Квазичастотный метод управления при плавном пуске асинхронных двигателей

Квазичастотный метод управления при плавном пуске асинхронных двигателей

Мы работаем
по всей России

Устройства мягкого пуска (УМП) для асинхронных двигателей являются дешевым и надежным решением для подавляющего большинства механизмов, не требующих регулирования скорости вращения. Достоинства применения УМП очевидны. Однако есть и недостатки. Снижение пускового момента двигателя является главным препятствием к применению УМП. В условиях так называемого «тяжелого пуска» возникает реальная возможность того, что УМП не справится со своей функцией. На практике приходится завышать пусковые токи, что всегда вызывает повышенный нагрев двигателя, а иногда приводит к выходу из строя самого УМП или даже двигателя. В результате такие механизмы приходится оснащать дорогостоящими преобразователями частоты. Однако сегодня на смену классическому фазовому регулированию в УМП приходит новый алгоритм управления, позволяющий объединить преимущества частотного управления и дешевизну УМП. Это квазичастотное управление.

Что же такое квазичастотное управление?

Под квазичастотным управлением понимают особый алгоритм прореживания управляющих импульсов, поступающих на силовые тиристоры, что позволяет формировать в обмотках двигателя ток пониженной частоты. Снижение частоты тока приводит к повышению вращающего момента. Данным методом можно сформировать лишь частоты 7,14 Гц, 12,50Гц и 16,67 Гц. Как видно одним квазичастотным способом невозможно разогнать двигатель до номинальной скорости. Наилучший результат дает комбинация классического и квазичастотного способа.

Рис. 1. Классический пуск Рис. 2. Квазичастотный пуск

На рисунке 1 представлена осциллограмма тока (желтая линия) при классическом запуске при нулевой скорости. Синяя линия – датчик момента. Для сравнения на рисунке 2 представлена осциллограмма тока при квазичастотном алгоритме (частота 7,14Гц) при тех же прочих условиях. Хотя формы токов существенно отличаются, действующее значение тока практически одинаково для обоих режимов. При этом датчик момента фиксирует более чем вдвое больший момент при квазичастотном пуске!

Какими дополнительными преимуществами обладает квазичастотный пуск?

Кроме повышенного вращающего момента на низких скоростях устройство плавного пуска с квазичастотным способом управления позволяет осуществлять некоторые тормозные режимы. Эффективность торможения зависит от скорости двигателя и снижается по мере ее роста. На номинальной скорости тормозной момент отсутствует, однако уже при скорости 50-60% от номинальной тормозной эффект довольно существенен. Таким образом, устройсво мягкого пуска с квазичастотным алгоритмом позволяет полностью отказаться от устройства динамического торможения на некоторых механизмах.
Алгоритм квазичастотного управления позволяет осуществлять реверс двигателя на частоте 25 Гц без переключения чередования фаз питающего напряжения.

На сегодняшний день метод квазичастотного управления позволяет получить наибольший пусковой момент при наименьшем токе.

На предприятии НПП «РУМИКОНТ» реализована возможность комбинирования квазичастотного алгоритма и фазового управления с ограничением тока на заданном уровне и применяется в устройствах плавного пуска асинхронных двигателей.

Система управления плавного пуска с квазичастотным управлением реализована на базе контроллера «ПРОТОН».

Расчет возможности пуска электродвигателя 380 В

В данной статье будет рассматриваться изменение напряжения (потеря напряжения) при пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (далее двигатель) и его влияние на изменения напряжения на зажимах других электроприемников.

При включении двигателя пусковой ток может превышать номинальный в 5-7 раз, из-за чего включение крупных двигателей существенно влияет на работу присоединенных к сети приемников.

Это объясняется тем, что пусковой ток вызывает значительное увеличение потерь напряжения в сети, вследствие чего напряжение на зажимах приемников дополнительно снижается. Это отчетливо видно по лампам накаливания, когда резко снижается световой поток (мигание света). Работающие двигатели в это время замедляют ход и при некоторых условиях могут вообще остановиться.

Кроме того, может случиться, что сам пускаемый двигатель из-за сильной просадки напряжения не сможет развернуть присоединенный к нему механизм.

Режим пуска двигателя рассматривается при максимальной нагрузке линии, так как именно при таких условиях создаются наиболее неблагоприятные условия для работы присоединенных к сети приемников.

Чтобы проверить можно ли включать двигатель, нужно рассчитать напряжение на его зажимах во время пуска и напряжение на любом другом работающем двигателе, а также проверить напряжение у ламп.

Пример возможности пуска электродвигателя 380 В

Требуется проверить возможность пуска электродвигателя типа 4А250М2 У3 мощностью 90 кВт. От шин 6 кВ подстанции 2РП-1 питается подстанция с трансформаторами типа ТМ мощностью 320 кВА. От подстанции 2РП-1 до трансформаторов ТМ-6/0,4 кВ с установленным ответвлением 0%, проложен кабель марки ААБ сечением 3х70 мм2, длина линии составляет 850 м. К шинам РУ-0,4 кВ присоединен кабелем марки ААБ сечением 3х95 мм2, длиной 80 м двигатель типа 4А250М2 У3.

Рис. 1 — Однолинейная схема 0,4 кВ

В момент пуска двигателя 4А250М2 У3 работает подключенный к шинам двигатель 4А250S2 У3 мощностью 75 кВт с напряжением на зажимах 365 В. Напряжение на шинах 0,4 кВ при пуске двигателя равно Uш = 380 В.

• Ммакс/Мн – кратность максимального момента;
• Мп/Мн – кратность пускового момента;
• Мн – номинальный момент двигателя;

1. Определяем длительно допустимый ток двигателя Д1:

2. Определяем пусковой ток двигателя Д1:

где:
Kпуск = 7,5 – кратность пускового тока, согласно паспорта на двигатель;

3. Определяем величину активного и индуктивного сопротивления для алюминиевого кабеля марки ААБ сечением 3х70 мм2 на напряжение 6 кВ от шин подстанции 2РП-1 до трансформатора типа ТМ 320 кВА, значения сопротивлений берем из таблицы 2.5 [Л2.с 48].

Получаем значения сопротивлений Rв = 0,447 Ом/км и Хв = 0,08 Ом/км.

Эти сопротивления необходимо привести к стороне низшего напряжения трансформатора, так как двигатель подключен к сети низшего напряжения. Из таблицы 8 [Л1, с 93] для номинального коэффициента трансформации 6/0,4 кВ и ответвления 0% находим значение n=15.

4. Определяем активное и индуктивное сопротивление кабеля по отношению к сети низшего напряжения по формуле [Л1, с 13]:

• Rв и Хв – сопротивления сети со стороны высшего напряжения;
• n = 6/0,4 =15 – коэффициент трансформации понижающего трансформатора.

5. Определяем сопротивление кабеля длиной 850 м от подстанции 2РП-1 до трансформатора 6/0,4 кВ:

Rс = Rн*L = 0,002*0,85 = 0,0017 Ом;

Хс = Хн*L = 0,000355*0,85 = 0,0003 Ом;

6. Определяем сопротивление трансформатора мощностью 320 кВА, 6/0,4 кВ по таблице 7 [Л1, с 92,93].

Rт = 9,7*10 -3 = 0,0097 Ом;

Хт = 25,8*10 -3 = 0,0258 Ом;

7. Определяем сопротивления линии от шин подстанции 2РП-1 до шин низшего напряжения подстанции:

Rш = Rс + Rт = 0,0017 + 0,0097 = 0,0114 Ом;

Хш = Хс + Хт = 0,0003 + 0,0258 = 0,0261 Ом;

8. Определяем сопротивление кабеля длиной 80 м марки ААБ 3х95 мм2 от шин низшего напряжения до зажимов двигателя:

где:
R = 0,329 Ом/км и Х = 0,06 Ом/км -значения активных и реактивных сопротивлений кабеля определяем по таблице 2-5 [Л2.с 48].

9. Определяем суммарное сопротивление линии от подстанции 2РП-1 до зажимов двигателя:

Rд = Rш + R1 = 0,0114 + 0,026 = 0,0374 Ом;

Хд = Хш + Х1 = 0,0261 + 0,0048 = 0,0309 Ом;

Если выполняется отношение Rд/ Хд = 0,0374/0,0309 = 1,21

где:
cosφ = 0,3 и sinφ = 0,95 средние значения коэффициентов мощности при пуске двигателя, принимаются при отсутствии технических данных, согласно [Л1. с. 16].

11. Определяем напряжение на зажимах двигателя Д1 по формуле [Л1, с 14]:

• U*ш = Uш/Uн = 380/380 =1 – относительное напряжение на шинах распределительного пункта, во многих случаях его можно принять равным 1;
• Iп – пусковой ток двигателя;

12. Проверяем сможет ли двигатель Д1 развернуть присоединяемый механизм нанос центробежный 1Д315-71а:

• m_п=Мпуск/Мном = 1,2 – кратность пускового момента электродвигателя при номинальном напряжении на его клеммах (выбирается по каталогу на двигатель);
• m_п.мех — требуемая кратность пускового момента приводимого механизма, выбирается по таблице 4 [Л1, с 88], для центробежного насоса равно 0,3;

12.1 Коэффициент загрузки определяем как отношение номинальной мощности, необходимой для нормальной работы механизма в данном случае нанос центробежный 1Д315-71а Рн.мех. = 80 кВт, к номинальной мощности двигателя 90 кВт:

Как мы видим условие выполняется и двигатель при пуске сможет развернуть присоединенный к нему центробежный насос в нормальных условиях без перегрева своих обмоток выше температуры, допустимой по нормам.

13. Определяем влияние пуска двигателя Д1 на работу присоединенного к шинам 0,4 кВ двигателя Д2 типа 4А250S2 У3, найдем величину колебания напряжения на шинах 0,4 кВ по формуле:

13.1 Определяем коэффициент Аш по формуле:

14. В момент пуска двигателя Д1 на зажимах работающего двигателя Д2 относительное напряжение согласно [Л1, с15] уменьшиться на величину колебания напряжения δU*Ш , откуда получаем:

где:
U_*Д2 = U_Д2/Uн = 365/380 = 0,96 – относительное напряжение на зажимах двигателя Д2 до пуска двигателя Д1.

15. Проверяем устойчивость работы двигателя Д2 при пуске двигателя Д1:

• m_п= Ммакс/Мн = 2,2 – кратность максимального момента (выбирается по каталогу на двигатель);
• m_п.мех — требуемая кратность пускового момента приводимого механизма, выбирается по таблице 4 [Л1, с 88], для центробежного насоса равно 0,3;

15.1 Коэффициент загрузки определяем как отношение номинальной мощности, необходимой для нормальной работы механизма в данном случае нанос центробежный 1Д200-90а Рн.мех. = 72 кВт, к номинальной мощности двигателя 75 кВт:

Как мы видим, устойчивость работы двигателя Д2 типа 1Д200-90а обеспечивается с большим запасом.

1. Как проверить возможность подключения к электрической сети двигателей с короткозамкнутым ротором. Карпов Ф.Ф. 1964 г.
2. Проектирование кабельных сетей и проводок. Хромченко Г.Е. 1980 г.

2. Пуск электродвигателей

2.1. Пуск асинхронного двигателя МА1.

2.1.1. Форма расчёта и расчётная схема к пуску асинхронного двигателя МА1.

Расчёт пусковых токов, напряжений и моментов выполнить в относительных единицах, [о.е.] при выбранных базисных условиях, то есть представить:

ЭДС источников напряжения в [о.е.];

сопротивления элементов схемы замещения в [о.е.];

пусковые токи в [о.е.];

напряжения в [о.е.];

Окончательно расчёт моментов двигателя и рабочего механизма представляем в относительных единицах, [о.е.] при номинальных условиях двигателя.

2.1.2. Независимо от принципиальной схемы СЭС расчётная схема системы электроснабжения представлена на рис. 2 выделенной частью в составе:

источника питания – электроэнергетической системы (ЭЭС);

высоковольтной сети от ЭЭС до шин ГРП или шин низкого напряжения ГПП;

двух высоковольтных двигателей, присоединённых к левой системе сборных шин ГРП или ГПП, один из которых синхронный двигатель MS1, а другой асинхронный двигатель MA1;

одного высоковольтного двигателя (по указанию преподавателя), присоединённого к правой системе сборных шин ГРП или ГПП, либо синхронного двигателя MS2, либо асинхронного двигатель MA2;

высоковольтных кабельных линий, осуществляющих питание высоковольтных двигателей.

Остальные элементы расчётной схемы СЭС отсутствуют.

2.1.3. Перечень выполняемых расчётов:

1). Определить расчётом остаточное напряжение на выводах двигателя в момент времени t = 0, то есть в момент времени пуска.

2). Проконтролировать возможность разворота двигателя традиционным способом [1, 2].

3). Наглядно показать возможность пуска посредством совмещения механической характеристики асинхронного двигателя с механической характеристикой рабочего механизма.

4). Определить время пуска двигателя совместно с рабочим механизмом.

5). Оценить степень влияния пуска асинхронного двигателя МА1 на устойчивую работу параллельно включённого синхронного двигателя MS1.

2.1.4. Определение остаточного напряжения на выводах двигателя в начальный момент времени t = 0. Определение возможность разворота двигателя.

Расчёт остаточного напряжения на выводах двигателя выполняем приближённо,

не учитывая дополнительное падение напряжения в сопротивлении ЭЭС ввиду его пренебрежимо малого значения по сравнению с падением напряжения создаваемым пусковым током асинхронным двигателем МА1 в сопротивлении трансформатора Т1 и линии ВЛ1. Так же не учитываем активные сопротивления элементов СЭС ввиду отсутствия фактического влияния на значение пускового тока.

Пуск асинхронного двигателя можно рассматривать, как трёхфазное КЗ за начальным значением сопротивления двигателя.

Схема замещения СЭС (используемая часть СЭС выделена красным цветом

на рис. 2) и значения параметров цепи пуска представлены на рис. 3.

Рис. 3. Схема замещения СЭС при пуске асинхронного двигателя МА1:

1 – сопротивление ЭЭС; 2 – сопротивление ВЛ1; 3 – сопротивление Т1; 4 – сопротивление КЛ2; 5 – сопротивление МА1; N, N – соответственно нейтральные точки источника питания и двигателя МА1

Значения параметров цепи пуска получены при следующих базисных условиях:

S_б = 100 МВА; U_б1 = 115 кВ; U_б2 = 10,5 кВ.

Значение полной мощности асинхронного двигателя МА1

Пусковой ток в относительных единицах при базисных условиях

Остаточное напряжение на выводах двигателя при базисных условиях

Остаточное напряжение на зажимах двигателя при номинальных условиях двигателя – U_н = 10 кВ и S_н = 3,633 МВА

Пусковой момент с учётом посадки

Пуск возможен и двигатель развернётся.

2.1.5. Наглядная демонстрация возможности пуска посредством совмещения механической характеристики асинхронного двигателя с механической характеристикой рабочего механизма приведены в Приложении А.

Определение времени пуска двигателя совместно с рабочим механизмом так же приведены в Приложении А.

2.2. Пуск синхронного двигателя МS1.

2.2.1. Форма расчёта и расчётная схема к пуску синхронного двигателя МS1.

Расчёт пусковых токов, напряжений и моментов выполнить в относительных единицах, [о.е.] при выбранных базисных условиях, то есть представить:

ЭДС источников напряжения в [о.е.];

сопротивления элементов схемы замещения в [о.е.];

пусковые токи в [о.е.];

напряжения в [о.е.];

Окончательно расчёт моментов двигателя и рабочего механизма представляем в относительных единицах, [о.е.] при номинальных условиях двигателя.

2.2.2. Независимо от принципиальной схемы СЭС расчётная схема системы электроснабжения представлена на рис. 4 выделенной частью в составе:

источника питания – электроэнергетической системы (ЭЭС);

высоковольтной сети от ЭЭС до шин ГРП или шин низкого напряжения ГПП;

двух высоковольтных двигателей, присоединённых к левой системе сборных шин ГРП или ГПП, один из которых синхронный двигатель MS1, а другой асинхронный двигатель MA1;

одного высоковольтного двигателя (по указанию преподавателя), присоединённого к правой системе сборных шин ГРП или ГПП, либо синхронного двигателя MS2, либо асинхронного двигатель MA2;

высоковольтных кабельных линий, осуществляющих питание высоковольтных двигателей.

Остальные элементы расчётной схемы СЭС отсутствуют.

2.2.3. Перечень выполняемых расчётов:

1). Определить расчётом остаточное напряжение на выводах двигателя в момент времени t = 0, то есть в момент времени пуска.

2). Проконтролировать возможность разворота двигателя традиционным способом [1, 2].

3). Наглядно показать возможность пуска посредством совмещения механической характеристики асинхронного момента синхронного двигателя с механической характеристикой рабочего механизма.

4). Определить время пуска двигателя совместно с рабочим механизмом.

5). Оценить степень влияния пуска синхронного двигателя МS1 на устойчивую работу параллельно включённого асинхронного двигателя MА1.

2.2.4. Определение остаточного напряжения на выводах двигателя в начальный момент времени t = 0. Определение возможность разворота двигателя.

Расчёт остаточного напряжения на выводах двигателя выполняем приближённо, не учитывая дополнительное падение напряжения в сопротивлении ЭЭС ввиду его пренебрежимо малого значения по сравнению с падением напряжения создаваемым пусковым током синхронным двигателем МS1 в сопротивлении трансформатора Т1 и линии ВЛ1. Так же не учитываем активные сопротивления элементов СЭС ввиду отсутствия фактического влияния на значение пускового тока.

Пуск синхронного двигателя можно рассматривать, как трёхфазное КЗ за начальным значением сопротивления двигателя.

Схема замещения СЭС (используемая часть СЭС выделена красным цветом

на рис. 4) и значения параметров цепи пуска представлены на рис. 5.

Рис. 5. Схема замещения СЭС при пуске синхронного двигателя МS1:

1 – сопротивление ЭЭС; 2 – сопротивление ВЛ1; 3 – сопротивление Т1; 4 – сопротивление КЛ2; 5 – сопротивление МS1; N, N – соответственно нейтральные точки источника питания и двигателя МS1

Значения параметров цепи пуска получены при следующих базисных условиях: S_б = 100 МВА; U_б1 = 115 кВ;

Значение полной мощности асинхронного двигателя МS1

Пусковой ток в относительных единицах при базисных условиях

Остаточное напряжение на выводах двигателя при базисных условиях

Остаточное напряжение на зажимах двигателя при номинальных условиях двигателя – U_н = 10 кВ и S_н = 5,698 МВА

Пусковой момент с учётом посадки

Двигатель развернётся, но это недостаточно для суждения об успешности пуска синхронного двигателя. Для турбодвигателя, к которому относится двигатель типа СТД–5000, существует необходимое условие успешности пуска – момент развиваемый двигателем в конце асинхронного этапа пуска должен превышать с некоторым запасом момент сопротивления рабочего механизма. В противном случае двигатель не войдёт в синхронизм.

2.1.5. Контроль необходимого условия и наглядная демонстрация возможности пуска посредством совмещения механической характеристики синхронного двигателя с механической характеристикой рабочего механизма приведены в Приложении Б.

Определение времени пуска двигателя совместно с рабочим механизмом так же приведены в Приложении Б.

Устройства плавного пуска ОВЕН УПП1 и УПП2

Сразу после запуска двигателя крутящий момент может достигать 150–200 %, а ток – 600–800 % от номинального, из-за чего в местной электросети могут возникать провалы и просадки напряжения. Для ограничения пускового момента, обеспечения плавного пуска и торможения асинхронных двигателей компания ОВЕН разработала серию устройств плавного пуска – УПП. Устройства предназначены для легкого и нормального режимов пуска и должны применяться совместно с устройствами защиты двигателя. Снижение пускового тока позволяет использовать пускатели и предохранители меньших номиналов.

Устройство УПП обеспечивает бесступенчатый, плавный разгон и останов электродвигателя методом плавного нарастания/спада напряжения в течение заданного времени. Плавный пуск положительно влияет на функционирование системы и предотвращает различные негативные проявления: удары шестеренок редукторов, проскальзывание клиновидных ремней, гидравлические удары трубопроводов, колебания в конвейерных системах и т. д.

Компания ОВЕН выпускает компактные устройства УПП1 (3, 15, 25 А) и общепромышленного назначения УПП2 (18-200 А).

Рис. 1. Диаграмма работы УПП1

Компактные устройства плавного пуска ОВЕН УПП1

Устройства линейки ОВЕН УПП1 предназначены для плавного пуска и остановки трехфазных двигателей переменного тока мощностью до 11 кВт. Важнейшей функцией УПП1 является импульсный старт – возможность подачи на двигатель полного напряжения на краткое время (до 200 мс) для создания необходимого пускового момента (рис. 1). Универсальное управляющее напряжение позволяет организовать команду запуска/останова как с прибора автоматики (24 В), так и от сети 220 или 380 В. Основные технические характеристики ОВЕН УПП1 приведены в табл. 1, 3.

Рис. 2. Диаграмма работы УПП2

Простая и надежная схемотехника УПП1 обеспечивает неограниченное количество запусков в час, что особо важно при частых запусках двигателя. Простая настройка УПП1 осуществляется с помощью трех поворотных переключателей, определяющих пусковой момент, время разгона и время замедления.

Компактный корпус позволяет устанавливать УПП1 в шкафы автоматики в качестве замены обычных контакторов. Основными объектами применения УПП1 являются небольшие (до 11 кВт)

приводы: конвейеры, мешалки, небольшие насосы и компрессоры.

Общепромышленные устройства плавного пуска ОВЕН УПП2

Устройства плавного пуска УПП2 предназначены для управления пуском и остановкой электродвигателя мощностью до 110 кВт в режиме плавного нарастания напряжения и используются с внешним устройством защиты электродвигателя.

Рис. 3. Минимизирование механического износа
оборудования

УПП2 имеет встроенный байпасный контактор, который после выхода на номинальную частоту вращения двигателя перебрасывает питание напрямую на сеть. Такая схема позволяет увеличить КПД системы и снизить нагрев тиристоров УПП2. Она востребована в применениях с редкими запусками и продолжительным временем работы на номинальной частоте (большинство насосов, вентиляторов и компрессоров). Встроенные шунтирующие контакты УПП2 уменьшают потери мощности, тем самым улучшается энергоэффективность работы всей установки и обеспечивается повышенная эксплуатационная надежность оборудования.

Отличительной особенностью линейки УПП2 является климатическое исполнение – допускается работа в условиях от -10 до +50 °С без снижения допустимых выходных токов. Основные технические характеристики УПП2 приведены в табл. 2, 3.

Применение ОВЕН УПП

Устройство плавного пуска ОВЕН представляет собой простое и экономичное решение для применения в целом ряде отраслей, а также для замены пусковых сборок по схеме «звезда-треугольник». УПП позволит избежать гидроудара в системах водоснабжения, гарантировать длительный срок службы насосного оборудования и минимизировать механический износ оборудования (рис. 3). Благодаря низкому уровню шума их можно использовать в жилых и офисных зданиях с насосами, конвейерами и вентиляторами.

Рис. 4. Плавный пуск скважинного насоса

УПП применяются на станциях первого подъема для плавного пуска скважинного насоса при перекачивании воды из скважины в емкость, то есть при дискретном управлении без изменения частоты вращения двигателя насоса. В данном применении УПП выступает как бюджетная альтернатива преобразователю частоты, позволяющая безопасно, без бросков тока и гидроударов осуществить пуск и останов насоса (рис. 4).

На повысительных насосных станциях (ПНС) при недостаточном напоре в системе центрального водоснабжения ПЧВ стабилизирует давление в напорном коллекторе, управляет повысительным насосом и поддерживает установленное давление в системе. УПП может устанавливаться вместе с ПЧВ для плавного пуска дополнительных насосов (рис. 5) или рассматриваться как альтернатива ПЧВ в случае, если регулировка частоты вращения насоса невозможна или нежелательна.

Рис. 5. Плавный пуск дополнительных насосов

Основная задача системы дымоудаления – обеспечение условий безопасной эвакуации людей в случае возникновения пожара. Учитывая, что в системе дымоудаления используются вентиляторы значительной мощности, при пусках и остановах напрямую от сети могут возникать просадки напряжения (рис. 6). УПП снизит пусковой ток, превышающий номинальный в 7-8 раз.

Таблица 1. Электрические характеристики ОВЕН УПП1