1, e-mail: komkov.a@gubkin.ru
1 Federal State Educational Institution of Higher Education «Russian State University of Oil and Gas (National Research University) named after I.M. Gubkin» (Moscow, Russia).
Dynamic Modes of Asynchronous Electric Drives: Classification and Terminology
To improve reliability and operation stability of industrial electric systems it is critical to apply unified and clear terminology for the description of dynamic modes of electric drives and their systems. The terms generally accepted in the academic literature are often used inconsistently. It could lead to mutual misunderstanding of problems set between contractors and customers and initiate conflict situations. The modes associated with the drive startup from different states in normal and post-failure modes of electrical systems are especially important from the practical point of view. Dynamic modes are subdivided into electromagnetic, electromechanical and thermal transition processes. Their rates depend on the energy type specific for a process. Accurate determination of the process termination time in not possible due to considerable differences between decay rates of transition processes utilizing different types of energy. It is reasonable to select a single measurable parameter for each process which will make it possible to evaluate the transition process state. The authors offer to use the values of the residual electromotive force (RMF), angular rate and average temperature of active parts of a unit. The main principle of classification is the connection of an engine to a power line:
86
№ 5 май 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
whether it is kept or lost. When the connection is kept, the mode is called a self-start one. The modes with hot standby can be also considered as drive self-starting modes. Startup is the mode when the connection with a power line is lost and an engine starts acceleration from cold position. The key difference between a restart and a startup is that the first of them appears when the connection with a power line is lost while an engine is hot. Pick-up is a type of restart when an engine is hot and its rundown has not been completed yet. Uniform terminology makes it possible to develop clear and convenient classification to be used for design specifications of industrial electrical systems.
Keywords: dynamic modes of electric drives, start-up, self-starting, re-start, picking up in motion.
Проблема обеспечения устойчивости электротехнических систем (ЭТС) остается актуальной для значительного числа предприятий топливно-энергетического комплекса, отличающихся непрерывностью и напряженностью большинства технологических процессов, укрупнением производства и усложнением технологических процессов. При разработке технических решений в этой области большое значение имеет применение единообразной и однозначной терминологии для описания динамических режимов электроприводов и их групп. Несмотря на сложившиеся в научной и учебной литературе традиции наименования тех или иных режимов, на практике, в том числе в проектной документации, наблюдается разнородное толкование принятых терминов. Такая ситуация чревата взаимным непониманием поставленных задач и возможными конфликтами между исполнителями и заказчиками работ. Представляется, что необходимо применять общую терминологию всеми заинтересованными сторонами и во всех случаях. Наибольшее число различий в трактовках возникает при анализе поведения электроприводов в аварийных и послеаварийных режимах ЭТС. Поскольку особое практическое значение имеют режимы, связанные с пуском двигателей из того или иного исходного состояния, основное внимание будет уделено именно им. Любой динамический режим - это переходный процесс. В электроприводе, как и в любом электротехническом комплексе, существует три вида переходных процессов, физическая природа
которых различна. Данные процессы обусловлены разными видами энергии, скорость изменения каждого из этих видов определяет характерное время протекания процессов, или их инерционность. Различают электромагнитные, электромеханические и тепловые переходные процессы. Дадим им краткую характеристику, расположив по возрастанию характерных времен затухания. Электромагнитный переходный процесс преимущественно обусловлен накоплением энергии в магнитном поле электрической машины. Характеристикой инерционных свойств в данном случае служат индуктивности якорной цепи машины.
Электромеханический переходный процесс связан с изменением кинетической энергии вращающихся масс, зависящей от скорости вращения двигателей и рабочих механизмов, характера процесса, изменения технологических потоков. В данном случае инерционные свойства характеризуются моментом инерции привода.
Тепловые переходные процессы связаны с потерями энергии в электрических машинах и иных элементах электротехнических систем. В отличие от первых двух эти процессы практически не оказывают влияния на устойчивость ЭТС. Однако пренебрегать ими не следует, так как они могут приводить к срабатыванию защит от перегрузки, от затянутого пуска, которые, в свою очередь, дают сигнал на отключение электропривода или иного элемента ЭТС. Повышение температуры приводит также к ускоренному старению изоляции и уменьшению срока службы электрических машин.
Скорость протекания переходных процессов в первую очередь определяется видом энергии, который его обусловливает. Однако если рассматривать электрический двигатель не как отдельный элемент, а как компонент ЭТС, время протекания этих процессов может существенно различаться даже для двух одинаковых двигателей. Зачастую характерные времена различаются в несколько раз. Приведем примеры, следуя приведенной выше классификации переходных процессов. При провале напряжения двигатель, сохранивший связь с питающей системой электроснабжения, теряет электромагнитную энергию достаточно быстро. Если связь потеряна, например из-за отключения контактора при провале напряжения, постоянная времени затухания резко увеличивается. Кинетическая энергия привода может уменьшаться достаточно быстро, например при выбеге на противодавление. Значительно медленнее она спадает при свободном выбеге. Скорость изменения тепловой энергии для рассматриваемого вопроса не так важна. Тем не менее отметим, что при выбеге привода могут меняться условия охлаждения, что изменит скорость затухания таких процессов. Необходимо напомнить, что характеристики электрических двигателей, взятых отдельно, и их же характеристики в составе ЭТС могут существенно различаться [1]. Явления, связанные с взаимным влиянием электроприводов, также необходимо учитывать при анализе динамических режимов и расчете параметров защит двигателей.
Ссылка для цитирования (for citation):
Блюк В.В., Егоров А.В., Комков А.Н. Динамические режимы асинхронных электроприводов: классификация и терминология // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 5. С. 86-91.
Blyuk V.V., Egorov A.V., Komkov A.N. Dynamic Modes of Asynchronous Electric Drives: Classification and Terminology. Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2017, No. 5, P. 86-91. (In Russian)
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 5 May 2017
87
ЭНЕРГЕТИКА
Е, o.e.
1,5 !
л
Рис. 1. Кривая затухания остаточной ЭДС асинхронного электропривода центробежного компрессора 8 МВт после потери связи с питающей сетью
Fig. 1. Residual Electromotive Force Decay Curve for 8 MW Centrifugal Compressor Asynchronous Electric Drive when the Connection with a Power Line is Lost
Указанные существенные различия возможных скоростей затухания переходных процессов, обусловленных определенным видом энергии, не позволяют однозначно установить время завершения того или иного процесса. В связи с этим целесообразно выделить один измеряемый параметр, по значению которого можно оценить состояние переходного процесса. Остаточная ЭДС Еост характеризует электромагнитный переходный процесс в электрической машине. С точки зрения
теоретической электротехники каждая электрическая машина - это источник ЭДС независимо от режима ее работы. В связи с наличием электромагнитной инерции потеря связи с сетью не приводит к мгновенному затуханию ЭДС. Во времени эта величина изменяется не только вследствие изменения магнитной индукции, но и вследствие изменения угловой скорости вращения ротора. Чем мощнее машина, тем более длительным будет переходный процесс, т. е. ЭДС затухает медленнее.
Например, для асинхронного двигателя мощностью 8 МВт, который приводит в действие центробежный компрессор, время затухания ЭДС до 30 % от номинального напряжения, как видно на рис. 1, достигает 2,25 с. Для низковольтных электродвигателей ЭДС затухает за несколько миллисекунд. Угловая скорость ю характеризует электромеханический процесс. Она зависит как от момента инерции привода, так и от момента сопротивления на валу двигателя.
Температура активных частей машины t полностью характеризует тепловой переходный процесс.
Каждый из этих параметров имеет свое пороговое значение, с помощью которого можно оценить, в какой стадии находится переходный процесс. Пороговое значение остаточной ЭДС зависит от типа машины. Рассмотрим сначала наиболее распространенный в промышленности асинхронный двигатель. Если двигатель не теряет связь с энергосистемой, то его ЭДС синфазна с питающим напряжением, и необходимость оценивать данный параметр отсутствует. Если связь с энергосистемой потеряна,то ЭДС изменяет свою амплитуду, частоту и фазу. Соответственно, последующее включение неизбежно приведет к броску тока. Такие броски опасны не столько дополнительным тепловым импульсом, получаемым машиной, сколько значительными электромагнитными усилиями, возникающими в лобовых частях обмоток. При этом особенно опасно включение на напряжение в противофазе с ЭДС. Пороговое значение остаточной ЭДС устанавливает завод-изготовитель. Если данная информация в паспорте двигателя отсутствует, следует ориентироваться на значение в 30 % номинального напряжения. Таким образом, включение двигателя возможно только после снижения значения остаточной ЭДС ниже указанной величины. Для синхронного двигателя даже при сохранении связи с сетью изменяется частота вращения ротора, и после проворота на одно деление срабатывает защита от асинхронного хода, дающая сигнал на гашение поля. Далее
Рис. 2. Графики изменения скольжения асинхронного электродвигателя при его пуске, успешном и неуспешном групповых самозапусках (Рн = 4 МВт)
Fig. 2. Asynchronous Electric Drive Slip Curves at Startup, Successful and Failed Group Self-Starts ( Рн = 4 MW)
88
№ 5 май 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
и. в t2 ООО 2 - При успешном групповом самозапуске 2 - Successful Group Self-Start
10 000 1 i
1 8000 1 1 1 - При пуске одного двигателя 1 - Sturtup of One Electric Drive
«ООО / . s '■--— 3 - При неуспешном групповом самозапуске 3 - Failed Group Self-Start
4000 ]
2000
0 I 1 3 4 i ь 7 f.c
Рис. 3. Графики изменения напряжения на зажимах асинхронного электродвигателя при его пуске, успешном и неуспешном групповых самозапусках (Рн = 4 МВт)
Fig. 3. Asynchronous Electric Drive Terminal Voltage Curves at Startup, Successful and Failed Group Self-Starts (Рн = 4 MW)
синхронный двигатель ведет себя как асинхронный, и для него применимы пороговые значения, указанные выше. Для машин постоянного тока в силу их природы повторное включение машины при затухающей ЭДС несущественно. Поскольку двигатели постоянного тока в большинстве случаев не допускают прямого пуска, важен электромеханический параметр - угловая скорость ротора.
Пороговое значение угловой скорости также зависит от типа машины. Для асинхронного двигателя в составе электротехнической системы существует пороговое значение угловой скорости, снижение ниже которой уже не позволит двигателю в составе ЭТС разогнаться и выйти на рабочий режим (кривая 3 на рис. 2). Часто также невозможен одновременный пуск значительного числа мощных электроприводов. Обычно пороговое значение на 10-15 % ниже номинальной скорости. Однако для асинхронного электродвигателя в составе ЭТС, графики изменения скольжения которого представлены на рис. 2, пороговое значение снижения скорости составляет не более 3 %. Синхронный двигатель после гашения поля может рассматриваться как асинхронный. Для двигателя постоянного тока, так как он не допускает прямого пуска, также имеется пороговое значение, определяемое его механической характеристикой. Обычно снижение угловой скорости на 5-10 % уже требует использования пусковых устройств.
Пороговое значение температуры определяется классом изоляции, и ее превышение крайне нежелательно для электрической машины. Для машин большой мощности производитель ограничивает количество пусков из горячего состояния подряд и за срок жизни машины. В зависимости от того, какое значение относительно порогового имеет каждый из перечисленных параметров (остаточная ЭДС, угловая скорость, температура), можно классифицировать пусковые режимы работы электропривода. Базовым принципом классификации должен служить факт сохранения связи двигателя с питающей сетью или потеря таковой
связи. Если в аварийном и послеава-рийном режиме связь с сетью не утрачивается, режим будет называться самозапуском. Такая терминология принята практически всеми ведущими специалистами в области электрических машин, электропривода и динамики электротехнических систем [2-6]. Какой-либо иной режим называть самозапуском неправомерно. Таким образом, самозапуск - это процесс восстановления нормального режима работы электропривода после провала напряжения без перерыва связи электродвигателя с источником питания, а при восстановлении питания - разгон до номинальной частоты
СДЕЛАНО в РОССИИ
*W fj
Температура азота на выходе до+150'С,
на рабочий режим до 30 мин.
давление
азота рабочее до 70 МПа-
ПрОИЭВОДШЬНОСТЬ ОТ 200 до 6 ООО ±ю% нм'/ч. Чистота
азота не менее 99%
Температура окружающей среды время работы
+7 (8112) 691 131 f +7 911 352 23 32 ф www.pskovteheaz.ru
ЭНЕРГЕТИКА
Классифицирующие признаки пусковых режимов Characteristic Properties of Startup Modes
Связь с сетью сохранена Connection with the Power Line is Kept Связь с сетью потеряна Connection with the Power Line is Lost
Из горячего состояния From the Hot State Из холодного состояния From the Cold State
Самозапуск Self-Start Повторный пуск Restart Подхват Pick-up Пуск Startup
вращения. Самозапуск начинается сразу после восстановления напряжения (в отличие от автоматического повторного пуска, команду на который дает автоматика, обычно после полной остановки двигателей). Обязательным условием самозапуска является не только
сохранение включенным его выключателя (связь с системой электроснабжения не нарушена), но и сохранение связи двигателя с трансформатором главной понизительной подстанции. В любых реальных условиях возможность самозапуска и его продолжительность зависят
как от параметров самого двигателя, так и от состояния всей электротехнической системы, в которой токи создают потери напряжения. Увеличение длительности перерыва питания ведет к более глубокому снижению напряжения после восстановления питания и увеличению продолжительности самозапуска. Графики изменения напряжений при успешном самозапуске (кривая 2) и неуспешном самозапуске (кривая 3) после провала напряжения для асинхронного двигателя мощностью 4 МВт приведены на рис. 3.
В настоящее время активно используются системы быстродействующего автоматического ввода резерва (БАВР), при которых связь с сетью теряется, но при этом время бестоковой паузы составляет до 20-30 мс (1-1,5 периода синусоиды), что практически не приводит к дрейфу частоты и начальной фазы. Режимы, возникающие в ЭТС при работе БАВР, также следует рассматривать как самозапуск приводов. В случае когда связь с сетью потеряна, возможны три пусковых режима: пуск, подхват и автоматический повторный пуск. Общее разделение по признакам приведено в таблице. Пуском называется режим, когда потеряна связь с сетью и двигатель начинает разгон из холодного состояния. Ключевое отличие повторного пуска от пуска заключается в том, что данный пусковой режим возникает в случае потери связи с сетью, но при этом двигатель находится в горячем состоянии. Подхватом называется частный случай повторного пуска, когда двигатель находится в горячем состоянии и его выбег еще не завершен. Для сокращения времени восстановления технологического режима в настоящее время часто используют повторный пуск, реализуемый автоматикой, без участия персонала.
ш, рад/с ш, rad/s
E , V
t, °C
Пуск Startup
ffl = O
E = O < E
д
E = O < E
Повторный пуск Restart
А
(В = O
E = O < E
д
E = O < E
Самозапуск Self-Start
Может быть любое значение,как правило, ш > 0 Any value, as a rule со > 0
Может быть любое значение, часто E > 0 Any value, often E > 0
Подхват Pick-up
А
(О = O
O < E < E
д
O < E < E
Рис. 4. Классификация начальных состояний электродвигателей в послеаварийных пусковых режимах
Fig. 4. Classification of Electric Drive Initial States in Post-Failure Startup Modes
E . В
ост
90
№ 5 май 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
ENERGY SECTOR
Такой повторный пуск называют автоматическим повторным пуском (АПП). Для начала каждого пускового режима оцениваются следующие состояния двигателя: электромагнитное, электромеханическое, тепловое. Как было сказано выше, электромагнитным
параметром является остаточная ЭДС (Еост), электромеханическим - угловая скорость (со), температурным - текущая температура (Ц. На рис. 4 наглядно представлены эти параметры. Единообразие терминологии позволяет сформировать четкую классифика-
цию, удобную для пользования. При анализе аварийных ситуаций общее разделение пусковых режимов по признакам, приведенное в таблице, позволит определить логику и взаимное понимание как минимум в рамках компании.
^шшиишшшш
Ш/Лшш_
ОАО «Тюменская ярмарка»
Адрес: Россия, 625013, г. Тюмень, ул. Севастопольская, 12, Выставочный зал телефакс: (3452) 48-55-56, 48-66-99, 48-53-33; e-mail: tyumfair@gmail.com. www.expo72.ru
2017
НЕФТЬ И ГАЗ
Топливно энерге
Литература:
1. Егоров А.В., Комков А.Н., Малиновская Г.Н. К вопросу о взаимном влиянии электроприводов в составе электротехнической системы // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 2. С. 106-112.
2. Корогодский В.И., Кужеков С.Л., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ. М.: Энергоатомиздат, 1987. С. 27.
3. Гуревич Ю.Е., Кабиков К.В. Особенности электроснабжения, ориентированного на бесперебойную работу промышленного потребителя. М.: Элекс-КМ, 2005. С. 85.
4. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей. М.: Энергоатомиздат, 1984. С. 151.
5. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978. С. 570.
6. Голоднов Ю.М. Самозапуск электродвигателей. М.: Энергоатомиздат, 1985. С. 5.
References:
1. Egorov A.V., Komkov A.N., Malinovskaya G.N. On the Issue of Interaction of Electric Drives as a Part of the Electrical System. Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2016, No. 2, P. 106-112. (In Russian)
2. Korogodskyi V.I., Kuzhekov S.L., Paperno L.B. Relay Protection of Electrical Drives with Voltage over 1 kV. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1987, P. 27. (In Russian)
3. Gurevich Yu.E., Kabikov K.V. Particularities of Electric Power Supply with the Focus on Troubleproof Operation of an Industrial Consumer. Moscow, Eleks-KM Publ., 2005, P. 85. (In Russian)
4. Syromyatnikov I.A. Operation Modes of Asynchronous and Synchronous Drives. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1984, P. 151. (In Russian)
5. Voldek A.I. Electrical Machines. Leningrad, Energiya Publ., 1978, P. 570. (In Russian)
6. Golodnov Yu.M. Self-Startup of Electrical Drives. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1985, P. 5. (In Russian)
XXIV специализированная выставка
