Инженерный Центр «ЭНЭЛ» : Публикации

Главная > Публикации > Частотно-регулируемый асинхронный электропривод циркуляционных насосов энергетической установки

Частотно-регулируемый асинхронный электропривод циркуляционных насосов энергетической установки

Рассмотрены особенности и технические аспекты, связанные с разработкой и исследованием характеристик асинхронных частотно-регулируемых электроприводов главных циркуляционных насосов, обеспечивающих транспортировку жидкометаллического теплоносителя ядерной энергетической установки мощностью 25 МВт.

Надежность эксплуатации ядерных энергетических установок (ЯЭУ), их работоспособность в нормальных, переходных и аварийных режимах непосредственно зависят от качества транспортировки (циркуляции) теплоносителя, обеспечиваемой главными циркуляционными насосами (ГЦН) и их электроприводами [1]. Электроприводы ГЦН оказывают существенное влияние на регулирование параметров теплоносителя (подачи, напора, к.п.д.). К ним предъявляют повышенные требования по надежности, управляемости, необходимому быстродействию во всех режимах работы энергоустановки, и экономичности. Последнее требование означает, что электропривод должен обеспечивать как можно меньше снижение к.п.д. ГЦН. При применении в качестве теплоносителя жидкометаллического натрия для обеспечения изменения его расхода по первому и второму контурам реактора энергоустановки ГЦН должны оснащаться надежными и экономичными электроприводами с переменной (регулируемой) частотой вращения частотно-регулируемыми электроприводами (ЧРП).

Как известно, в отечественной и зарубежной практике довольно заметное использование получили электроприводы с регулируемой частотой вращения, применяемые главным образом, при транспортировке в реакторных установках жидкометаллического теплоносителя.

Так, например, ГЦН энергоблока БН-600 снабжены регулируемым электроприводом по схеме АВК [2], а для электронасосов реакторной установки Phenix (Франция) использован асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, регулируемый от преобразователя частоты [1].

Ниже рассмотрены основные результаты разработки и исследований электроприводов с регулируемой частотой вращения ГЦН энергоустановки мощностью 25 МВт.

Основные параметры и характеристики электроприводов.

При выборе варианта электропривода ГЦН в качестве базовых были сопоставлены электроприводы по схеме АВК и частотно-регулируемого асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. В основу сопоставления были положены требования к разрабатываемому оборудованию электроприводов и их параметрам [2].

Проведенный анализ показал, что вследствие определенных сложностей изготовления вертикального электродвигателя с фазным ротором, необходимости периодической замены щеток электродвигателя, возникновения значительных крутильных, колебаний в системе «насос-АВК», которые могут приводить к разрушению вала насосного агрегата [3], более целесообразно применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода.

Основные параметры частотно-регулируемых электроприводов ГЦН 1 и 2 контуров приведены в таблице 1.

Наименование параметра	Значение
Таблица 1
Наименование параметра	ГЦН 1 контура	ГЦН 2 контура
1. Номинальная мощность, кВт	160	110
2. Номинальное напряжение питающей сети, В	380 +10%, -15%
3. Номинальная частота напряжения питающей сети, Гц	50 ±2%
4. Ток, потребляемый от сети, А, не более	294	205
5. Номинальная частота вращения, об/мин	990	990
6. Рабочий диапазон частоты вращения, об/мин	150 - 990
7. Точность поддержания частоты вращения в разомкнутой системе регулирования, об/мин	±10

В состав разработанного электропривода входят: вертикальный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (АД), преобразователь частоты (ПЧ) на основе IGBT-автономного инвертора напряжения (АИН) с ШИМ и тахометрический комплекс с датчиками частоты вращения.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к регулируемым электроприводам ГЦН, относится обеспечение режима самозапуска при длительных перерывах электроснабжения (до 1,5 секунд), связанных с переключением с основного источника питания на резервный. Это требование усложняется наличием на валу насосного агрегата дополнительного маховика, увеличивающего момент инерции насосного агрегата в несколько раз по отношению к моменту инерции вала насоса и электродвигателя (для ГЦН 1 контура в 3,5 раза, для ГЦН 2 контура в 5,8 раза). Увеличенный момент инерции позволяет, с одной стороны, замедлить снижение частоты вращения агрегата и, соответственно, расхода теплоносителя через активную зону реактора при перерывах питания. В то же время значительно увеличиваются ударные моменты в механизмах при самозапуске насоса. В связи с этим система автоматического управления ЧРП должна реализовать специальный алгоритм управления самозапуском, обеспечивающий безударное подключение ПЧ к двигателю.

В соответствии с эксплуатационными режимами работы энергоустановки система управления ЧРП обеспечивает:
- плавный частотный пуск электроприводов с ГЦН с ограничением пускового тока на уровне, не превосходящем 1,1-1,2 номинального значения тока приводного асинхронного двигателя и допустимый темп изменения частоты вращения от 10 мин^-1 за секунду до максимально возможного;
- продолжительные режимы работы ЧРП с насосами первого и второго контуров на любой промежуточной частоте вращения в диапазоне регулирования D = 1:7. При этом поддержание частоты вращения на заданном уровне обеспечивается с отклонением не более ±10 мин^-1;
- торможение насосов по кривой их естественного выбега (без рекуперации энергии в сеть электроснабжения);
- ограничение максимальной частоты вращения при пуске ЧРП с ГЦН на уровне, не превосходящем номинальную частоту вращения электропривода 990 мин^-1;
- самозапуск электропривода после перерывов электроснабжения длительностью 1.5с с последующим восстановлением питающего напряжения от 65 до 100% номинального значения. При этом задержка разгона электропривода после восстановления напряжения до 80% номинального значения должна быть минимальной и не превышает 0.5с.

Система управления ЧРП допускает:
- автоматическое управление от АСУ ТП;
- дистанционное управление по командам оператора;
- местное управление для проведения пуско-наладочных работ и сервисного обслуживания.

При проектировании вертикальных АД с регулируемой частотой вращения был учтен ряд следующих основных особенностей таких машин [4]:
- расчетные значения тока, напряжения, мощности на валу, к.п.д и коэффициент мощности должны определяться с учетом диапазона регулирования частоты вращения и гармонического состава тока и напряжения;
- при проектировании конструкции и охлаждения частотно-регулируемого двигателя учитываются потери от высших гармоник в требуемом диапазоне регулирования частоты вращения для заданного момента сопротивления М ~ п²;
- при частотном пуске двигателя можно не задаваться значениями пускового тока, пускового и минимального моментов. При этом появляется возможность выполнить ротор с пазом минимального сопротивления, что способствует уменьшению массы двигателя и повышению его к.п.д;
- при выборе класса изоляции обмотки статора частотно-регулируемого двигателя учитывалась форма выходного напряжения преобразователя;
- при расчете параметров асинхронного двигателя, регулируемого от преобразователя частоты, не требуется учитывать влияние отклонения напряжения и частоты системы электроснабжения от номинальных значений.

Особенности применения преобразователей частоты.

Как известно, для регулирования низковольтных асинхронных короткозамкнутых двигателей наибольшее применение получили преобразователи частоты на основе автономных инверторов напряжения (АИН) с ШИМ, выполненных на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT).

Автономный инвертор является источником высших гармоник, влияющих как на потери в двигателе и его допустимую нагрузку, так и на изоляцию статора, что по существу определяет основное требование к ПЧ - обеспечение его электромагнитной совместимости (ЭМС) с приводным двигателем.

Основным критерием, влияющим на выбор типа ПЧ, является ЭМС асинхронного двигателя и автономного инвертора. В системе «ПЧ-асинхронный двигатель» принципиально можно использовать стандартный двигатель. При этом необходимо учитывать возможность снижения допустимого момента вследствие дополнительных потерь из-за высших гармоник в инвертируемом токе, ухудшение условий охлаждения самовентилируемых двигателей, воздействия на изоляцию обмотки статора. Одним из определяющих параметров, существенно влияющих на уровень высших гармоник в выходных токе и напряжении инвертора, является индуктивность рассеяния асинхронного двигателя. Индуктивность рассеяния ограничивает высшие гармоники тока при сопряжении асинхронного двигателя с инвертором напряжения и высшие гармоники напряжения при использовании инвертора тока. В [5,6] приведены данные сравнения характеристик при питании низковольтного АД средней мощности от АИТ, АИН и синусоидального источника. На величину потерь влияют характеристики конкретного типа двигателя. Поэтому были рассмотрены типичные механические характеристики асинхронных двигателей, их влияние на ЭМС и рекомендован тип механической характеристики электродвигателя применяемого в ЧРП ГЦН, обеспечивающей оптимальное сопряжение двигателя и преобразователя [2].

При выборе ПЧ важным является вопрос воздействия напряжения на изоляцию АД. Как отмечается в [7,8], использование в широтно-импульсно модулированных ЧРП IGBT с высокими частотами переключения сместили акцент с тепловых проблем (нагрев электродвигателя из-за высших гармоник) в сторону учета воздействия на изоляцию двигателя пиков перенапряжений с высокой крутизной (du/dt). Пики напряжения на выходе инвертора практически не зависят от характеристик двигателя. При этом перенапряжения на статоре в значительной мере определяются длиной соединительного кабеля между АИН и двигателем. В системе «АИН - соединительный кабель - асинхронный двигатель» амплитуду пиков перенапряжений можно приблизительно оценить по соотношению:

где К - множитель, зависящий от длины кабеля;
U_вых - напряжение на выходе АИН.

Уменьшение длины соединительного кабеля не является, очевидно, радикальной мерой, да и не всегда достижимо. Так, например, при уменьшении длины кабеля в 3 раза амплитуда пиков перенапряжений составит 895В вместо 1035В.

Более радикальным является применение фильтров, позволяющих снизить перенапряжения и скорости их нарастания. На практике применяют L, RC, LC и LCR фильтры. Степень снижения воздействий на статорную изоляцию зависит от правильного выбора параметров фильтра и его подключения [2,7].

В электроприводах ГЦН ядерной энергетической установки мощностью 25 МВт были применены ПЧ 160 кВт, 400В и ПЧ 110 кВт, 400В немецкого производства и вертикальные АД производства ОАО «Сафоновский электромашиностроительный завод».

ПЧ содержит ШИМ-АИН с частотой модуляции 2,4-8 кГц и выходной синусоидальный (LC) фильтр.

Асинхронный двигатель – вертикальный с воздушным принудительным охлаждением от двух вентиляторов. Циркуляция воздуха осуществляется по замкнутому циклу. Конструкция двигателя обеспечивает степень защиты внутренних элементов IP54, наружного вентилятора IP21 и коробки выводов IP55. Соединение двигателя с приводным механизмом осуществляется посредством эластичной муфты. Изоляция обмотки статора - термореактивная, типа «Монолит-2». Изоляционные материалы обмотки статора класса нагревостойкости «F» с температурным использованием по классу «В». Корпусная изоляция обмотки исходя из учета воздействия перенапряжений от ПЧ усилена до 1500 В. В тепловыделения в активных частях двигателя включены потери от высших гармоник. Для контроля температуры в обмотку статора и в подшипниковые узлы встроены термопреобразователи сопротивления ТСМ-50М, которые выведены на колодки штепсельных разъемов. Нагрев подшипников во время работы не должен превышать 100°С.

Ниже приведены основные результаты испытаний оборудования ЧРП:
- испытания ПЧ на эквивалентную двигательную нагрузку;
- испытания ЧРП на специальном стенде совместно с реальным ГЦН.

При испытаниях на эквивалентную двигательную нагрузку характеристики ПЧ 110 кВт, 400В исследовались при работе на асинхронный двигатель 110 кВт с нагрузкой на валу ~ 80 кВт, а ПЧ 160 кВт, 400В – на асинхронный двигатель 320 кВт с нагрузкой на валу ~ 130 кВт. Испытания на эквивалентную двигательную нагрузку выявили неблагоприятное влияние выходного LC-фильтра на стабильность протекания электромагнитных и электромеханических процессов в режимах самозапуска, несмотря на достаточно малое (не более 0,3 с) время определения системой управления ПЧ действительной (текущей) частоты вращения выбегающего двигателя [2].

Нестабильность режима самозапуска ЧРП с LC-фильтром на выходе ПЧ в штатной схеме с вертикальным асинхронным двигателем соответствующей мощности, маховиком и насосом на специальном стенде повторилась. Поэтому для повышения стабильности режимов самозапуска частотно-регулируемого электропривода с маховичным накопителем энергии было принято решение «трансформировать» LC-фильтр в L-фильтр (du/dt-фильтр).

Это решение обосновано тем, что изоляция электродвигателей усиленна по напряжению, а потери в электродвигателе от несинусоидальности напряжения невелики и практически не снижают КПД электропривода, что было подтверждено повторными испытаниями электроприводов.

На рис.1 в качестве примера приведены статические характеристики электропривода при изменении напряжения сети.

Частота ШИМ установлена равной 3,6 кГц, что обеспечило форму тока в двигателе, близкую к синусоидальной (THD≤5% при номинальных частоте вращения и нагрузке).

Испытания показали что точность поддержания частоты вращения насоса на заданном уровне ±10 мин^-1 при изменении напряжения питания обеспечивается за счет достаточной жесткости механических характеристик электродвигателя. При этом отклонение от заданной номинальной частоты вращения 990 мин^-1 составило в диапазоне отклонение (1,1-0,8)U_н от 1 до 8 мин^-1 соответственно (частота вращения измерялась тахокомплексом ИП-74, дающим относительно малые погрешности).

При испытаниях исследована возможность оптимизации настройки параметров процесса пуска ЧРП на заданную начальную скорость вращения. Неоптимальная настройка приводит к возникновению высокочастотного шума и значительного пускового тока в период разворота двигателя. При замене в параметрах настройки микропроцессора ПЧ способа пуска: «пуск на вращающийся двигатель» на «пуск неподвижного двигателя» процесс разгона стал выполняться плавно без шума, а также без значительных бросков тока.

Режимы самозапуска ЧРП исследовались как с отключенным выходным фильтром (рис.2), так и с L-фильтром на выходе ПЧ (рис.3). Как видно из осциллограмм рис.2, переходные процессы при отключенном выходном фильтре ПЧ протекают в целом нормально.
Осциллограммы на рис.3 иллюстрируют более сложный режим при самозапуске электропривода с L-фильтром на выходе ПЧ, работавшего в номинальном режиме с питанием от сети 320В (с напряжением 0,85 номинального значения) на сеть с номинальным напряжением 380В.

Результаты разработки, испытания и исследований частотно-регулируемых электроприводов показали следующее:

Длительные ресурсные испытания разработанных электроприводов показали, что они являются современными высокотехнологичным оборудованием, а применение современных средств силовой и информационной электроники позволяет обеспечить требуемую их надежность.

1. Митенков Ф.М., Новинский Э.Г., Буров В.М. Главные циркуляционные насосы АЭС. – М.: Энергоатомиздат. 1984
2. Анишев Е.Ю., Лазарев Г.Б., Султанов А.Т. Особенности применения асинхронного частотно-регулируемого электропривода циркуляционных насосов энергетической установки специального назначения. – Вестник ВНИИЭ-2003. М.: Изд-во ЭНАС, с. 149-159
3. Анишев Е.Ю, Хвостов С.В., Титов В.Г. и др. Крутильные колебания насосных агрегатов с электроприводом по схеме асинхронного вентильного каскада. – Электричество. 1987. №2. С. 54-57
4. Загорский А.Е. Регулируемые электрические машины переменного тока. - М.: Энергоатомиздат, 1992г., 288 с.
5. Connors D., Jarc D., Daugherty R. Considerations in Applying Induction Motors with Solid-State Adjiustable Frequcncy Controllers. – IEEE. Transactions on Industry Applications, 1984, Vol. lA-20, № 1, p 113-121
6. Venkatesan R., Lindsay J., Comparative Study of the Losses in Voltage and Current Source Inverer Fed Induction Motors. – IEEE Transactions on Industry Applications. 1982, lA-18, № 3, p.240-245
7. Лазарев Г.Б. Обеспечение электромагнитной совместимости применении частотно-регулируемых асинхроных электроприводов в системах электроснабжения собственных нужд ТЭС (Вестник ВНИИЭ, 2000, с. 55-69)
8. Лазарев Г.Б. “Электромагнитная совместимость высоковольтных преобразователей частоты с системами электроснабжения и электродвигателями собственных нужд тепловых электростанций” Ж. “Электроника”, №10, 2004г., с. 33-42

Инженерный центр ЭНЭЛ
ЭНЭЛ — современные тенденции энергосбережения
Россия, Москва, 115201, Каширское шоссе, 22, корп. 3, офис 825
Тел./факс: +7 (499) 613-97-81
E-mail: info@center-enel.ru