Сопряжение цифровых регуляторов возбуждения "АНИКРОН" с ЧРП
Аннотация: Рассматривается вопрос сопряжения цифровых регуляторов возбуждения "АНИКРОН" производства ООО НПО "Цифровые регуляторы" с системами частотно-регулируемого привода синхронного двигателя.
Ключевые слова: частотно-регулируемый привод, синхронный двигатель, АНИКРОН
Введение
С начала 2010-х годов в России всё больше возрастает интерес к внедрению частотно-регулируемого привода (ЧРП) для электродвигателей высокой мощности, то есть к реализации системы управления частотой вращения ротора больших электрических машин.
Интерес, в первую очередь, вызван развитием и совершенствованием современных полупроводниковых элементов и микропроцессорных схем управления. Развитие этих технологий позволяет с относительно небольшими затратами осуществить оптимизацию в системах, энергопотребление которых можно уменьшить динамическим изменением частоты вращения. Также применение ЧРП предоставляет возможность уменьшить износ технологического оборудования, обеспечивая щадящие условия пусков агрегатов в работу.
Двигатели переменного тока, с которыми возможна работа преобразователи частоты, разделяются на два основных типа: асинхронные (АД) и синхронные (СД). Регуляторы возбуждения "АНИКРОН" (РВ) в базовом режиме осуществляют управление током ротора (возбуждением) синхронных машин без участия ЧРП, когда статор электродвигателя подключен непосредственно к сети промышленной частоты. При таком режиме работы СД имеет ряд преимуществ перед АД:
- независимость частоты вращения от механической нагрузки на валу;
- высокий КПД, ощутимый для мощных машин;
- возможность компенсации реактивной мощности;
- меньшая чувствительность к колебаниям питающего напряжения.
К недостаткам СД можно отнести большую по сравнению с АД конструктивную сложность, подразумевающую наличие регулятора возбуждения и дополнительные элементы в конструкции цепи ротора.
Не смотря на функциональную достаточность системы синхронного электродвигателя и возбудителя, в последнее время на волне стремительного развития ЧРП началось повсеместное использование синхронных машин с частотно-регулируемым приводом.
Применение частотно-регулируемого привода с синхронными машинами
При регулировании вращения вала вблизи номинальных частот применение ЧРП совместно с СД нецелесообразно, поскольку все достоинства синхронной машины при этом исчезают, а недостатки остаются. В этом случае предпочтительнее использовать АД и закладывать его в качестве электропривода еще на этапе проектирования.
Сопряжение ЧРП с СД имеет смысл в случае необходимости регулировки частоты в широком диапазоне, либо при наличии существующего синхронного двигателя, замена которого на асинхронный нежелательна. Также дополнительным плюсом применения частотного привода с СД является возможность ограничения стартовых токов электродвигателя.
Ограничение пусковых токов
Одним из основных методов разгона СД является метод асинхронного пуска. При этом синхронный двигатель пускают в ход как асинхронный, для чего его ротор снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу беличьей клетки.
Конструктивное исполнение подавляющего большинства современных синхронных двигателей большой мощности предусматривает такой вариант запуска двигателя, как один их основных. Недостатки асинхронного запуска – высокие пусковые токи и повышенные требования к качеству питающей сети.
Для уменьшения пусковых токов и нагрузки на сеть используются различные системы плавного пуска (ПП), такие как: ЧРП, системы с реакторным пуском, токоограничивающие системы ПП и др.
Применение ЧРП исключительно для этих целей избыточно, тем не менее такое решение позволяет осуществлять запуск двигателя в синхронном режиме без высокой импульсной нагрузки на питающую сеть, однако, как и любая другая система ПП, существенно увеличивает время разгона двигателя до входа в синхронный режим работы.
Регулирование частоты вращения ротора
Для ряда технологических процессов необходима возможность точного регулирования частоты вращения ротора электропривода. Использование ЧРП дает возможность управлять частотой вращения ротора в широком диапазоне.
Однако следует помнить, что в применении к синхронным двигателям большой мощности частотное регулирование применимо только для приводов с малой инерцией (например, некоторых типов вентиляторов). Такие ограничения обусловлены конструкцией синхронных машин, допускающей только плавное изменение момента инерции приводного механизма без риска выпадения двигателя из синхронизма.
Кроме того, значительное уменьшение частоты вращения для ряда механизмов (например, многих типов насосов) приводит к значительному ухудшению эксплуатационных свойств, что также накладывает серьезные ограничения на использование частотно-регулируемого привода с СД.
Сопряжение цифровых регуляторов возбуждения "АНИКРОН" с ЧРП
ООО НПО «Цифровые регуляторы» уже более 17 лет разрабатывает и выпускает цифровые регуляторы возбуждения синхронных двигателей. Более 2500 РВ эксплуатируются на разнообразных объектах по всей стране и за пределами РФ. Широкая линейка производимых РВ подходит для щеточных и бесщеточных СД большой мощности, реализованы различные варианты климатического и функционального исполнения, обеспечено сопряжение со всеми существующими системами ПП и ЧРП.
Гибкость конструкции и вариативность исполнения позволяет подобрать комплектацию под нужды заказчиков, в кратчайшие сроки разработать и реализовать сопряжение с появляющимися новыми системами внешнего управления. Применение современных методов регулирования и комплексных алгоритмов позволяет интегрировать наши РВ для работы во всевозможных технологических линиях — нефтеперекачка, нефтепереработка, работа компрессоров, мельниц, дробилок и рубильных машин и многое другое.
В базовом режиме цифровой регулятор возбуждения "АНИКРОН" обеспечивает прямой пуск и работу СД при работе от промышленной сети.
При работе СД в режиме ЧРП регулятор возбуждения работает в качестве источника тока возбуждения с внешним управлением от ЧРП, а собственные алгоритмы автоматического регулирования при этом блокированы. Связь с ЧРП осуществляется посредством управляющих дискретных сигналов и отдельного канала задания величины тока возбуждения (Таблица 1). Принципиальная схема взаимодействия ЧРП с РВ "АНИКРОН" представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема организации взаимодействия РВ "АНИКРОН" с ЧРП
Таблица 1. Сигналы связи ЧРП и РВ "АНИКРОН"
В настоящее время не существует общепринятого стандарта по организации канала задания тока возбуждения СД. Разные производители систем ПП и ЧРП могут использовать различные подходы для его организации, такие как:
- широтно-импульсная модуляция;
- частотная модуляция;
- токовая петля 0-20 мА или 4-20 мА;
- ModBus RTU, ModBus TCP/IP;
- Ethernet TCP/IP.
Программные и аппаратные средства РВ "АНИКРОН" позволяют осуществлять управление током возбуждения по любому из этих методов внешнего управления. В режиме внешнего управления "АНИКРОН" принимает от ЧРП дискретный сигнал о включении режима внешнего управления, выдает в ЧРП сигнал готовности РВ к работе. Сигнал готовности включается в общую схему готовности ЧРП. При наличии общей готовности по команде от ЧРП "Подать возбуждение" РВ возбуждает обмотки ротора, величина тока возбуждения при этом устанавливается на величину задания. Масштаб диапазона задания может быть установлен и изменен в зависимости от нужд конкретного заказчика. Переключение между режимами ЧРП и работой от промышленной сети происходит автоматически по сигналу от повторителя положения вакуумного выключателя (ВВ) основной высоковольтной ячейки. При этом приоритетным является сигнал от ВВ.
Сигналы телеметрии РВ "АНИКРОН" могут непрерывно выдаваться для приема системами КИП и АСУ и для обратной связи с ПП и ЧРП. Непрерывная система выдачи сигналов телеметрии реализована по трем независимо настраиваемым токовым петлям, по каналам ModBus, Ethernet. Данные телеметрии постоянно записываются встроенным осциллографом РВ "АНИКРОН", в любой момент (в том числе при нахождении РВ в работе) могут быть выгружены на любой USB-носитель и использованы для анализа рабочих характеристик и аварий привода.
Наиболее перспективным направлением является использование каналов ModBus RTU, Modbus TCP/IP, когда все взаимодействие происходит по каналу (или каналам) связи RS485, RS232, а также Ethernet TCP/IP.
Переоснащение РВ "АНИКРОН", находящихся в эксплуатации, для сопряжения с системами ПП и ЧРП доступно для любых моделей вне зависимости от комплектации, модификаций и года выпуска, что позволяет существенно снизить затраты заказчиков на модернизацию технологических линий.
Выводы
Цифровые регуляторы возбуждения "АНИКРОН" производства ООО НПО "Цифровые регуляторы" представляют собой готовое, отработанное и обладающее высокой степенью надежности серийно выпускаемое изделие российского производства, позволяющее обеспечить сопряжение и работу с любыми системами ЧРП в составе привода для применения в технологических процессах любой сложности.
П. О. Глотов, ведущий инженер,
Д.С. Мельников, заместитель начальника отдела эксплуатации