Процесс пуска асинхронного электродвигателя был и остается наиболее ответственным режимом работы электродвигателя, в большей мере определяет его ресурс и ресурс работы электропривода в целом. Это особенно актуально для приводов с нормальными и тяжелыми условиями пуска (вентиляторов, эксгаустеров, насосов), где кратность токов перегрузки достигает максимальных величин. Достижения в области плавного пуска асинхронных электродвигателей как частотным, так и фазовым методами столь впечатляющи, что необходимость плавного пуска не вызывает уже никакого сомнения у большинства потребителей, но вопросы, связанные с применением пусковых устройств, остаются.
Преимущества плавного пуска, в сравнении с прямым, хорошо известны, вот основные: уменьшаются значения пусковых токов до 1,5-3 кратного значения и, как следствие, снижается риск механического разрушения привода и вала двигателя, уменьшаются электромеханические усилия в обмотках электродвигателя, пуск электропривода на открытую задвижку практически не отличается от пуска на закрытую задвижку.
Сравнивая частотный метод пуска с фазовым, можно выделить преимущества первого: возможность разгона электропривода по любому алгоритму и возможность регулирования оборотов электродвигателя и, следовательно, технологического процесса, который этот электродвигатель обслуживает. Вместе тем при массовом внедрении частотных электроприводов потребитель начинает сталкиваться с негативными явлениями работы преобразователя: появлением гармонических составляющих на стороне двигателя (в основном) и на стороне сети. Это связано с несовершенством или, чаще всего, с отсутствием вообще фильтрокомпенсирующих устройств из-за их высокой стоимости. К недостаткам преобразователей относятся высокая стоимость самих преобразователей, сложность технического решения, большие потери от прямого падения напряжения на силовых элементах, необходимость выполнения рекомендаций производителей по снижению загрузки по мощности и необходимость выбора мощности пускового устройства соизмеримой с мощностью электропривода.
В условиях реструктуризации производства в ОАО «ММК» образовался резерв трансформаторного оборудования, тиристорных преобразователей и возбудителей постоянного тока. В этих условиях имеется возможность использования освобождающегося из эксплуатации оборудования для создания трансформаторно-тиристорных и трансформаторных пусковых устройств. С этой целью были разработаны различные варианты построения ПУ на основе трансформаторов [1, 2]. Один из вариантов построения такого устройства показан на рис. 1.
Рис. 1. Схема трансформаторного-тиристорного пускового устройства
Перевод трансформатора в режим короткого замыкания приведёт к снижению напряжения на его первичных обмотках и одновременному снижению напряжения на двигателе. По окончании разгона ток двигателя снижается, а напряжение на его обмотках достигает номинального значения.
Напряжение на первичных обмотках трансформатора определяется только падением напряжения на их сопротивлениях.
Сказанное удобно пояснить схемой замещения на рис. 2. В этой схеме трансформатор и двигатель представлены классическими Т-образными схемами замещения.
Очевидно, что характеристики пускового устройства определяются главным образом характеристиками трансформатора. Проведем оценку выбора трансформатора для пускового устройства.
В качестве трансформаторного пускового устройства используем трансформатор ТСЗИ-1,6. Двигатели выбраны типа 4А с синхронной частотой вращения 1500 об./мин,
номинальной мощностью как меньше так и больше, чем номинальная мощность используемого трансформатора.
Как видно из табл. 1, с увеличением мощности двигателя время пуска увеличивается, а начальное напряжение на нем уменьшается. Двигатель мощностью 11 кВт до номинальной скорости вращения разгонялся более 20 с, что по условиям эксплуатации недопустимо. При мощности двигателя меньше, чем мощность трансформатора, происходит незначительное снижение пускового тока. Характеристики переходного процесса пуска были сняты с помощью анализатора качества энергии HIOKI 3197, обработанные результаты специализированной программой в виде обобщенных векторов пускового тока с трансформаторным пусковым устройством и без него приведены на рис. 3.
Рис. 2. Схема замещения системы «Трансформаторный пускатель - асинхронный двигатель»
После реконструкции в цехах горно-обогатительного производства ОАО «ММК» имеются трансформаторы типа ТСЗВ-40 и ТСЗ-63. Для определения диапазона мощностей двигателей, на которые можно применять трансформаторы такого типа, выбраны: двигатель насоса типа МО 45 кВт и двигатель эксгаустера 4А 132 кВт. Результаты приведены в табл. 2.
Основной вывод проведенных исследований - целесообразно применять в качестве пускового устройства трансформаторы мощностью в 2-3 раза меньшей, чем мощность электропривода, а мощность преобразовательной установки снижается в 10 раз. Опыт применения подобных разработок в электроприводах напряжением до 1 кВ позволяет распространить предлагаемые пусковые устройства для пуска высоковольтных электроприводов.
Таблица 1
Сравнение пусковых характеристик двигателей с трансформатором ТСЗИ-1,6
|
Мощность двигателя, кВт |
Максимальное значение пускового тока при прямом пуске, А |
Время прямого пуска, с |
Максимальное значение пускового тока при трансформаторном пуске, А |
Время трансформаторного пуска, c |
Начальное напряжение на двигателе, В |
|
0,6 |
7,5 |
0,07 |
5,7 |
0,1 |
300 |
|
1,5 |
34 |
0,08 |
18 |
0,19 |
220 |
|
2,2 |
37 |
0,08 |
22 |
0,25 |
210 |
|
5,5 |
130 |
0,17 |
33 |
0,34 |
150 |
|
7,5 |
180 |
0,05 |
41 |
0,475 |
114 |
|
11 |
210 |
0,09 |
58 |
20 |
80 |
Рис. 3. Обобщенный вектор пускового тока двигателя 5,5 кВт
Таблица 2
Сравнение пусковых характеристик двигателей с трансформаторами ТСЗВ-40 и ТСЗ-63
|
Мощность двигателя, кВт |
Максимальное значение пускового тока при прямом пуске, А |
Время прямого пуска, с |
Максимальное значение пускового тока при трансформаторном пуске, А |
Время трансформаторного пуска, c |
Начальное напряжение на двигателе, В |
|
45 |
910 |
0,375 |
|||
|
тр-р 40 |
750 |
0,447 |
300 |
||
|
тр-р 63 |
820 |
0,54 |
320 |
||
|
132 |
2200 |
0,45 |
|||
|
тр-р 40 |
1000 |
1,5 |
190 |
||
|
тр-р 63 |
1450 |
1,15 |
205 |
По материалам НИР, выполняемой в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2012 годы» по контракту ГК НК- 66(7) № П232.
Рецензенты:
Цытович Л.И., д.т.н., профессор, зав. кафедрой ЭПА, ФГБОУ «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)» Минобрнауки, г. Челябинск;
Усынин Ю.С., д.т.н., профессор, ФГБОУ «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)» Минобрнауки, г. Челябинск.
Работа поступила в редакцию 05.10.2011.