CC BY
55
УДК 62-83:621/.69
В.М. Берестов, канд. техн. наук, гл. конструктор, (383) 342-57-59,
berestov@erasib.ru (Россия, Новосибирск, ЗАО «Эрасиб»),
В.Ю. Волков, нач. службы сервиса, (383) 342-57-59,
volkov.v@erasib.ru (Россия, Новосибирск, ЗАО «Эрасиб»),
В.А. Клан, зам. гл. конструктора по спецтехнике, (383) 342-57-59,
klan.v@erasib.ru (Россия, Новосибирск, ЗАО «Эрасиб»),
М.Е. Коварский, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., гл. конструктор,
(495) 366-15-61, mkovarskiy@mail.ru (Россия, Москва, ФГУП «НПП ВНИИЭМ»),
В.В. Магин, нач. лаборатории, (495) 366-15-61,
vniiem@ vniiem.ru (Россия, Москва, ФГУП «НПП ВНИИЭМ»),
В.В. Панкратов, д-р техн. наук, проф., (383) 342-57-59,
pankratov у v@ngs.ru (Россия, Новосибирск, НГТУ),
Ю.Т. Портной, канд. техн. наук, доц., гл. науч. сотр., (495) 366-27-83,
vniiem@ vniiem.ru (Россия, Москва, ФГУП «НПП ВНИИЭМ»),
Л.Я. Раскин, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., ведущий науч. сотр.,
(495) 366-22-10, уniiem@ vniiem.ru (Россия, Москва, ФГУП «НПП ВНИИЭМ»)
РЕГУЛИРУЕМЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ГЕРМЕТИЧНЫХ КОРАБЕЛЬНЫХ НАСОСОВ НА БАЗЕ СИНХРОННЫХ МАШИН С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ДЛЯ РЕЗЕРВНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ОТ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Разработана высокотехнологичная система регулируемого электропривода с синхронным двигателем с постоянными магнитами для корабельных герметичных насосов, построенная на базе двухзвенного преобразователя частоты, содержащего дополнительный преобразователь напряжения постоянного тока для ввода резервного электропитания привода.
Ключевые слова: регулируемый электропривод, двухзвенный преобразователь частоты, преобразователь напряжения постоянного тока для ввода резервного электропитания привода.
Широкое применение в промышленности, энергетике, коммунальном хозяйстве и на транспорте в настоящее время приобрели частотно-регулируемые электроприводы переменного тока со статическими преобразователями частоты (ПЧ). Достигнутые в современных ПЧ на базе транзисторных инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией и цифровым управлением высокая надежность и гибкость в настройке позволяют успешно использовать их не только в типовых задачах электропривода, но и в системах специального назначения, в том числе - в электроприводах ответственных механизмов автономных объектов. Благодаря цифровому управлению также появляется возможность расширения функций статических преобразователей в направлении повышения технологичности электроприводов и надежности их функционирования. В частности,
для ряда автономных объектов это позволяет обеспечить повышенную надежность электропитания технологических насосов.
Представленный доклад посвящен системе регулируемого электропривода герметичного корабельного электронасоса на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами (СДПМ), которая построена на основе двухзвенного ПЧ с двухуровневым транзисторным инвертором напряжения, оснащенного подсистемой резервного электропитания со стабилизацией напряжения звена постоянного тока (ЗПТ) ПЧ посредством импульсного преобразователя постоянного тока.
Регулируемый электропривод разработан совместно ФГУП «НПП ВНИИЭМ» (решение системных вопросов, разработка и изготовление электродвигателя) и ЗАО «Эрасиб» (г. Новосибирск) (разработка и изготовление преобразователя).
По техническому заданию ФГУП «НПП ВНИИЭМ» ЗАО «Эрасиб» разработан ряд двухсистемных ПЧ для серии регулируемых электроприводов герметичных корабельных электронасосов с возможностью резервного питания от сети постоянного напряжения со следующими основными характеристиками :
основная питающая сеть - трехфазная, 380 В (+10...-15 %), 50 Гц; резервная питающая сеть - постоянного тока, 175...320 В; номинальная мощность - 20, 55 и 60 кВт; номинальная частота напряжения на выходе - 125 и 250 Гц. Упрощенная электрическая принципиальная схема силовой части двухсистемного преобразователя представлена на рис. 1.
Рис. 1. Упрощенная электрическая принципиальная схема силовой части преобразователя
С целью резервирования питающей сети в состав комплектного ПЧ, кроме традиционных узлов - неуправляемого выпрямителя и транзисторного инвертора, введен силовой импульсный преобразователь напряжения постоянного тока (ППТ или DC/DC - конвертор), схемное решение которого известно в области маломощных вторичных источников питания. Необходимость гальванической развязки питающих сетей переменного постоянного тока и жесткие требования к массогабаритным показателям ПЧ обусловили применение промежуточного звена повышенной частоты (20
186
кГц), с тем, чтобы изолирующий трансформатор имел приемлемые габариты и массу.
Основной частью силового преобразователя электропривода является классический ПЧ, выполненный по двухзвенной схеме с промежуточным звеном постоянного тока. Требуемое напряжение на двигателе формируется транзисторным автономным инвертором напряжения (АИН) посредством пофазной синусоидальной широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Для расширения линейного диапазона регулировочных характеристик АИН используется предмодуляция трехфазного симметричного задающего воздействия ШИМ сигналом третьей гармоники.
В подсистеме управления АИН реализованы следующие алгоритмы автоматического регулирования координат электрических машин переменного тока:
классическое скалярное частотное управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором и СДПМ;
бездатчиковое векторное управление частотой вращения асинхронного двигателя;
бездатчиковое векторное управление СДПМ.
Все перечисленные алгоритмы управления имеют возможность "подхвата" вращающегося на выбеге двигателя, а также автоматической самонастройки параметров. ПЧ обеспечивает широкий диапазон изменения выходной частоты, который ограничивается программно на уровне 800 Гц, что позволяет беспрепятственно работать с высокооборотными СДПМ.
Электроприводы корабельных герметичных насосов должны удовлетворять жестким требованиям по уровням акустического шума и вибраций, с чем связан ряд принятых разработчиками технических и алгоритмических решений. Кроме особенностей конструкции двигателей, направленных на снижение уровней шума и вибраций (см. ниже), установлены повышенные частоты коммутации транзисторов ПЧ, а также предусмотрена возможность исключения в процессе работы электропривода отдельных резонансных частот вращения из общего диапазона регулирования скорости. Для снижения уровня высокочастотных шумов в АИН реализован алгоритм "мягкой" ШИМ.
Рабочее напряжение ЗПТ ПЧ создается двумя подсистемами. Первая и основная подсистема - это неуправляемый мостовой выпрямитель, питающийся от трехфазной сети переменного тока. Следует отметить наличие дросселя, который может быть установлен как в самом ЗПТ (показано на схеме), так и на входе трехфазной сети в ПЧ. Этот дроссель существенно увеличивает коэффициент мощности, улучшает форму потребляемого трехфазного тока и продлевает срок службы конденсаторов ЗПТ ПЧ.
Вторая подсистема формирования напряжения ЗПТ - преобразователь постоянного тока. Это гораздо более высокотехнологичное устройст-
во, предназначенное для регулируемого преобразования одного постоянного напряжения в другое. ППТ является резервной системой питания ЗПТ ПЧ.
АИН одновременно подключен к обоим источникам питания.
ППТ, схема которого изображена на рис. 2, выполняет функцию стабилизации напряжения ЗПТ ПЧ при исчезновении или значительной просадке сети переменного тока. Первичная сторона ППТ получает питание от источника постоянного напряжения, например, от аккумуляторных батарей, вторичная сторона ППТ подключается непосредственно на вход АИН ПЧ (к ЗПТ ПЧ).
Рис. 2. Электрическая схема силовой части ППТ
На первичной и вторичной сторонах ППТ установлены транзисторно-диодные H-мосты, коммутирующие напряжения постоянного тока каждого моста в обмотки специального трансформатора. Такая компоновка в англоязычной литературе носит название "Dual Active Bridge". Алгоритм коммутации транзисторов позволяет осуществлять двунаправленный переток электрической энергии из сети постоянного тока в ЗПТ ПЧ и обратно и тем самым стабилизировать напряжение ЗПТ ПЧ как двигательном, так и в генераторном режимах работы электропривода.
Для ПЧ и ППТ разработаны цифровые системы управления на базе процессоров цифровой обработки сигналов Freescale DSP.
Помимо основной системы управления, ПЧ и ППТ оснащены цифровыми контроллерами диагностики, где осуществляется постоянный контроль напряжений вторичных источников питания, а также предварительный, перед каждым включением, контроль аппаратных защит электроустановки. Кроме того, системы управления ПЧ и ППТ связаны с технологическим контроллером верхнего уровня по последовательному цифровому каналу связи.
В ФГУП НПП «ВНИИЭМ» разработана серия герметичных электродвигателей (ЭД) для приводов бессальниковых электронасосов. Основные характеристики электродвигателей приведены в таблице.
ЭД выполнены на базе синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов, который имеет наилучшие массогабаритные и энер-
гетические показатели по сравнению с другими типами электрических машин. Общий вид электронасоса с герметичным ЭД представлен на рис. 3.
Основные характеристики двигателей
Обозначение ЭД СГ20- ' 1500 ДСГ22 -1500 ДСГ4 0-3000 ДСГ5 5-3000 ДСГ5 5-1500 ДСГ60 -3000 ДСГ60 -1500 ДСГ24 0-700
Мощность на валу двигателя, кВт 20 22 40 55 55 60 60 240
Частота вращения (синхронная), об/мин 1500 1500 3000 3000 1500 3000 1500 700
КПД, % 85,5 87,6 84 82,8 87,6 83,5 87,7 86,8
Коэффициент мощности 0,97 0,97 0,92 0,96 0,94 0,94 0,95 0,98
Сеть Основная: ~ 380В, 50Гц, резервная: = 175-320 В
Число фаз 3
Охлаждающая среда Конденсат Морская вода Дистиллят Конденсат Масло Конденсат Морская вода
Материал защитных гильз Не-ржавеЮщая Сталь Титановый сплав Нержавеющая сталь Титановый сплав
В качестве оболочки, отделяющей статор и обмотку статора от внутренней полости двигателя, заполненной рабочей жидкостью, применяется гильза из немагнитного материала с большим удельным электрическим сопротивлением. В зависимости от степени агрессивности перекачиваемой жидкости защитные гильзы выполняются из нержавеющей стали или титанового сплава, при этом толщина защитных гильз не превышает 0,8 мм. Для опоры гильзы используются пакет статора и специальная арматура статора, к которым гильза приваривается герметичным швом.
Ротор представляет собой титановый цилиндр или цилиндр, выполненный из нержавеющей стали, на который установлено магнитопроводя-щее ярмо ротора, с фрезерованными основаниями для установки магнитов. Для защиты магнитов от воздействия рабочей жидкости, заполняющей внутреннюю полость ЭД, поверхность ротора изолируется немагнитной гильзой. Гильза вместе с торцевыми шайбами пакета ротора образуют герметичную оболочку ротора.
Корпус ЭД рассчитан на полное рабочее давление системы и образует второй герметичный защитный пояс, дополнительно обеспечивающий защиту помещений от загрязнения токсичными продуктами при прорыве гильзы статора. Клеммная панель является частью корпуса и также выдерживает полное рабочее давление системы.
Охлаждение ЭД осуществляется за счет перекачиваемой рабочей жидкости. Перекачка производиться при помощи рабочего колеса насоса. Основные потери в ЭД выделяются в защитной гильзе статора. Потери в спинке и обмотке статора имеют меньшие значения. Это позволило исключить необходимость создания внешнего контура охлаждения корпуса двигателя.
В конструкции применены керамические подшипники скольжения, что позволяет в качестве их смазки использовать рабочую жидкость насоса. Корпус подшипникового узла жестко закреплен через направляющие лопатки с основным корпусом насоса. Посадочные гнезда под подшипник обрабатываются с высокими требованиями по точности базирования, что минимизирует эксцентриситет ротора относительно статора.
Рабочее положение двигателя - горизонтальное. Конструкция полностью симметрична, что позволяет уйти от многочисленных модуляций источников возбуждения виброактивности насоса и, как следствие, к их локализации. ЭД имеют низкие уровни шумов и вибраций и тем самым позволяют создавать агрегаты, удовлетворяющие самым последним требованиям по виброакустическим характеристикам.
Кроме этого, ЭД имеют простую конструкцию, что делает их исключительно надежными, долговечными, приспособленными к работе в агрессивных и взрывоопасных средах, а также при повышенной температуре окружающей среды.
Следует отметить, что в настоящее время выполнен весь необходимый объем работ по разработке представленной электроустановки. Изготовленный опытный образец прошел все необходимые испытания и доказал свою работоспособность. Запущен цикл производства данного электрооборудования в широком диапазоне мощностей.
Проведенные работы позволят внедрить новые современные технологии в мощных паротурбинных установках, что существенно повысит их технико-экономические характеристики.
V. Berestov, V. Volkov, V. Clan, M. Kovarsky, V. Magin, V. Pankratov, Yu. Portnoy, L. Ruskin
Controlled electric drives for shipboard leakproofpumps BASED on synchronous machines with converter for standby power supply
The high-technological system of controlled velocity electric drive with synchronous motor equipped with permanent magnets for shipboard leakproof pumps created on base of double-link frequency converter containing additional direct current converter for standby power supply input is developed.
Keywords: regulated electric, double-link frequency converter, current converter for standby power supply.
Получено 06.07.10
УДК 62-83:621/.69
В.В. Сафошин, д-р электротехники, чл.-корр. АЭН РФ, ген. директор, (47148) 2-48-68, rudavt@046.ru,
А.Я. Микитченко, д-р техн. наук, проф., акад. АЭН РФ, дир. по научной
работе, (47148) 2-25-16, MikitchenkoAY@mail.ru,
А.Н. Шоленков, инж., (47148) 2-25-16, rudavt@fecity.ru,
А.Н. Шевченко, канд.техн. наук, ст. науч. сотр.,
(47148) 2-25-16, schev@list.ru,
Д.Р. Шевченко, инженер, (47148) 2-25-16,
rudavt@fecity.ru (Россия, Железногорск, ОАО «Рудоавтоматика»)
УЛУЧШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И НАДЁЖНОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТИРИСТОРНЫХ ЭКСКАВАТОРНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
Показаны питии и способы улучшения энергетических и надежностных показателей тиристорных экскаваторных электроприводов.
Ключевые слова: тиристорный электропривод, фильтрокомпенсирующие устройства, надежность.
В настоящее время в ОАО «Рудоавтоматика» ведутся разработки тиристорных электроприводов постоянного тока на серию электрических
