7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СОВРЕМЕННЫХ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ

Ббльшая часть рабочих машин в нефтегазовой промыш­ленности в настоящее время оснащена нерегулируемыми электроприводами с асинхронными и синхронными электро­двигателями. Регулирование производительности перекачи­вающих агрегатов осуществляется дискретно изменением их числа и плавно — весьма неэффективным способом — дрос­селированием с помощью задвижек.

Последний способ связан с повышенным энергопотребле­нием, невысокой точностью регулирования технологических параметров, а также с повышенным износом электрического, механического и гидравлического оборудования. Прямые пуски двигателей большой мощности вызывают ударные на­грузки в передаточных механизмах, недопустимые провалы напряжения в системах электроснабжения.

Низкий уровень использования регулируемых электро­приводов в нефтегазовой промышленности объясняется, с одной стороны, отсутствием до последнего времени надеж­ных преобразователей частоты (ПЧ), пригодных для тяжелых условий эксплуатации, а с другой — существовавшей в 1980-х годах ценовой политикой на энергоносители. В связи с по­стоянным увеличением стоимости электроэнергии, ростом цен на сооружение линий электропередачи при освоении но­вых месторождений и наметившейся тенденцией перехода на автономные источники электроснабжения технологических установок нефтегазовой промышленности становится эконо­мически и технически целесообразным применение регули­руемых электроприводов.

Первые попытки создания регулируемого электропривода в установках транспорта газа были осуществлены для двига­теля СДЗС-4500-1500. Однако использованные для ПЧ полу­проводники (традиционные тиристоры) оказались недоста­точно надежны, конструкция системы управления сущест - иг'нно усложняла эксплуатацию и снижала надежность элек - I ропривода.

Появление полностью управляемых силовых полупровод­никовых приборов (IGBT, GCT, IGCT, GTO) с высокими зна - чениями параметров привело к радикальным изменениям в с хемотехнике устройств силовой электроники, что позволило создавать частотно-регулируемые электроприводы большой (десятки МВт) мощности. Появились объективные возможно­сти создания малогабаритных, простых и надежных в экс­плуатации ПЧ с высокими значениями КПД и коэффициента мощности.

Частотно-регулируемый электропривод обеспечивает: плавный пуск;

длительную работу в заданном диапазоне изменения ско­рости и нагрузки;

реверсирование, торможение и останов; защиту электрического и механического оборудования от (Шарийных режимов.

Частотно-регулируемый электропривод является не только устройством экономичного преобразования электрической энергии в механическую, но и эффективным средством управления технологическим процессом, в том числе в замк­нутых системах автоматического управления в составе раз­личных автоматизированных систем управления технологиче - ( кими процессами (АСУ ТП).

Эффективность применения частотно-регулируемых элек­троприводов обусловлена:

высокими энергетическими показателями; гибкой настройкой программными средствами параметров и режимов работы электропривода;

развитым интерфейсом и приспосабливаемостью к раз­личным системам управления и автоматизации, в том числе имсокого уровня;

простотой и удобством управления и обслуживания в экс­плуатации;

высоким качеством статических и динамических характе­ристик, обеспечивающих высокую производительность управляемых машин.

Оптимальная по энергетическим показателям, а также по регулировочным и механическим характеристикам структура современного частотно-регулируемого электропривода с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором вклю­чает в себя ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока (рис. 7.1), состоящий из выпрямителя с индуктивно­емкостным фильтром постоянного напряжения и автономно­го инвертора напряжения, построенного на силовых транзи­сторах IGBT. Инвертор формирует основную гармонику вы­ходного напряжения ПЧ методом ШИМ.

Регулируемый электропривод, силовая часть которого ба­зируется на указанной структуре, обладает следующими преимуществами:

широким диапазоном регулирования скорости (D = = 30+60) ;

высоким значением КПД (без учета двигателя он достигает 0,98);

высоким значением коэффициента мощности (до 0,98);

высокой надежностью и малыми габаритами преобразова­теля;

легким обеспечением электромагнитной совместимости электропривода с источником питания и другими потребите­лями электрической энергии.

При регулировании скорости электропривода частота и напряжение на выходе ПЧ изменяются взаимосвязано в со­ответствии с требуемым соотношением, Изменяя частоту, можно плавно в широких пределах регулировать скорость вращения ротора двигателя. При этом скольжение асинхрон­ного двигателя в процессе регулирования при заданном зна­чении нагрузки изменяется незначительно, а следовательно,

В Ф АИН Рис. 7.1. Частотно-регулируемый электропривод с асинхронным коротко - замкнутым двигателем: В — выпрямитель: Ф — фильтр; АИН — автономный IGBT-инвертор напря­жения; УУП — устройство управления преобразователем частоты; М — двигатель

потери в цепи ротора, пропорциональные скольжению, также и шеняются незначительно, что обеспечивает энергосбере­жение.

В настоящее время выпуск частотно-регулируемых элек­троприводов осуществляют десятки различных фирм во мно­гих странах. К их числу можно отнести: АВВ (Швейцария), «General Electric» (США), «Siemens» (Германия), «Schneider l. lectric» (Франция), «Mitsubishi» (Япония), «Hitachi» (Япония), «Триол» (Россия) и др.

Несмотря на то что ПЧ различных фирм отличаются ти­пами применяемых силовых полупроводниковых приборов, исполнением, видами защит и другим, следует отметить об­щие принципы построения современных частотно-регулируе­мых электроприводов. Отметим некоторые из них:

1. Силовая часть — преобразователь частоты состоит из пыпрямителя, фильтра постоянного напряжения и IGBT-, (.JCT - или IGCT-инвертора с модулем торможения в звене постоянного напряжения. Для снижения уровня радиопомех (кондуктивных — распространяющихся по проводам) на вхо­де ПЧ может включаться блок входного фильтра; для ограни­чения перенапряжений на зажимах приводного двигателя и защиты изоляции его обмоток от пробоя и ускоренного ста­рения на зажимы двигателя включается блок выходного фильтра.

2. Система управления — микропроцессорная, формирует сигналы управления инвертором согласно алгоритму, позво­ляющему максимально использовать напряжение источника с минимальными искажениями формы выходного напряжения, обеспечивая при этом:

автоматическое определение параметров подключенного двигателя;

самотестирование двигателя и технологических датчиков;

индикацию состояния двигателя дискретными сигна­лами;

цифровую индикацию на встроенном жидкокристалличе­ском дисплее:

— текущих значений переменных электропривода: задан­ного и(или) фактического значения скорости, заданного и(или) фактического значения параметра, например, давле­ния, на выходе насоса (компрессора), тока статора двигателя, напряжения сети, потребляемой мощности и др.;

— параметров регулятора и способа ввода задания, на­чального направления вращения, времени разгона и тормо­жения, максимального и минимального значений выходной частоты, пропорционального, интегрального и дифференци­ального коэффициентов ПИД-регулятора и др.;

— значений уставок защиты (максимально-токовой, время - токовой и температурной двигателя, параметров частотно­токового ограничения, температурной преобразователя);

— просмотр и изменение параметров двигателя и регуля­тора со встроенного пульта управления при вводе пароля доступа к режиму программирования.

Указанные функции выполняются с помощью специали­зированного по архитектуре под задачи управления электро­приводом быстродействующего сигнального процессора (DSP).

Управление электроприводом может быть: местным со встроенного пульта управления, дистанционное с дистанци­онного пульта управления, дистанционное от внешней АСУ или персонального компьютера по каналам последовательной связи, интерфейс RS485.

Для приема управляющих и задающих сигналов электро­привод может содержать:

аналоговые входы в стандарте 0—10 В (0 — 5 В), 0 —±10 В (О —±5 В);

аналоговые входы с гальванической развязкой в стандарте 4 — 20 мА;

дискретные входы с гальванической развязкой.

Для управления внешними устройствами электропривод может содержать релейные и аналоговые выходы. Назначе­ния цифровых входов и выходов могут быть перепрограмми­рованы. Предусматривается также возможность увеличения числа входов(выходов) с помощью дополнительных встраи­ваемых субмодулей расширения.

3. Система защит электропривода может включать защи­ты от:

токов недопустимой перегрузки и короткого замыкания; замыкания на «землю»; обрыва фазы;

перенапряжений на силовых элементах схемы; недопустимых отклонений и исчезновения напряжения питающей сети;

недопустимого перегрева силовых элементов схемы; неисправностей и сбоев системы управления; недопустимых отклонений технологического параметра и др.

Кроме того, могут быть предусмотрены режимы ограниче­ния максимальной и минимальной мощности электропривода, минимальной и максимальной рабочей частоты и других па­раметров.

4. Система сигнализации электропривода сообщает о:

наличии напряжения питающей сети;

включенном (отключенном) состоянии;

аварийном отключении и др.

Дополнительная информация о состоянии электропривода выводится на дисплей пульта управления в виде текстовых сообщений или кодов.

Для получения высокого качества управления электропри­водом в статических и динамических режимах в широком диапазоне регулирования скорости, в том числе в области нулевых скоростей, необходимо иметь возможность быстрого непосредственного управления моментом электродвигателя.

Современные средства микропроцессорной техники по­зволяют формировать сложные законы управления асин­хронным двигателем, близкие по качеству регулирования мо­мента, скорости и других величин к электроприводам с дви­гателями постоянного тока. Это становится возможным, если раздельно воздействовать на две составляющие статорного тока асинхронного двигателя: намагничивающую, опреде­ляющую значение магнитного потока двигателя, и ортого­нальную ей составляющую тока, определяющую момент дви­гателя.

Такое векторное представление составляющих тока для каждой фазы двигателя получило название векторного управления. Иными словами, в асинхронном двигателе необ­ходимо обеспечить управление как амплитудой, так и фазой тока статора, т. е. оперировать векторными величинами, чем и обусловлен термин векторное управление. Синонимами дан­ного термина, отражающими некоторое различие используе­мых методов измерения параметров и управления их фазой, являются: «управление полем», «ориентация поля», «прямое управление моментом», «регуляторы угла».

Основным узлом векторного управления является преоб­разователь сигналов задания магнитного потока и момента в сигналы задания токов для фаз двигателя. В системах мик­ропроцессорного управления асинхронным двигателем эта чадача решается программными средствами.

По соображениям универсальности и массового выпуска ббльшая часть фирм производит частотно-регулируемые ■электроприводы с возможностью реализации для них век­торного управления, применение которого целесообразно для электроприводов, работающих в динамических режимах.

Для электроприводов рабочих машин с редкими пуска­ми продолжительного режима работы со спокойной нагруз­кой векторное управление является функционально избы­точным.

В современных частотно-регулируемых электроприводах заложены следующие принципы структурно-функциональ­ного построения:

блочно-модульная компоновка; комплектность поставки; компьютеризация;

наличие средств визуализации процесса; развитая система диагностики;

встроенный ПИД-регулятор контролируемого параметра электропривода или технологического процесса;

автоматическая компенсация скольжения, основанная на увеличении частоты на выходе ПЧ по сравнению с заданной частотой;

компенсация падения напряжения на активном сопротив­лении цепи статора двигателя (IR компенсация), применяемая для электроприводов рабочих машин с постоянным моментом сопротивления;

плавный пуск (торможение) по линейному, S или U-зако- нам во времени с программными средствами настройки про­должительности пуска (торможения), которые обеспечивают плавный (без рывков в начальной и конечной точках) разгон (торможение) электропривода;

возможность блокировки 2- или 3-х частот механического резонанса;

защита от блокировки ротора;

возможность реализации различных законов взаимосвя­занного регулирования напряжения и частоты на выходе ПЧ, наиболее полно отвечающих требованиям конкретной рабо­чей машины с целью достижения наилучшего энергосбере­гающего режима;

возможность программными средствами выбора режимов работы с нормальным или увеличенным моментом (для рабо­чих машин с повышенными требованиями к перегрузочной способности);

многоскоростной режим, заключающийся в наличии большого количества уставок скорости, который использует­ся, если по условиям технологического процесса требуется несколько фиксированных скоростей электропривода;

автоматический самозапуск электропривода после кратко­временного исчезновения напряжения сети;

предотвращение опрокидывания ротора, заключающееся в іом, что если при разгоне (торможении) электропривода за­дано слишком большое ускорение (замедление), а мощность 114 недостаточна, то автоматически увеличится время пуска (торможения);

определение скорости (подхват на ходу) используется, ес­ли команда на пуск подается при вращающемся двигателе. Для предотвращения больших пусковых токов в этом случае используется функция поиска скорости. Преобразователь частоты в этом случае определяет скорость электродвигателя и начинает пуск не с нуля, а с требуемой скорости. Функция. іктуальна для электроприводов с большим моментом инер­ции;

наличие встроенных систем учета потребляемой электро- >нергии и израсходованного моторесурса;

возможность быстрого копирования параметров настройки члектропривода с одного ПЧ на другой;

автоматический энергосберегающий режим; обеспечение малошумной работы электродвигателя за счет реализации специального метода ШИМ-модуляции;

выполнение функций регулирования параметров техноло­гического процесса (давления, расхода и др.), исполнитель­ным органом которого служит частотно-регулируемый элек­тропривод;

возможность встраивания в системы автоматизации верх­него уровня;

технологические защиты, например, при блокировке посторонними предметами трубопровода, сухом ходе насоса и др.;

наличие до четырех независимых наборов параметров, ак­тивизируемых программно или аппаратно для различных применений и при изменении внешних условий функциони­рования электропривода;

возможность выбора разных языков диалога (русского, английского, немецкого и др.).

В отдельных исполнениях ПЧ может оснащаться програм­мируемым устройством релейной автоматики, обеспечиваю­щим возможность автоматизации сложных многоагрегатных установок и технологических комплексов.

Для гибкой настройки частотно-регулируемых электро­приводов к конкретным объектам применения предусматри­ваются дополнительные модули (опции), расширяющие воз­можность базового исполнения. Все опции можно разделить на внутренние и внешние. К внутренним относят: различные

коммуникационные модули, обеспечивающие возмож­ность подключения ПЧ к информационным сетям; платы расширения, с помощью которых увеличивается число дис­кретных и аналоговых входов и выходов; платы обратных связей по параметрам электропривода и технологических процессов. К внешним опциям относят: дроссели, служащие для улучшения гармонического состава тока и напряжения; фильтры для обеспечения требований к электромагнитной совместимости, тормозные модули с тормозными резистора­ми и др.

Основные направления дальнейшего совершенствования частотно-регулируемых электроприводов:

расширение диапазона выходной регулируемой частоты с целью создания быстроходных безредукторных систем элек­тропривода;

разработка программных макросов, предназначенных для встраивания электропривода в специфические технологиче­ские процессы (управление многонасосной станцией, много­двигательным электроприводом, грузоподъемным механизмом И др.);

расширение коммуникационных возможностей для встраивания электропривода в локальные информационно - управляющие системы, АСУ ТП и другие сложные автомати­зированные системы;

улучшение гармонического состава и повышение электро­магнитной совместимости с сетью;

совершенствование процедуры гибкой и адаптивной на­стройки характеристик U/f с целью достижения наилучшего энергосберегающего режима;

обеспечение режима адаптации к изменению параметров электромеханической системы с целью компенсации измене­ний активных сопротивлений двигателя, момента инерции и нагрузки на характеристики электропривода;

снижение габаритов, повышение надежности и др.

В настоящее время в частотно-регулируемых электропри­водах мощностью до 1 МВт используются IGBT-инверторы, а в электроприводах большей мощности GTO-, GCT - или IGCT-инверторы.

Однако с увеличением параметров IGBT-транзисто- ров мощности ПЧ, выполненных на их базе, и соответствен­но частотно-регулируемых электроприводов будут воз­растать.