CC BY
37
7. Автоматические выключатели типа COMPACT NS. Технические условия [Текст].— 1996.
8. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнит-
ная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Текст].— М.: Международный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1997,— 35 с.
УДК 621.398
И.Г.Плотников, Д.А.Устинов
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ПУСКА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА С СИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
К одной из наиболее энергоемких составляющих технологического процесса добычи нефти относится система поддержания пластового давления. Она представляет собой целый 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 насосных агрегатов — одна из важнейших задач в электротехнических системах предприятий нефтяной промышленности.
Наиболее энергоемкими элементами таких систем являются центробежные насосы с приводом от синхронного электродвигателя (СД) мощностью до 6 МВт. При пуске высоковольтных синхронных двигателей кустовых насосных станций (КНС) остаточное напряжение на шинах 6 кВ составляет 70 % и менее, что недопустимо. Кроме того, становится невозможным массовый самозапуск электродвигателей после восстановления напряжения на источниках питания. Поэтому весьма актуальна разработка системы плавного пуска высоковольтных двигателей, при котором обеспечивается электромагнитная совместимость оборудования в соответствии с ГОСТ 13109-97 и СН 174-75[1,2].
В зависимости от условий эксплуатации насосов могут быть сформулированы различные ограничения как со стороны рабочего механизма, так и со стороны системы электроснабжения, приводного двигателя и насосной установки. В числе этих ограничений следующие:
потеря напряжения в системе электроснабжения не должна превышать допустимой по условию устойчивости технологического процесса;
ускорение в процессе разгона механизма не должно превышать значения, допустимого как для механизма, так и для самого двигателя;
нагрев обмоток двигателя в процессе пуска не должен превышать допустимой величины;
стоимость пускового оборудования должна быть минимально возможной.
Существуют различные способы пуска СД насосной установки: асинхронный пуск СД; пуск с помощью разгонного устройства (генного двигателя); пуск при пониженном напряжении (автотрансформаторный, реакторный пуск илитиристорный пуск); частотный пуск. Во всех практических случаях процесс пуска СД можно разбить условно на два этапа. На первом этапе разгон происходит до подсинхронной частоты вращения (до скольжения 5, равного 0,05 и менее) в основном под действием асинхронного момента. Второй этап представляет собой процесс вхождения в синхронизм.
Обычно наибольший интерес при анализе первого этапа процесса пуска представляют следующие величины: начальный толчок тока статора (в момент подключения двигателя к сети); длительность режима пуска; изменение токов статора и ротора в процессе разгона (для определения нагрева обмоток).
Данные величины необходимо учитывать при оценке прямого пуска (при наличии или отсутствии дополнительных сопротивлений, установок продольной емкостной компенсации в цепи статора), а также при выборе схемы и алгоритма включения обмотки возбуждения. Для известного типа двигателя воздействие на его асинхронную моментную характеристику может быть осуществлено изменением величины пускового
сопротивления, а также емкости конденсаторных установок.
Выбор способа пуска может быть осуществлен на основе сопоставительного анализа параметров электромеханического комплекса (насос, приводной двигатель, система электроснабжения) в системе указанных выше ограничений.
Для определения рационального способа пуска СД создана математической модель электромеханического комплекса, реализующая различные способы пуска (прямой, регулирование входного напряжения, частотный), а также учитывающая влияние аварийных режимов в системе электроснабжения на работу СД. Блок-схема данной модели показана на рис. 1. Модель включает в себя блоки, реализующие работу:
системы электроснабжения (1); частотного регулирования (2); системы возбуждения СД (3); самого СД (4) (5= 1850 кВА, 1Н = 178 А, ии = = 6 кВ, п = 3000 мин"1, совф = 0,9, КПД = 96,9, 1Ъ = 277 А, иъ = 54 В, х'а = 12,85 %, х'а = 22 %, ха= 165 %,х2= 15,7 %,х0 = 4,71 %, т'м =3,05 с, т^ = 0,371 с, т^ = 0,0454 с, та = 0,0588 с), а также трехуровневый инвертор на Ю ВТ транзисторах (5), блок измерений (6), осциллограф (7).
Оценка полученных на данной модели характеристик (рис. 2), показала, что при частотном пуске, а также пуске при пониженном питающем напряжении имеется возможность ограничить величины пускового тока в пределах 1,5-3 /ном.
гмт<т)
«К»
pulsee
|з_аЬс
ItiíU
fc
>\í
5
pulsas
[*Б>7
¡=0
□
ls_übc it-_fld lid
\
□
ih
□
Рис. 1. Математическая модель электромеханического комплекса с СД
Рис. 2. Осциллограммы пускового тока, скорости вращения
/,л ■ 400' 300-20СЧ 100
4,175
5,35 12,525
/,Л -
4003002001000
Уп
и
/,Л 1125750375-
#
1 1
3,91 7,82 11,73
2,22
1,44 6,66 ,,с
Рис. 3. Осциллограммы пусковых токов СД в условиях Русскинского месторождения
Осциллограммы пуска СД притиристорном регулировании входного напряжения, полученные в условиях Русскинского месторождения ОАО «Сургутнефтегаз», показаны на рис. 3.
Анализ характеристик тока статора показал, что время разгона СД зависит от функции изменения пускового тока. Чем больше площадь, ограниченная кривой пускового тока и осью времени, тем быстрее разгон СД до номинальной скорости. Эта площадь пропорциональна потерям электрической энергии в роторе за время пуска. Потери энергии в роторе можно уменьшить за счет асинхронного частотного пуска, который осуществляется при плавном увеличении частоты по мере разгона агрегата. Потери при частотном пуске вхолостую могут быть найдены следующим образом:
\¥= \5Ра(Н=
(1)
Заменяя Мш ^(/а/Ли принимая скольжение 5 за время пуска неизменным (5 = 5|) (такое допущение вполне приемлемо, учитывая, что пуск происходит на устойчивой части асинхронного момента), получаем
ш<) ш<) XV = |/5|ШС/ю = /5| |юс/ю =
/«05,
(2)
Таким образом, потери энергии в двигателе при частотном пуске будут значительно меньше потерь при пуске с постоянной частотой питающего напряжения.
При выборе способа пуска особое внимание необходимо уделять влиянию обмотки возбуждения на входной момент СД. В [3] описан спо-
соб, при котором обеспечивается увеличение входного момента и повышение динамической устойчивости СД путем управления знакопеременным напряжением возбуждения. Максимальный момент электромеханического комплекса с СД в области малых скольжений может быть достигнут путем управления выходным напряжением преобразователя с двухсторонней проводимостью (ПДП), при котором обеспечивается режим, эквивалентный введению в цепь обмотки возбуждения регулируемого активно-емкостного сопротивления.
На рис. 4 показан алгоритм управления выходным напряжением ПДП при пуске и самозапуске электромеханического комплекса с СД и системой возбуждения, содержащей ПДП; он обеспечивает максимальное повышение входного момента СД.
Алгоритм включает:
ввод параметров сети и СД: , — напряжение и ток сети; ¿7^-, напряжение и ток обмотки возбуждения; 5 — скольжение СД; 9 — угол нагрузки; фу— угол сдвига фаз между и^ и Если скольжение двигателя 5 больше заданного значения скольжения л,, при достижении которого производится подачу возбуждения, разгон двигателя осуществляется с помощью пускового устройства. В качестве пускового устройства могут быть использованы, например, реактор, автотрансформатор, иные ограничители пускового тока и т. д. При этом ПДП работает в инверторном режиме для обеих полуволн наведенного тока;
при достижении скольжением заданного значения 51 осуществляют регулирование полярности выходного напряжения ПДП в функции угла нагрузки и переходной постоянной времени СД ту,
при достижении синхронной скорости переводят ПДП в выпрямительный режим, поляр-
Рис. 4. Алгоритм управления выходным напряжением ПДП при пуске и самозапуске электромеханического комплекса с СД и системой возбуждения, содержащей ПДП
0,02' 0,01 о -0,01 -0,02 ■
23 и с
Рис. 5. Осциллограммы изменения тока возбуждения и выходного напряжения ПДП Уг
ность напряжения возбуждения соответствует полярности при последнем переключении ПДП; отключают пусковое устройство.
В процессе пуска электромеханического комплекса с СД производится непрерывный контроль за изменением параметров сети и двигателя.
Осциллограммы изменения тока в режиме обеспечения максимального повышения входного момента СД показаны на рис. 5. Здесь обозначения И и В соответствуют интервалам времени работы ПДП соответственно в режиме инвертора и выпрямителя. При анализе полученных осциллограмм видно, что с уменьшением скольжения увеличивается продолжительность работы ПДП в режиме выпрямителя, а также уменьшается ф^
Очевидно, что использование частотного способа пуска совместно с преобразователем
с двухсторонней проводимостью в цепи обмотки возбуждения при вентиляторной нагрузке на валу дает возможность осуществления частотного разгона до величины скольжения 0,15—0,1. После этого согласно алгоритму (рис. 4) продолжают асинхронный разгон СД до подсинхрон-ной скорости при работе ПДП в инверторном режиме. Управление выходным напряжением ПДП в инверторном режиме эквивалентно введению в цепь обмотки возбуждения активного сопротивления. Разгон до скольжения 0,15—0,1 при вентиляторной нагрузке на валу дает возможность применять преобразователь частоты меньшей мощности.
Таким образом, полученные характеристики позволяют произвести выбор рационального способа пуска с учетом технологических особенностей нефтегазодобывающих предприятий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Текст] / Госстандарт,— М.: Изд-во стандартов, 1997.
2. СН 174-75. Инструкция по проектированию электроснабжения промышленных предприятий [Текст].— М.: Изд-во стандартов, 1975.
3. Патент РФ на изобретение № 2242080. Способ управления возбуждением синхронной машины.
2002 г. / Абрамович Б.Н., Круглый А.А., Медведев В. А., Устинов Д.А,— Приоритет изобретения 28 ноября.
4. Овчинников, И.Е. Способ импульсного пуска синхронных машин [Текст] / И.Е. Овчинников, Г.Н. Тер-Газарян, Ж.Д. Давидян, В.Н.Рябов // Электротехника,— М., 1987,— N° 3,— С. 33-36.
5. Сыромятников, И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей [Текст] / И.А, Сыромятников. — М. : Энергоатомиздат, 1984. — 240 с.
УДК621.31 1:621.31 5
М.Г. Попов
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ЧИСЛЕННОГО РАСЧЕТА РАССТОЯНИЯ ДО МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Значительная доля аварийных режимов объединенных электроэнергетических систем обусловлена электрическими (перекрытие изоляции, перенапряжения и др.) или механическими повреждениями высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП). В зависимости от места и продолжительности устранения аварийных повреждений воздушных ЛЭП (ВЛ) техно-
логические и экономические последствия могут иметь как локальный, так и общесистемный характер [1,2]. При этом на оперативность выявления и ликвидации аварийных режимов электрической сети, а как следствие этого, на величину ожидаемого ущерба от перерывов электроснабжения электроприемников влияют следующие факторы:
