Електрозадвижвания средно напрежение – част 3

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2014

Електрозадвижвания средно напрежение – част 3 Електрозадвижвания средно напрежение – част 3 Електрозадвижвания средно напрежение – част 3

Част 3. Пускови методи, комутационна и защитна апаратура. Честотни инвертори.

В предишната част на статията, публикувана в бр. 5/2014 на сп. Инженеринг ревю бяха представени пусковите методи без честотно регулиране за двигатели с кафезен ротор и синхронни двигатели СН. В настоящия брой продължаваме с

Методите за пускане и регулиране на оборотите на асинхронни двигатели с навит ротор
Както беше показано в първата част на материала (бр. 4/2014 на сп. Инженеринг ревю), добавянето на активно съпротивление във веригата на ротора решава едновременно двата основни проблема на пускането: намаляване на пусковия ток и същевременно увеличаване на въртящия момент. Това става за сметка на увеличеното хлъзгане (по-ниски обороти).

На фиг. 1а е показана принципна схема на класическа пускова конфигурация с контакторно превключване. При включване на двигателя към мрежовото напрежение всички контактори в роторната верига са изключени и в процеса на развъртане се включват един по един, шунтирайки съответните резистори. Резултатната механична характеристика има вида, показан на фиг. 1б.

Превключването се извършва така, че въртящият момент да се движи между предварително избрана максимална стойност и номиналния момент. Броят на стъпалата на превключване (на фигурата са изобразени 3 стъпала) се изчислява на база на избраната максимална стойност – колкото по-малка е тя, толкова по-плавно е пускането, съответно – необходими са повече стъпала.

В първата част на статията бе споменато, че спиране чрез добавяне на съпротивление в ротора по обратния ред пък осигурява много ефективно динамично спиране. Може да се реализира и плавно изменение на съпротивлението, например с включване на тиристорен чопър в роторната верига или с използване на воден реостат.

Асинхронните двигатели с навит ротор и пускане със съпротивление се използват в задвижвания с големи мощности с висок начален съпротивителен момент и голяма маса като мелници, дробилки, машини в металургичните производства, но също и големи помпи и вентилатори.

Недостатъците на метода са главно в обемистото оборудване и голямото количество отделяна топлина в съпротивленията, а също в относително по-високата цена на първоначалната инвестиция и разходите по поддръжка на самия двигател. Загубата на енергия, отделяна във вид на топлина в съпротивленията, има толкова по-голямо икономическо значение, колкото по-чести са стартовете на съоръжението.

Тук се акумулират както преките загуби, така и консумацията на охладителните системи. По същата причина използването на добавени в ротора съпротивления за регулиране на оборотите в процеса на работа е икономически неизгодно. Единствено се прилагат системи за компенсиране на кратковременни колебания в механичния товар (например в дробилки) със съответно кратковременно включване на съпротивления в роторната верига.

По-добър метод за регулиране на скоростта на асинхронните двигатели с навит ротор са асинхронните каскадни схеми. Принципът им се състои във връщане обратно в захранващата мрежа на енергията, генерирана в роторната верига при работа с повишено хлъзгане, вместо отделянето й във вид на топлина.

Исторически първите каскадни схеми включват диоден изправител, свързан в роторната верига, захранващ постояннотоков мотор с куплиран към него синхронен генератор, свързан към захранващата мрежа. По-късните решения са изцяло електронни - т.нар. вентилни каскади (фиг. 2). Големият смисъл на вентилната каскада е управлението на мощни двигатели със сравнително малък честотен преобразувател за ниско напрежение. Ако и двата елемента на преобразувателя се изпълнят като обратими инвертори, е възможно управление със скорост, по-висока от синхронната, при което в ротора се вкарва енергия от мрежата.

С разширяването на диапазона от мощности и напрежения и намаляване цената на честотните преобразуватели за директно управление на двигатели, приложението на асинхронни вентилни каскади съответно се ограничава само към много големите мощности.

Директното честотно регулиране има следните основни предимства пред асинхронните вентилни каскади:
• Осигурява регулиране в целия диапазон на скорости от 0, докато диапазонът на регулиране на асинхронните вентилни каскади започва от около 60% от оборотите.
• Асинхронната вентилна каскада, за разлика от честотните преобразуватели, не може да се използва като пусково устройство. Обикновено двигателите, управлявани с каскада, имат пусково устройство с превключване на съпротивления в ротора.
• Честотните преобразуватели могат да работят с двигатели с кафезен ротор, както и със синхронни двигатели.

Приложение на честотни преобразуватели СН
Управлението с честотни преобразуватели засега остава относително скъп метод за асинхронни двигатели с кафезен ротор и синхронни двигатели за средно напрежение (СН), но със значителни предимства пред останалите методи за пускане и особено за регулиране на честотата в работен режим.

Тук ще припомним тези предимства, които вече бяха изтъкнати в предишните две части на статията:
• Честотните преобразуватели осигуряват пускане, спиране и управление на оборотите в диапазон от 0 до надсинхронни обороти; заемат относително най-малко място и имат малки загуби.
• Имат най-гъвкави пускови характеристики, подходящи за всякакви товари; благодарение на едновременното изменение на честота и напрежение могат да реализират всяка стойност на въртящия момент от нула до поне 150% от номиналния момент на двигателя при всяка стойност на оборотите, при това с най-нисък в сравнение с другите пускови методи ток (обикновено – не повече от 150% от номиналния ток на двигателя).

На фиг. 3 са показани гранични механични характеристики на задвижване с честотен преобразувател. Поддържане на постоянен въртящ момент при надсинхронни обороти не е възможно, тъй като напрежението не може да се увеличава над номиналното, така че да следва увеличаването на честотата. В резултат с нарастване на честотата се намаляват токът и въртящият момент. Тази част от характеристиката се характеризира с постоянна мощност вместо с постоянен въртящ момент.

• Изцяло липсват скокообразни изменения на тока и въртящия момент, характерни за моментите на превключване при други пускови методи.
• Дори при задвижвания, където технологията не изисква да се променя скоростта в работен режим, в някои случаи честотните преобразуватели могат да реализират значителни икономии на електроенергия чрез намаляване на работните обороти.
• Не са чувствителни към параметрите на схемата колкото други пускови устройства, така че изборът на апаратура не е толкова комплицирана задача и търпи бъдещи изменения в схемата, включително подмяна на двигателя.

Съгласуване на честотния преобразувател с мрежата и с двигателя
При избора на честотни регулатори за СН се вземат предвид особености като:
• Необходимост от динамично спиране или реверсиране на посоката на въртене. Тези две възможни изисквания, особено второто, което всъщност е доста рядък случай в задвижванията СН, предполагат използване на по-сложни и скъпи преобразуватели.
• Влиянието на хармониците на консумирания от преобразувателя ток върху захранващата мрежа.
• Влиянието на генерираните на изхода на преобразувателя хармоници върху двигателя.
• Продължителни режими на работа със значително по-ниски от номиналните обороти на двигателя, респективно – необходимост от специално охлаждане на двигателя, доколкото пропелерът, монтиран на вала му. не би осигурил нужния въздушен поток.

Информация за критериите за оценка на влиянието на честотните преобразуватели върху захранващата мрежа и свързаните към нея консуматори и за факторите, които определят мащаба на това влияние, можете да откриете в материала “Хармоници в електроенергийните мрежи”, публикуван в бр.1-3/2014 на сп. Инженеринг ревю.

Ограничаването на генерираните в мрежата хармоници се постига чрез използване на подходящи изправители или входни трансформатори и/или филтри, както ще стане дума по-нататък.

Генерираните на изхода на преобразувателите хармоници на тока и напрежението влияят по няколко начина на двигателите. Хармониците от нисък порядък са причина за термично претоварване на двигателите. При съвременните преобразуватели обаче се използват изключително инвертори с широчинно-импулсна модулация (ШИМ), за които елиминирането на тези хармоници е лесно посредством използването на подходящи алгоритми за формиране на импулсите.

За сметка на това, характерен проблем на честотните задвижвания са високочестотните пикове на напрежението, подавано към двигателя. Тези пикове се пораждат от трапецовидната форма на импулсите на напрежението на изхода на инверторите с ШИМ, които имат много стръмен фронт (голямо dv/dt ).

Стръмните фронтове се отразяват при клемите на двигателя поради разликата в неговото вълново съпротивление и това на кабела. Правата и обратната вълна се наслагват и при достатъчно дълъг кабел, времето за нарастване на фронта е по-малко от времето за достигането му до края на кабела, така че може да се достигне до пренапрежение с удвоена амплитуда.

Това пренапрежение представлява директна опасност за пробив на изолацията на двигателите, особено за тези на СН, които нямат толкова голям запас по пробивно напрежение на изолацията, колкото тези на ниско напрежение.

Освен това високочестотните пикове на напрежението повишават опасността от възникване на напрежения и блуждаещи токове във вала и пробиви през лагерите на двигателя. Тези явления водят до прегряване и до възникване на искрене и електрическа дъга, разрушаващи лагерите.

Основните фактори, определящи амплитудата на високочестотните пренапрежения, са:
• типът на преобразувателя; преобразувателите с инвертор на напрежение, въпреки че са по-евтини и по-компактни от тези с инвертор на ток (вж. по-долу), генерират по-големи пренапрежения;
• дължината на кабела;
• опорната честота на ШИМ;
• разликата във вълновите съпротивления на кабела и на двигателя, зависеща основно от мощността на задвижването.

Производителите на преобразуватели указват препоръчителната максимална дължина на кабела за съответната мощност, както и дали преобразувателят е подходящ за ретрофит на стандартни двигатели или пък е за нови, специално предназначени за работа с инвертор.

Намаляването на опорната честота на ШИМ намалява високочестотните пренапрежения, но пък за сметка на това нараства акустичният шум. Двигателите, предназначени за работа с инвертори (invertor-duty), имат усилена изолация.

Конструктивните мерки и добрите практики за проектиране на задвижванията с цел предотвратяване на напреженията и токовете във валовете и лагерите на машините включват:
• Осигуряване на нискоомна верига за пренапреженията към земя посредством използване на екранирани кабели със заземен екран и надеждно заземяване на корпусите на двигателите.
• Използване на изолирани лагери за двигателя или поне за тези откъм свободния край на вала (non-driving end, NDE).
• Използване на изолирани съединители на валовете на двигателя и задвижвания механизъм.
• Използване на заземителна четка за вала.

Прилагат се също така филтри за ограничаване на високочестотните пренапрежения. Основно филтрите биват:
• dv/dt филтри. Състоят се от L-RC или L-C+диод групи на всяка фаза, монтирани на изхода на инвертора.
- синусоидални филтри. Състоят се от L-RC групи на всяка фаза, монтирани на изхода на инвертора. Те имат по-големи индуктивности и капацитети в сравнение с dv/dt филтрите, съответно са по-скъпи и обемисти, но осигуряват изходно напрежение с практически синусоидална форма.
• т.нар. motor terminations. Представляват капацитивни филтри, монтирани на клемите на двигателя. В сравнение с първите два типа филтри имат по-малка ефективност и използването им е свързано и с други проблеми.

Въпреки че dv/dt и синусоидалните филтри водят до известно оскъпяване и увеличаване габарита на системата, а също така и до увеличаване на загубите (до 1%), те са много ефективно средство, позволяващо удължаване на кабелите и използване на стандартни двигатели, включително ретрофит на съществуващи. Тези филтри могат да бъдат интегрална част от честотния преобразувател или да бъдат монтирани допълнително.

Елементна база на честотните преобразуватели СН
Ключов фактор за разширяване приложението на честотните преобразуватели в задвижванията СН е развитието на силовите електронни комутационни устройства. Понастоящем в задвижванията СН намират най-голямо приложение следните (вж. статията „Мощни полупроводникови прибори в електроенергетиката” в бр. 2/2012 на сп. Инженеринг ревю):

• Диоди - могат да комутират до 5000 V и 5000 А.
• Тиристори - (SCR, silicon controlled rectifier); масово използваните могат да комутират до 1200 V (водещи разработки до 8000 V) и 4000 А.
• Съвременни модифицирани варианти на тиристори - тиристори с изключване от управляващия електрод GTO (gate turn off), GCT (gate commutated thyristor) и SGCT (symmetrical gate commutated thyristor), IGCT (integrated gate commutated thyristor) – GCT с вградена схема за управление.

Могат да комутират до 4500 V (водещи разработки до 6500 V) и 4000 A с честота на комутацията над 1 kHz; позволяват по-добро управление, с тях се постигат по-ниски високочестотни комутационни пренапрежения и по-малки загуби на преобразувателите; позволяват управление с широчинно-импулсна модулация.

• Биполярни транзистори с изолиран гейт (IGBT); могат да комутират до 3000 V и няколкостотин ампера с честота на комутацията до 10 kHz.

Продължава в следващия брой

Top