Реферат: Проблемы управления высокооборотными асинхронными и вентильными электродвигателями в установках центробежных погружных насосов

Проблемы управления высокооборотными асинхронными и вентильными электродвигателями в установках центробежных погружных насосов


Григорий Викторович Попелнуха, заместитель директора по системам управления и автоматике насосных установок, ООО «Научно-технический центр «АЛНАС»


Одним из решений разработки высоконапорных установок является использование высокооборотных асинхронных и вентильных приводов. Применение высокооборотных асинхронных и вентильных электродвигателей определяет особые требования к системам управления и электропитания, а именно к станциям управлениям, повышающим трансформаторам. Одной из существенных проблем в применении вентильного привода является необходимость применения специальной станции управления.

В докладе обосновывается и рассматривается возможность создания универсальной станции управления для управления высокооборотными асинхронными и вентильными электродвигателями.


Одним из решений создания высоконапорных установок является использование высокооборотных приводов. Высокооборотный привод может быть реализован как с применением асинхронных электродвигателей, так и вентильных.

Применение высокооборотных асинхронных и вентильных электродвигателей определяет специальные требования к системам управления и электропитания, а именно, к станциям управления и повышающим трансформаторам.

Направление компании АЛНАС на создание высокооборотных асинхронных и вентильных приводов на 6000 об/мин требует повышения номинальной частоты выходного напряжения станции управления до 100 Гц. Максимальную частоту мы планируем реализовать до 250 Гц.

Чтобы обозначить требования к станциям управления для высокооборотных асинхронных и вентильных электродвигателей, необходимо определить, какие проблемы возникают при использовании традиционной схемы станции управления при увеличении номинальной частоты выходного напряжения до 100 Гц. Это следующие проблемы:

1. Пониженное напряжение в цепи постоянного тока и, соответственно, пониженное выходное напряжение станции управления из-за падения напряжения на входном и выходном фильтрах, накопителе, а также на индуктивности рассеяния повышающего трансформатора.

Колебания напряжения сети оказывают существенное влияние на напряжения постоянного звена и, соответственно, на выходное напряжение станции управления.

Если на 50 Гц выходное напряжение станции управления под нагрузкой падает до 340 В, то на 100 Гц оно может упасть до 250 В.

2. Проблемы с использованием стандартного повышающего трансформатора.

Пониженное напряжение постоянного звена и, соответственно, выходное напряжение станции управления требуют значительного завышения типоразмера повышающего трансформатора. Традиционная схема не обеспечивает оптимального согласования с трансформатором, что делает использование стандартного повышающего трансформатора проблематичным и необходимости разработки специальных трансформаторов.

3. Проблемы входного сетевого фильтра.

В традиционной схеме СУ входной сетевой фильтр обычно является пассивным фильтром гармоник. Он обеспечивает достаточно низкий уровень гармоник, не решает проблемы пониженного напряжения звена постоянного тока и не обеспечивает требуемый коэффициент мощности.

Применение активного фильтра гармоник позволит решить проблему с уровнем гармоник входного напряжения, но он имеет ряд существенных недостатков, например, существенное влияние колебаний напряжения сети на напряжение постоянного звена станции управления, большое количество сглаживающих индуктивностей и электролитических конденсаторов, большие габариты, не обеспечивается требуемый коэффициент мощности.

Применение 12-пульсного выпрямителя частично решает проблему искажения тока (порядка 10%), но не решает проблемы с влиянием колебаний напряжения сети на напряжение постоянного звена и не решает проблему с коэффициентом мощности.

Недостаточная частота ШИМ.

Если на частоте 50 Гц при частоте ШИМ 1,5 кГц уровень гармоник вполне приемлем, то на 100 Гц уровень гармоник будет недопустим. Минимальная частота ШИМ должна быть значительно выше. Это в свою очередь накладывает особые требования к быстродействию приборов IGBT.

5. Не обеспечивается высокий коэффициент мощности на входе станции управления. Коэффициент мощности зависит от нагрузки и параметров силовой цепи.

6. Состав и амплитуда генерируемых в питающую сеть гармоник напряжения и тока также зависят от нагрузки и параметров силовой цепи.

7. Большое количество сглаживающих индуктивностей и электролитических конденсаторов (снижающих надежность, требующих тренировки, имеющих ограниченный срок службы и относительно узкий диапазон рабочих температур, большие стоимость и габариты).

Необходимость увеличения быстродействия контроллеров.

Согласно техническим требованиям поддержание заданной частоты должно быть в пределах погрешности не более 1%. На 50 Гц это вполне выполняется. При увеличении частоты до 100 Гц погрешность существенно возрастает при одной и той же частоте дискретизации. Поэтому при увеличении частоты требуется увеличение частоты дискретизации как минимум вдвое.

Таким образом, для создания высокооборотного привода необходимо сформулировать основные требования к универсальной станции управления для высокооборотных асинхронных и вентильных электродвигателей:

- стабилизация напряжения постоянного звена;

- частота ШИМ не менее 6 кГц;

- минимальная частота выходного напряжения не менее 250 Гц;

- коэффициент мощности на входе станции управления не менее 0,95;

- коэффициент искажения синусоидальности напряжения на выходе станции управления не должен превышать 5%;

- универсальность станции управления для управления асинхронными и вентильными электродвигателями;

- применение достаточно быстродействующих приборов IGBT;

- увеличение быстродействия контроллеров.

В результате моделирования различных вариантов силовой схемы мы приняли наиболее соответствующее всем требованиям решение с активным выпрямителем.

Активный выпрямитель является наиболее перспективным направлением построения станций управления в настоящее время. Он позволяет обеспечить полное номинальное напряжение на выходе станции управления. Одновременно активный выпрямитель выполняет функцию стабилизации напряжения на заданном уровне. Кроме того, управляемый выпрямитель позволяет практически полностью управлять качеством электроэнергии.

Так как мы планируем довести частоту выходного напряжения до 250 Гц, частота ШИМ должна быть 8-15 кГц. Это в свою очередь накладывает особые требования к быстродействию приборов IGBT (порядка 1-2 мкс). Для готовящихся к выпуску высокооборотных электродвигателей на 6000 об/мин и, соответственно, станций управления на 100 Гц мы планируем довести частоту ШИМ до 8 кГц (на выпускаемых в настоящее время станциях управления частота ШИМ 2-6,5 кГц).

Применение активного выпрямителя в сочетании с такой высокой частотой ШИМ позволяет значительно (на порядок) уменьшить емкость конденсаторов фильтра, и в результате применить не электролитические конденсаторы, а обычные пленочные, что значительно снижает стоимость и габариты емкостного накопителя. Кроме того, электролитические конденсаторы являются элементом ненадежности, требуют тренировки, имеют ограниченный срок службы и узкий диапазон рабочих температур. Пленочные конденсаторы решают эти проблемы и имеют существенно меньшие габариты. Однако повышенное напряжение в цепи постоянного тока вызывает необходимость применения более высоковольтных конденсаторов.

Таким образом, применение активного фильтра решает проблемы поддержания повышенного напряжения и тем самым компенсации падения напряжения на элементах силовой части станции управления и индуктивности рассеяния повышающего трансформатора в условиях повышенной частоты выходного напряжения станции управления.

Испытания опытных образцов позволят сделать вывод в возможности применения стандартного повышающего трансформатора.

Кроме того, активный выпрямитель решает две другие проблемы:

- уменьшение коэффициентов гармоник входных напряжения и тока менее 4% независимо от нагрузки;

- обеспечение коэффициента мощности на входе станции управления на уровне 95-98% независимо от нагрузки.

Таким образом, управляемый выпрямитель позволяет практически полностью управлять качеством электроэнергии.

К недостаткам активного выпрямителя необходимо отнести увеличение стоимости IGBT модулей из-за увеличения их количества в два раза. Однако это увеличение компенсируется уменьшением стоимости конденсаторов емкостного накопителя. Увеличения габаритов станции управления активный фильтр также не вызовет из-за существенного уменьшения габаритов емкостного накопителя.

Другой недостаток – это увеличение тепловыделения. Но этот вопрос технически решаем.

Всем известна проблема в эксплуатации – это отсутствие универсальности станций управления. Эксплуатирующие организации вынуждены иметь дело с невзаимозаменяемыми станциями для асинхронных и вентильных электродвигателей. К тому же у одного и того же производителя они имеют разные типы контроллеров. Тем более разные контроллеры у станций частотных и нерегулируемых.

Известно, что одной из существенных проблем в применении вентильного привода является необходимость применения специальной станции управления. Известны случаи даже подъема установки с вентильным приводом из-за неисправности станции управления.

Станции управления производства АЛНАС изначально разрабатывались как универсальные. Для перевода станции управления из асинхронного в вентильный режим достаточно в меню контроллера сделать соответствующий выбор. Все изменения, доработки и модернизации, как аппаратной части, так и программного обеспечения делаются с учетом обоих типов приводов (асинхронного и вентильного).

Кроме того, контроллер является универсальным как для станций с частотным регулированием, так и станций прямого и плавного пуска.

Изначально был заложен мощный процессор, позволяющий производить определение положения ротора без применения специальных декодеров (отдельных блоков для определения положения ротора), как это обычно делается.

Мощный контроллер позволяет вычислять момент на валу, который используется в алгоритмах работы станции управления.

Контроллер производит автоматическую настройку на разные мощности вентильных электродвигателей и на разную комплектацию установки. Если у других производителей при вводе в уставки неправильно указана мощность, то электродвигатель просто не раскрутится.

Должен также отметить, что обычно в станциях управления для вентильных электродвигателей используется прямоугольная форма выходного напряжения, что при трогании и разгоне электродвигателя на низких частотах из-за плохой трансформации такой формы приводит к потерям момента.

В станции управления компании АЛНАС трогание и разгон производятся в режиме ШИМ – то есть синусоидальным напряжением. Затем происходит переключение на прямоугольную форму.

Контроллер при пуске осуществляет постоянный контроль момента на валу электродвигатель и при пуске ограничивает пусковой момент не более 2-хкратного.

Все указанные проблемы и вызванные ими специальные требования к станциям управления для высокооборотных приводов в равной степени относятся к обычным станции управления на номинальную частоту 50 Гц. Просто для 50 Гц все эти проблемы не настолько ярко выражены, а на 100 Гц они проявляют себя и требуют решения. Тем более что в условиях постоянного ужесточения требований нефтяных компаний к качеству электроэнергии на входе и выходе станции управления необходимо внедрение технических решений, с опережением решающие уже обозначенные проблемы.

Это проблемы низких коэффициентов мощности и, соответственно, повышенной реактивной мощности энергосетей, проблема повышенного уровня гармоник, генерируемых в энергосеть, повышенного электромагнитного фона.

Поэтому все требования к высокооборотным станциям управления компания АЛНАС распространяет и на станции управления со стандартной частотой 50 Гц, и они уже или внедрены, или проводятся испытания и будут внедрены в ближайшее время.

Поэтому можно говорить о решении проблемы универсальности и взаимозаменяемости станций управления, как для стандартных, так и высокооборотных асинхронных и вентильных электродвигателей. Кроме того, станции управления компании АЛНАС можно применять для вентильных приводов других изготовителей.

Для информации сообщаю, что наработки установок с вентильным приводом производства АЛНАС на данный момент превысили 1000 суток.