Електрозадвижвания средно напрежение – част 1

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2014

Електрозадвижвания средно напрежение – част 1Електрозадвижвания средно напрежение – част 1Електрозадвижвания средно напрежение – част 1Електрозадвижвания средно напрежение – част 1Електрозадвижвания средно напрежение – част 1Електрозадвижвания средно напрежение – част 1Електрозадвижвания средно напрежение – част 1

Част 1. Предимства и недостатъци на различните решения за основните елементи на съвременните системи за задвижвания СН.

Принципни разлики в елементите на системите за електрозадвижване средно и ниско напрежение (НН) няма, но по-нататък в текста ще бъде обърнато внимание на характерните особености на задвижванията СН.

Разликите в принципа на действие и структурата на оборудването за различни нива на напрежение намаляват все повече с увеличаването на мощността и спадането на цените на полупроводниковата техника. Така решения, които в близкото минало бяха целесъобразни и въобще възможни само за ниво ниско напрежение, вече са достъпни и за задвижванията СН.

Няма стандартни процедури, които да дефинират еднозначно оптималната конфигурация на едно електрозадвижване и неговите параметри. Изборът както на нивото на напрежението, така и на типа двигател и метода на пускане е итерационен процес, при който би следвало да се изследват различни варианти.

Това важи както при проектиране на ново производство, така и при обновяване или модернизация на съществуващо. В последния случай например може да се окаже целесъобразно било избор на нов метод на пускане и регулиране на скоростта, било подмяна на съществуващия двигател, било и двете, включително с промяна на нивото на напрежение.

Избор на ниво на напрежение
Стандартните нива на напрежение, използвани в електрозадвижването в Европа, са: 400 V (НН), 690 V (НН), 3,3 kV (СН), 6.6 kV (СН). Същевременно все още са в експлоатация и задвижвания с напрежения по стария стандарт: 380 V (НН), 660 V (НН), 6 kV (СН), 10 kV (СН).

Най-общо казано, задвижване на ниво СН се използва при големи мощности на задвижваните товари, но диапазонът от мощности, в който са налични технически средства за реализиране на задвижване както на ниско, така и на средно напрежение, е голям и обхваща голям брой консуматори в различни производства – вж. фиг. 1.

Както при всяко електрооборудване, основният фактор за увеличаване на номиналното напрежение с нарастване на мощността е сечението между цената на метала - мед и желязо, и тази на изолацията. В цената влизат както първоначалните инвестиции, така и експлоатационните разходи.

В случая с електрозадвижването този фактор влияе на:
• цената на електродвигателя;
• цената на пусковото, комутационното и защитно оборудване;
• цената на захранващите кабели;
• загубите на енергия в захранващите кабели и съоръженията по време на експлоатация.

Последните два елемента зависят от конкретния случай – колкото е по-голямо разстоянието между двигателя и захранването, толкова по-изгоден става изборът на средно напрежение.
При избора на ниво на напрежение на електрозадвижване обаче следва да се преценят и още някои фактори:

• Наличие на съществуваща уредба средно напрежение на обекта; ако няма такава, то изграждането й би било също сериозна инвестиция, като също така е необходимо да се предвидят и ресурси за поддръжката и експлоатацията й.
• Разполагаемото пространство на мястото за монтаж на двигателя и разполагаемото пространство за монтаж на разпределителните уредби и пусковата апаратура.
• Необходимата мощност на вентилацията за отвеждане на отделената в елементите на електрозадвижването топлина.

Критерии за избор на конфигурацията и елементите на електрозадвижването
Основните фактори, които се отчитат при избора на конфигурацията на електрозадвижването, са:
• Съгласуване на двигателя и метода на пускане с механичните характеристики на товара и работния му цикъл.
• Технологична необходимост или икономическа изгода от регулиране на скоростта.
• Съгласуване на задвижването с мощността на захранващата система и с останалото комутационно и защитно оборудване.
• Сравнение по икономически показатели и експлоатационни съображения на различните технически решения, удовлетворяващи горните технически критерии.

Съгласуване на механичните характеристики
На фиг. 2 са демонстрирани добре известните типични характеристики на асинхронен двигател с кафезен ротор, който е най-често срещаният тип двигател. Характеристиките на другите видове двигатели имат различен вид, но следващите общи съображения за съгласуването на двигателя с товара могат да се разпрострат и върху тях.

Характерните точки на зависимостта на двигателния момент от скоростта на въртене са:
• Началният въртящ момент М0 при нулева скорост; Този момент се характеризира и с максималната стойност на пусковия ток на двигателя, наричан още ток на неподвижен ротор и ток на късо съединение.
• Максималният момент Мm.
• Номиналният момент МN при номинални обороти nN.
• При синхронни обороти nS въртящият момент и токът са равни на нула.

На фигурата е изобразена и примерна крива на съпротивителния момент на товар. Тази крива съответства на товар с приблизително квадратична зависимост, каквито са например центробежните помпи и вентилаторите.

На фигура 3 са изобразени характерни типове товари, срещащи се често в диапазона на мощности на задвижвания СН:
• крива a - споменатата вече квадратична характеристика – центробежни помпи, вентилатори;
• крива b - линейна характеристика – валци;
• крива c - константен момент – повдигателни съоръжения, конвейери.

Съгласуване по пусков въртящ момент М0. Той трябва да бъде по-голям от началния съпротивителен момент на товара. Тук значение имат инерционният момент на товара и силите на триене в неподвижно състояние.

Голям начален съпротивителен момент имат например мелници и бъркалки заради силите на триене в неподвижно състояние на материала в тях. Началният съпротивителен момент на товара е също и ограничение при избора на пусковите методи, основаващи се на намаляването на пусковия ток за сметка на намален пусков момент.

Съгласуване по двигателен момент по време на развъртане. Той представлява разликата между въртящия и съпротивителния момент по време на развъртането и трябва да бъде винаги положителен, т.е. лявата част от кривата на момента на двигателя – до Mm, да бъде над кривата на товара.

Времето за развъртане зависи правопропорционално от инерционния момент на товара, включително ротора на самия двигател и обратнопропорционално на двигателния момент. Токът на двигателя спада в процеса на развъртане, но остава по-голям от номиналния.

Ако двигателят не може да осигури достатъчно голям двигателен момент и времето за развъртане стане прекалено голямо, то може да се стигне до прегряване на двигателя заради претоварването по ток.

Допустимото време за развъртане се определя от заводската характеристика на двигателя – изобразената на фиг. 4 крива на развъртането трябва да остава под ограничителната крива на термична устойчивост на двигателя.

Отчитане на работния цикъл на двигателя. Дадената крива важи за студен пуск на двигателя. При повторно-кратковременен режим термичната крива на устойчивост е разположена по-ниско. Задачата за определяне на установената температура на двигател в периодични режими или допустимия брой включвания в час е сложна.

Тук значение имат механичната характеристика на товара, температурата на околната среда, начинът на спиране и т. н. Начинът на спиране има значение доколкото при електродинамично спиране в ротора се отделя топлина по същия начин, както и при пускане.

Голямо значение има типът двигател – при асинхронните двигатели с кафезен ротор топлината се отделя изцяло в самата машина, докато при машините с навит ротор – предимно във външната част от роторната верига. Добре е да има данни от производителя на електродвигателя, указващи типа цикъл, за който той е предназначен и съответния максимален брой пускания на час.

Стандартът IEC-60034-1 дефинира 9 типа работни цикли – от S1 до S9. По подобен начин следва да се отчитат и допустимата честота на включване, и експлоатационният ресурс на комутационното оборудване.

Съгласуване на работната точка на двигателя. Състои се в това работната точка на двигателя, т.е. точката на пресичане на характеристиките на момента на двигателя и на товара, да се намира в близост или малко под точката (МN - nN). По този начин са гарантирани:

• Работата на двигателя с хлъзгане, близо до номиналното, съответно с високи к.п.д и с ток, не по-висок от номиналния; работна точка при значително по-малко хлъзгане от номиналното пък е показател, че двигателят е преоразмерен.
• Динамичната стабилност на двигателя при колебания на съпротивителния момент или на честотата и напрежението в мрежата.
• Охлаждането на двигателя; от една страна, загубите, отделяни във вид на топлина, са в рамките на проектните, от друга - скоростта на въртене на охлаждащия пропелер, монтиран на вала на всеки стандартен асинхронен двигател, е достатъчна да се осигури проектният дебит на въздуха.

Отчитане на механичните удари при пускане и на пулсациите на товара. Всяка рязка промяна на момента, било от страна на двигателя, било от страна на товара, води до механични напрежения и умора на материала във валовете. Също така при помпите резките промени на въртящия момент могат да доведат до хидравлични удари в системата.

Така че това е един от факторите, наред с термичното претоварване и увеличените загуби на енергия, при чести включвания да се предпочитат методи с плавен пуск, каквито са пускането със софтстартер или честотен регулатор.

Последният дава още допълнителни предимства - може да покрива промени в съпротивителния товар по време на работа, а така също позволява бързо преминаване през евентуални резонансни честоти при пуск и избягване на работата при тези честоти.

Необходимост от регулиране на скоростта на двигателя в работен режим
Необходимостта от такова регулиране би могла да определи и избора на тип двигател и стартов метод, доколкото едно и също оборудване би могло да изпълнява както функциите на пусково устройство, така и на регулатор на обороти.

Необходимостта от регулиране на оборотите е очевидна тогава, когато самият технологичен процес го изисква. Но има и други случаи, когато такова регулиране е целесъобразно. Например при циркулационни центробежни помпи в системи с малък статичен напор, намаляване на оборотите, респективно дебита с 20%, води до намаляване на консумацията с до 50%.

Колкото по-голям е статичният напор в системата, толкова по-малка е икономията, но все пак я има. Следователно, там където технологичният процес позволява известно намаляване на производителността с използването на честотно регулиране, могат да се реализират много големи икономии на енергия.

Допълнителни икономии, включително от увеличаване експлоатационния срок на съоръженията, идват и от промяната в цикъла на работа – по-рядко включване и изключване при по-нисък дебит.

Допустимо кратковременно понижаване на напрежението в мрежата по време на пуска
То се изчислява като пад на напрежение на шините на уредбата, която ни интересува. (Да не се бърка с пада на напрежение на изводите на двигателя, който се изчислява при избора на захранващия му кабел).

Вземат се предвид импедансът на късо съединение на шините на уредбата и стартовият ток на двигателя при избрания пусков метод. Пусковият ток може да се счита чисто реактивен. Взема се предвид и падът на напрежение в останалите товари, присъединени към шините.

Ясно е, че колкото по-мощна е захранващата система (по-малък импеданс на късо съединение), толкова по-малко ще е влиянието на двигателя върху нея. Съответно, системата може да издържи по-голям пусков ток и следователно може да бъде избран по-прост пусков метод и няма необходимост да се прибягва до намаляване на пусковия момент с цел намаляване на пусковия ток.

Допустимите граници на краткотрайния пад на напрежение не винаги са регламентирани твърдо и следва да се вземат предвид различни условия:
• Допустимо кратковременно понижаване на напрежението (фликер) на входа на уредбата, регламентирано от договора с доставчика на електроенергия. Вероятността това да е основният фактор за оценка на понижаването е много голяма при задвижвания средно напрежение, които най-често са присъединени електрически близо до входа на уредбата.

• Въздействие върху други двигатели, присъединени към същата уредба. Работата с понижено напрежение води до претоварване по ток, което при достатъчно чести включвания може да доведе до прегряване; намаляване на к.п.д; намаляване на оборотите на задвижваните механизми; при особено тежки случаи може дори да доведе до такова намаляване на момента на двигателя, че да се стигне до излизане от участъка на устойчива работа от механичната характеристика.

• Влиянието на фликера върху осветителните уредби. Внезапното понижаване на захранващото напрежение с 3% вече се забелязва като примигване на осветлението, а при 6% има неприятен ефект и може да доведе до неправилни действия на операторите.

• Някои чувствителни релета и друга контролна апаратура могат да заработят неправилно при понижаване на напрежението.

Съгласуване по ток с висшестоящи защити
Може да се окаже, че настройките на висшестоящи защити в електрическата уредба са също такова ограничение на големината на пусковия ток, както и понижаването на напрежението.

Видове двигатели, използвани в задвижванията средно напрежение

Асинхронни двигатели с кафезен ротор
Това е най-използваният тип двигатели. Те са най-евтини, имат най-проста и надеждна конструкция и лесно обслужване. Отсъствието на колектори и четки елиминира в много голяма степен условията за искрене и ги прави подходящи също и за пожароопасни и взривоопасни среди.

Съществен недостатък на всички видове асинхронни двигатели е неблагоприятният фактор на мощността. Съответно, приложението им при задвижване с голяма мощност, каквито са задвижванията средно напрежение, неминуемо е съпроводено и с необходимостта от компенсиращи устройства.

Типичната зависимост момент-скорост (механичната характеристика) на асинхронните двигатели с кафезен ротор е показана на фигура 2. Формата на характеристиката прави двигателите с кафезен ротор особено подходящи за задвижване на вентилатори и центробежни помпи, чиято квадратична зависимост на съпротивителния момент от скоростта се съгласува естествено с механичната характеристика на двигателите.

Формата на механичната характеристика варира в зависимост от конструкцията на ротора. Двигателите с двойнокафезен ротор и тези с дълбококанален ротор имат по-висок пусков момент, което ги прави по-подходящи за товари с относително по-голям начален съпротивителен момент и относително по-голяма маса.

В случай че началният съпротивителен момент на товара е значителен, или пък, че масата му е толкова голяма, че времето за развъртане е недопустимо голямо, изходът е или да се използва по-мощен двигател с кафезен ротор, което е преоразмеряване, или да се използва друг вид двигател.

Зависимост на двигателния момент и тока на асинхронен двигател от захранващото напрежение. Зависимостта на момента от захранващото напрежение е показана на фиг. 5. Тя е приблизително квадратична за целия диапазон от нулеви до синхронни обороти. Пусковият ток е пропорционален на захранващото напрежение.

Затова при пусковите методи, използващи пуск с понижено напрежение, се постига намаляване на пусковия ток, но също така и още по-голямо намаляване на пусковия момент. Тези методи следователно са приложими за товари с нисък начален съпротивителен момент.
Зависимост на двигателния момент и тока на асинхронен двигател от честотата на захранващото напрежение.

Магнитният поток на асинхронния двигател, респективно токът, протичащ през статорната намотка, е пропорционален на съотношението напрежение/честота (U/f). Въртящият момент е пропорционален на (U/f)2. На тези зависимости е основана работата на честотните регулатори, които дават възможност за:

• Регулиране на оборотите при поддържане на постоянен ток и постоянен момент чрез поддържане на U/f = const до номинални обороти; възможност за работа при обороти, по-високи от синхронните, с намален въртящ момент.
• Съгласуване с различни видове товари чрез осигуряване на необходимия стартов момент при зададено ограничение по големина и време на пусковия ток.

Асинхронни двигатели с навит ротор
При тези двигатели роторната намотка е изведена на колекторни пръстени. Това дава възможност за включване на допълнителни активни съпротивления към нея.
Фигура 6 показва зависимостта на двигателния момент от активното съпротивление в роторната верига.

Вижда се, че активното съпротивление влияе силно на пусковия момент, в правопропорционална зависимост. По същия начин – правопропорционално на съпротивлението се повлиява и хлъзгането в работния участък от характеристиката (от nM до nS).

Токът е приблизително обратнопропорционален на активното съпротивление в роторната верига. Така чрез използване на асинхронни двигатели с навит ротор могат да се решат едновременно и двете задачи – намаляване на пусковия ток и увеличаване на пусковия момент.

На графиката е показан и квадрантът с отрицателни стойности на оборотите, в който математически се изобразява режимът на динамично спиране на двигателя, когато моментът, създаден от него, е противоположен на момента на товара.

Вижда се, че добавянето на съпротивления във веригата на ротора също така позволява много ефективно динамично спиране. Асинхронните двигатели с навит ротор са идеални за задвижване на товари с голям пусков момент и голяма маса при използване на добавъчни съпротивления по време на пускане.

Зависимостта на хлъзгането от съпротивлението във веригата на ротора дава също така възможност за регулиране на оборотите по време на работа на задвижването, но както ще бъде разгледано по-нататък, този метод за регулиране има много недостатъци.

Синхронни двигатели
Предимствата на синхронните двигатели са:

• Абсолютно твърдата характеристика – т.е. скоростта на въртене не зависи от големината на спирачния момент на товара; това в някои случаи, когато се изисква точно поддържане на скоростта, специално при използване на синхронни двигатели с честотни регулатори, е решаващ фактор за избора на задвижване със синхронен двигател.

• Възможността за пълно компенсиране на реактивната мощност и дори генериране на реактивна мощност за компенсиране на други товари и/или за регулиране на напрежението в захранващата мрежа.

• Имат по-висок к.п.д. от асинхронните двигатели.

Основна особеност на синхронните двигатели е възбудителната система, която подава постоянен ток в роторните намотки. Възбудителните системи могат да бъдат изградени на базата на електромашинни възбудители, куплирани на вала на двигателя, но в съвременните системи се използват или полупроводникови изправители, свързани посредством колекторни пръстени и четкови апарати към роторната намотка, или въртящи се изправители, монтирани на вала на генератора.

Във втория случай се избягва четковият апарат. За да се използва пълноценно предимството за поддържане на постоянен cosj или участие в регулирането на напрежението на мрежата, а така също да се обезпечи стабилната работа на двигателя по време на преходни процеси в захранващата мрежа или в механичния товар, е необходим регулатор на възбудителната система.

Фиг. 7 представя т. нар. регулационна характеристика на синхронната машина, която показва зависимостта на възбудителния ток от статорния ток (последният - пропорционален на товара) при условие, че се поддържа постоянен cosj. При съвременното ниво на полупроводниковата и цифровата техника се предлагат готови системи, включващи силовата част на възбуждането заедно с прецизни регулиращи и защитни блокове.

Най-разпространеното решение за пуск е посредством демпферната намотка на ротора. В работен режим тази намотка служи за успокояване на колебанията, а при пускане функционира като намотката на кафезния ротор на асинхронните двигатели. По време на пуск възбудителната намотка е свързана накъсо през активно съпротивление със стойност 5-10 пъти нейното собствено, с цел да не се индуцират в нея пренапрежения.

При този метод на пускане стоят същите задачи за разрешаване, както при пускане на големите асинхронни двигатели. Затова най-често е необходимо да се предвиди допълнителна пускова апаратура (например софтстартер) или ако е възможно, товарът да се увеличава плавно след развъртане на двигателя, както ще бъде коментирано по-долу.

Синхронните генератори най-често намират приложение само за големи задвижвания, по правило всички на средно напрежение (от порядъка на 2 MW и нагоре). Причините са:
• По-високата цена на първоначалната инвестиция и на експлоатационните разходи заради по-сложната конструкция на ротора и необходимостта от възбудителна система.
• Предимството от регулиране на напрежението се оправдава тогава, когато става въпрос за големи мощности.
• Регулиране на оборотите е възможно само с използване на честотни преобразуватели.

Намаляването на цените и повишаването на надеждността и удобството за обслужване на честотните преобразуватели, включително тези за средно напрежение и големи мощности, в съчетание с много добрата точност на регулиране и високия к.п.д., все повече разширяват обхвата на използването на синхронните двигатели в електрозадвижването и към двата края на диапазона на мощностите.

В следващия брой ще бъдат разгледани различните пускови методи с техните предимства и недостатъци, както и оборудването, необходимо за реализирането им.

Новият брой 7/2018

брой 7-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

Top