Аракелян А.К., Афанасьев А.А. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод. Книга 2

Подождите немного. Документ загружается.

411

Рис. П1. Фунêциональная схема частотно-регулируемого элеêтропри-

вода с вентильным двигателем питательного насоса ТÝЦ:

В — управляемый выпрямитель; И — инвертор тоêа (êомутатор); СР —

сглаживающие реаêторы; СД — синхронный двигатель; ДПР — датчиê

положения ротора; ТГ — тахогенератор; ТОР — тоêоограничивающий

реаêтор; ПР — пусêовой реаêтор; УВКÝ — устройство выделения êом-

мутирующей ÝДС; ЗГ — задающий генератор; СУИ — система форми-

рования управляющих импульсов инвертора; СУВ, СУВВ — системы

фазового управления силовым выпрямителем и выпрямителем возбуж-

дения; УВВ — управляемый выпрямитель возбуждения (статичесêий

возбудитель); ФП — фунêциональный преобразователь; СФВИ —1,2 —

система усиления управляющих импульсов вентилей выпрямителя и

инвертора соответственно; ДТС, ДТВ, ДД — датчиêи тоêов статора,

возбуждения и давления воды соответственно; СПЗ — система автома-

тичесêого пусêа и защиты ВД; ССС — система синхронизации СД с

питающей сетью; РД, РС, РТ, РТВ — регуляторы давления, сêорости,

тоêа двигателя и тоêа возбуждения соответственно; ПÝÍ — питатель-

ный насос; КПВ — êоллеêтор питающей êотлоагрегаты воды;

Q Q

1 3



— высоêовольтные (масляные) выêлючатели; В1 — головной масляный

выêлючатель ГРУ—6 êВ; ЗП — задающий потенциометр ручного

управления; ЗИ — задатчиê интенсивности темпа пусêа ВД; АСУТП —

миêропроцессорная система управления и оптимизации режимов рабо-

ты системы водоснабжения êотлоагрегатов ТÝЦ; ФВ, ФИ — демпфи-

рующие R—С фильтры выпрямителя, инвертора; R

— демпфирующее

сопротивление

412

макс

/М

ном

, от. ед. — 10;

Тип комплектного преобразователя ПЧВС—6,3/6 — 11УХЛ4;

Напряжение питания, В 6000 (50Гц) ;

Номинальное выходное напряжение, В — 6000;

Номинальный ток входной(выходной) цепи, А — 428;

Номинальная частота выходной цепи, Гц — 50;

Диапазон регулирования частоты — 10:1;

Силовая схема ПЧ — / ;

Статический возбудитель, входящий в комплект ПЧ типа

ТП—9;

Согласующий трансформатор цепи возбуждения типа

ТСЗВ—160/05;

Сглаживающие реакторы типа ТРОС—5000—УХЛ4;

Токоограничивающие реакторы типа РБ—10—630—056;

Демпфирующие входные и выходные фильтры с

R—C

-цепями.

Расчет на статическую и динамическую устойчивость

конструкций эстакады и этажерки выполнен с учетом вибро-

активности системы электропривода с вентильным двигате-

лем, являющимся источником стационарных гармонических

возмущений, обусловленных добавочными колебательными

электромагнитными моментами [13, 354, 358], частота и рас-

четная амплитуда которых приведены в табл. П1.

Таблица П1

Частота

вращения

вала ВД,

Мощ-

ность, кВт

Момент на

валу

ВД



Частота

колебательного

электромаг-

Амплитуда

колебательного

момента, о.е.

об/мин Н.м нитного момен-

та, Гц

максим.

миним.

3000 4000 12,73 300 0,368 0,189

2940 3100 10,032 294 0,353 0,183

2820 2600 8,805 282 0,325 0,167

2250 1680 7,133 225 0,206 0,106

Управление системой электропривода ПЭН (пуск, оста-

нов, выбор режима работы, задание уровня потребного на-

пора воды и т.д.) осуществляется с блочного щита (БЩ) тур-

богенератора. Контроль температур обмотки и железа стато-

Базовыми являются соответствующие значения элеêтромагнитного

момента, развиваемого двигателем при данной частоте вращения насо-

са.

413

ра, охлаждающего воздух СД и ПЧ — с местного щита ПЭН

на отметке агрегата. Структурная схема системы электропри-

вода ПЭН с ВД приведена на рис. П.2.

Защита оборудования электропривода ПЭН обеспечива-

ется: при междуфазных замыканиях и замыканиях на землю

вне зоны действия дифференциальной защиты; при пере-

грузке электродвигателя, работающего как в синхронном, так

и в регулировочном режимах; при обрыве поля СД; при па-

дении давления на напоре воды или масла в системе смазки

подшипников СД и ПЭН; при повышении давления за гид-

ропятой ПЭН при затяжном пуске (самозапуске) или асин-

хронном ходе СД; при понижении изоляции цепи ротора по-

следнего — обеспечивается релейной защитой ячейки голов-

ного масляного выключателя В1 ГРУ—6 кВ.

При междуфазных замыканиях в зоне действия диффе-

ренциальной защиты; при перегрузках СД, ПЧВС и статиче-

ского возбуждения в регулировочном режиме; при перена-

пряжениях на тиристорах ПЧВС; при исчезновении напря-

жения питания сети СН < 0,64; при отключении вентилято-

ров обдува тиристоров ПЧ; при обрыве поля ротора СД; при

пробое 2-х тиристоров и более в плече мостов выпрямителя

либо инвертора; при исчезновении питания систем управле-

ния вентилями выпрямителя СИФУ; при всех неисправно-

стях в системе технологического оборудования — обеспечи-

вается избирательно релейной защитой ячеек масляных вы-

ключателей

Q Q

1 2

 соответственно. При этом в необходимых

случаях, предусмотренных заводом-изготовителем, защита

ПЧ обеспечивается мгновенным действием сеточной защиты

системы управления непосредственно ПЧВС и СВ [566].

П.2. Система автоматического регулирования

Регулирование (задание) производительности (напора)

воды на выходе ПЭН с ВД производится вручную или

программно от микропроцессорного комплекса АСУТП в за-

висимости от конкретных условий энергосистемы. Поддер-

жание параметров ПЭН при ручном управлении обеспечива-

ется внешним контуром САР. При программном задании по-

требный напор поддерживается микропроцессорной сис-

темой,

414

Рис. П.2. Струêтурная

схема системы регули-

руемого элеêтроприво-

да с вентильным двига-

телем ПÝÍ:





W p

ВД





W p

—

переда-

точные фунêции вентиль-

ного двигателя и управ-

ляющего выпрямителя;





W p





W p

КС

—

пере-

даточные фунêции ПÝÍ и

êоммуниêационной сети

(длинного трубопровода);





W p

—

передаточная

фунêция цепи возбужде-

ния СД со статичесêим

(регулируемым) возбудителем; Í3



Í34 —нелинейные звенья соответствующих фунêциональных связей;





W p

—

передаточная фунêция êомпенсирующего ÝДС звена;





W p

РД

;





W p

РС

;





W p

РТ

;





W p

РТВ

—

передаточные

фунêции регуляторов давления, сêорости, тоêов в яêорной цепи и возбуждения вентильного двигателя; k k k

п ув с

, , ,

k k

т д

, ,

k k

тв тп

, —

êоэффициенты усиления по напряжению силового управляемого выпрямителя, статичесêого

возбудителя, сигналов обратных связей по сêорости, тоêу ВД, давлению, тоêу возбуждения, сигнала по потере на-

пора в питающем трубопроводе;



—

постоянный êоэффициент пропорциональности;

— средние

ЭДС

силового выпрямителя, статичесêого возбудителя, вентильного двигателя; i

—

входной тоê инвертора и

тоê обмотêи возбуждения СД;

M M P Q H

, , , , —

элеêтромагнитный момент, момент сопротивления, потребная

мощность ВД, напор и подача ПÝÍ;







 

—

начальный задающий угол опережения отпирания вентилей ин-

вертора и пространственный угол между веêторами ÝДС и тоêа яêоря ВД; U

зс

—

сигналы задания сêорости

ВД и тоêа возбуждения СД

414

415

реализующей оптимизацию количества воды группой нерегу-

лируемых и одним регулируемым насосами. До ввода в экс

плуатацию регулируемой системы электропривода в коллек-

торе, питающем котлоагрегаты, поддерживался избыточный

напор на уровне около 20

Па группой параллельно рабо-

тающих нерегулируемых питательных насосов с примерно

идентичными

Q—H

характеристиками, а потребный напор

регулировался дросселированием с помощью РПК котлов. С

вводом в эксплуатацию регулируемого ПЭН, работающего с

ограниченным числом параллельно включенных нерегули-

руемых насосов, устанавливается необходимый минималь-

ный напор в коллекторе питающей воды на уровне 17

Па.

Затем обеспечивается автоматическое регулирование (под-

держание) потребного напора с помощью регулируемого на-

соса в диапазоне от 17,0 до 18,5

Па. При этом перепад

напора на РПК — регуляторах производительности котлов —

этой группы составляет от 1,1 до 1,7

Па. Расчетно-

экспериментальные

Q H



характеристики комбинированной

системы регулирования см. рис. П.3.

Рис. П. 3. Расчетно-эêспериментальные хараêтеристиêи êомбини-

рованного регулирования (поддержания) потребного напора êол-

леêтора питающей êотлоагрегаты воды при параллельных связях

между группой нерегулируемых и одним регулируемым (по частоте

вращения) насосами

416

Кроме внешнего контура поддержания напора, регулируе-

мый электропривод имеет собственную двухконтурную замкну-

тую САР, обеспечивающую оптимизацию переходных процес-

сов и энергетических показателей электропривода, а также под-

держание регулятором давления (РД) либо программно АСУТП

частоты вращения насоса с высокой степенью точности при

любых возмущениях по управляющему (в том числе со стороны

сети СН) и возмущающему воздействиям. Два параллельных

внутренних замкнутых контура регулирования ВД двухкратно

интегрирующие с обратными связями по частоте вращения

(РС) и по току нагрузки (РТ) синхронного двигателя.

Вся пускорегулирующая система электропривода (кроме

РД) выполнена заводом-изготовителем и встроена в шкаф

управления ПЧВС—ШУ—19. Настройка регуляторов РС, РТ,

а также расчет параметров и конструктивное исполнение РД

произведены по структурной схеме (рис. П. 2) при объектной

ориентации ПЧВС. Произведена также перенастройка СУ

статического возбудителя вместе с регулятором тока возбуж-

дения на основе экспериментальных

-образных характери-

стик СД и расчетных данных по статической и динамиче-

ской устойчивости САР с ВД [338, 355].

П.3. Особенности режимов работы серийного синхронного

электродвигателя

Высоковольтные синхронные электродвигатели серии СТД

ранее в электроэнергетической отрасли СССР не применялись.

Двигатель с массивным двухполюсным ротором без продольно-

поперечной демпферной обмотки (обмотка возбуждения в пазах

и в лобовых частях удерживается бронзовыми клиньями и не-

магнитными банджами) имеет разомкнутую систему охлажде-

ния, обеспечиваемую торцевыми вентиляторами на роторе и

изоляцию обмоток статора и ротора класса В. Температура в па-

зах статора, железа и охлаждающего (холодного и горячего) воз-

духа контролируется с помощью встроенных термосопротивле-

ний. Допустимый нагрев обмоток статора и ротора —

120



130



соответственно [567].

В режиме работы синхронного двигателя по схеме вен-

тильного его мощность и токовые нагрузки обмоток статора

417

снижаются из-за добавочных потерь, вызванных высшими

гармониками напряжений и токов см. гл. 9, 11. Для количе-

ственной оценки степени снижения использования установ-

ленной мощности двигателя предварительно рассчитывалась

его электромагнитная загруженность с определением сум-

марных потерь мощности в проводниках обмоток и стали

сердечников при реальных формах напряжений и токов в

обмотках статора и ротора [31, 335].

Экспериментальные данные тепловых испытаний двига-

теля, приведенные в табл. П.2, подтвердили результаты рас-

четов, по которым ожидался низкий коэффициент использо-

вания серийной синхронной машины порядка 0,6 0,65 из-

за перегрева ротора выше допустимого.

Таблица П.2.

Режим Параметры режима

работы

СД

ср

Температура 

Примеча-

ние

кВт м

/ч

Па



воздуха



меди

стат.



железа

стат.



меди

рот.

хол.

гор.

Синхрон-

ный,



3000

об/мин

4000 595 18,64

 10

35 68 74 70 87,6 Длитель-

ность ра-

боты насо-

са

17 ч.

Регулиро

вочный,



3000



2700

об/мин

3000 485 18,15

 10

149

161

Та же про-

должи-

тельность

* Подача (

ср

) и напор (

ср

) — средние значения за циêл испытаний.

По результатам испытаний вентиляционной системы дви-

гателя (см. табл. П.3) выполнен расчет по дополнительной

вентиляции, который состоит из двух вентиляторов с ко-

роткозамкнутыми асинхронными двигателями мощностью

5,0 кВт.

Наружные вентиляторы установлены на независимых

опорах над корпусом СД по типу «наездников». Они создают

предварительный наддув охлаждающего потока, подаваемого

на основные (торцевые) вентиляторы машины. При увеличе-

418

нии количества подаваемого охлаждающего воздуха на 25—

30% коэффициент использования двигателя при средних

температурах окружающей среды составил 0,7.

Таблица П.3

Частота Измеряемые параметры

враще-

ния,

, кВт Охлаждающий воздух

об/мин

ср

,м/с

ср

,м

/с

ср

, Па



,кВт

3000 4000 17,5 7,55 596 44,15

2800 2450 15,3 6,6 521 33,68

2700 2150 14,2 6,1 482 28,85

ср

, Q

ср

— определены по эêспериментальным эпюрам сêорости и

напора потоêа охлаждающего воздуха вентиляционных êаналов же-

леза статора

Расчетно-экспериментальные данные всего комплекса

тепловых испытаний проиллюстрированы на рис. П.4.

Рис. П.4. Ýêспериментальные хараêтеристиêи тепловых испытаний

для определения допустимой мощности серийного синхронного

двигателя при ограничениях по перегреву ротора: 1 — синхронный

режим работы СD при сетевом питании; 2 — регулировочный ре-

жим по схеме ВД с самовентиляцией; 3 —тоже с дополнительным

независимым наддувом охлаждающего воздуха

419

Другой немаловажной особенностью работы синхронного

двигателя по схеме вентильного являются перенапряжения об-

моток статора. Возникновение перенапряжений «нуля» и фаз-

ных обмоток относительно «земли» обусловлено главным обра-

зом вынужденной составляющей напряжения нулевой последо-

вательности, которые проявляются между нейтралями питаю-

щей сети и синхронного двигателя при питании последнего от

трехфазного мостового преобразователя (инвертора) [390].

На эти напряжения накладываются скачки напряжений,

наводимые в моменты коммутации вентилей из-за колеба-

тельных процессов в

L—C

системе, образуемой индуктивно-

стями и емкостями питающих высоковольтных кабелей, син-

хронного двигателя и высоковольтных цепей преобразовате-

ля. Даже если не учитывать свободную составляющую, сум-

марное перенапряжение токоведущих частей существенно

повышается, что обусловливает перегрузку изоляции и опре-

деленные дополнительные электрические потери. Для ком-

пенсации перенапряжений рассчитаны и реализованы высо-

ковольтные демпфирующие фильтры для выпрямителя и ин-

вертора с

R—C

цепями. Экспериментальные характеристики

перенапряжений «нуля» и фазных обмоток статора СД отно-

сительно «земли» приведены на рис. П.5.

В электромеханической системе ПЭН с ВД и с коммуни-

кационными связями (трубопроводом) котлоагрегатов дейст-

вуют нестационарные вибрационные усилия, возбуждаемые

переходными волновыми процессами в гидросистеме; сило-

вые и кинематические воздействия, связанные, с одной сто-

роны, добавочными колебательными электромагнитными

моментами (от коммутации в инверторе), а с другой — не-

уравновешенностью вращающихся роторов ВД, ПЭН и со-

единительной муфты. Предварительно в теоретическом ас-

пекте рассматривалось полигармоническое воздействие пер-

вых гармоник колебательных моментов с переменной ампли-

тудой и шестикратной пульсацией на вращающийся много-

массовый упругий валопровод. Для оценки максимальных

значений амплитуд колебаний элементов конструкций под-

шипников и корпусов диссипативными силами пренебрега-

лись [348, 354].

420

Рис. П.5. Ýêспериментальные êривые перенапряжений «нуля» и

обмотоê статора относительно «земли» — (а), то же амплитудные

значения перенапряжений фазных обмотоê СД — (б):

1 —





U f

 сonst

при сетевом питании СД; 2 —





U f

 var

при

питании несинусоидальным тоêом от ПЧ; 3 —





U f

 var

при

том же питании.

  

1 , 2 , 3

— фазы А, В, С —соответственно

При этом делалось еще одно допущение — пренебрегался

эффект одностороннего притяжения между ротором и стато-

ром, обусловленный дискретностью поля реакции якоря.

Данные расчетов указывают на относительно большой раз-

брос повышения уровня вибраций отдельных элементов.