Частотно-регулируемые электроприводы — Область применения частотно-регулируемых электроприводов

Частотно-регулируемые электроприводы — Область применения частотно-регулируемых электроприводов

В настоящее время на всех стадиях добычи, первичной переработки и транспортирования природного газа в основном применяются электроприводы переменного тока с асинхронными и синхронными электродвигателями.
Основные направления развития электропривода технологических установок газовой промышленности совпадает с общей тенденцией развития электропривода на современном этапе — все более широким применением регулируемого электропривода и компьютерных средств автоматизации при создании нового и модернизации действующего технологического оборудования. Следует также отметить специфические для газовой промышленности направления дальнейшего совершенствования электропривода — повышение надежности и взрывозащищенности. Перечислим эти направления.
1 . Широкое применение полупроводниковых преобразователей для регулирования скорости электроприводов.
2. Стандартизация силового электрооборудования, повышение степени его заводской готовности.
3. Повышение КПД и других технико-экономических показателей.
4. Создание серии комплектных электроприводов, включающих силовое электрооборудование, системы автоматического управления, контроля, защиты и диагностики.
5. Унификация и миниатюризация аппаратуры управления.
6. Применение средств вычислительной техники, использование модульного принципа построения систем управления.
7. Разработка типовых структур управления электроприводами.
8. Совершенствование конструкции двигателей, полупроводниковых преобразователей и аппаратуры управления с целью повышения надежности, взрывозащищенности и уменьшения массогабаритных показателей.
В ближайшие годы основной объем внедрения регулируемых электроприводов в газовой промышленности будет связан с ее реконструкцией. При этом наряду с заменой изношенного или морально устаревшего оборудования возможна модернизация существующих электрических машин и систем управления полупроводниковыми преобразователями и другими компонентами регулируемого электропривода. При этом ожидаемая экономия электроэнергии за счет внедрения регулируемого электропривода может составить до 40 % от ожидаемой экономии по всей совокупности мероприятий.
Практическая безальтернативность регулируемого электропривода для тяжелых и экстремальных условий эксплуатации обусловливает особую важность создания таких электроприводов для технических средств освоения континентального шельфа.
Применение в газовой промышленности регулируемых электроприводов позволяет повысить производительность рабочих машин и механизмов, автоматизировать многие технологические процессы, уменьшить энергопотребление и другие материальные затраты.
Основными объектами применения частотно-регулируемых электроприводов в газовой отрасли являются:
1. Насосные станции водо- и теплоснабжения, котельные установки энергетических объектов промыслов и газопроводов.
Применение регулируемого электропривода на этих установках обеспечивает:
плавный частотный пуск электродвигателей;
автоматическое регулирование параметров при изменениях нагрузок, климатических факторов и режимов работы основного технологического оборудования;
автоматический ввод в работу резервных агрегатов, в том числе пожарных насосов и др.;
снижение энергопотребления собственных нужд.
2. Компрессоры газоперекачивающих станций, разгонные устройства газотурбинных агрегатов, вентиляторы воздушного охлаждения газа и масла, насосы перекачки газового конденсата.
Применение регулируемого электропривода на этих установках обеспечивает:
автоматическое частотное управление производительностью компрессоров и насосных агрегатов взамен дросселирования, регулирование давления при изменениях подачи продукта;
плавный безударный пуск мощных электродвигателей; значительное снижение пусковых токов; автоматическое регулирование температуры сжатого газа; энергосбережение.
3. Компрессоры ступенчатого повышения давления газа, насосы откачки и перекачки газового конденсата, вентиляторы воздушного охлаждения сжатого газа технологических установок переработки газа и газового конденсата.
Применение регулируемого электропривода на этих установках обеспечивает:
автоматическое регулирование давления, температуры газа, подачи газового конденсата и других параметров;
плавный безударный пуск мощных электродвигателей;
повышение качества продукции;
увеличение производительности;
уменьшение потребления электроэнергии.
4. Основные механизмы (лебедка, ротор, буровые насосы, регулятор подачи долота) и ряд вспомогательных механизмов (циркуляционная система, вспомогательная лебедка и др.) буровых установок наземного и морского бурения.

Устройства плавного пуска УБПВД-ВЦ от ОАО «ВНИИР»

С конца 2007 года ОАО «ВНИИР» перешел на производство пусковых устройств второго поколения серии УБПВД-ВЦ с цифровой системой управления.

С 2010 года производятся устройства серии УБПВД-ВМ третьего поколения с распределенной цифровой системой управления и оптоволоконными связями. Устройства серии УБПВД-ВЦ предназначены для безударного плавного пуска высоковольтных асинхронных и синхронных электродвигателей механизмов с «вентиляторной» (квадратично зависимой от скорости) характеристикой нагрузочного момента (центробежные компрессоры, насосы, вентиляторы, дымососы, эксгаустеры и другие аналогичные механизмы).

Устройства серии УБПВД-ВЦ имеют цифровую систему управления, обеспечивающую удобное программирование настройки параметров. В устройствах предусмотрена связь по высокопроизводительному интерфейсу RS-485 для возможности дистанционного управления от АСУ ТП. Использование удобного пользовательского интерфейса обеспечивает максимально улучшенные сервисноэксплуатационные характеристики устройства.

Функции

Устройства плавного пуска УБПВД-ВЦ обеспечивают:

• проверку исправности тиристоров перед началом пуска двигателя;
• плавное нарастание тока двигателя до величины начального токоограничения, обеспечивающего трогание двигателя с места;
• формирование заданного токоограничения по времени для обеспечения разгона электродвигателя;
• фиксацию окончания разгона и выдачу сигнала на включение высоковольтного выключателя,подключающего двигатель напрямую к сети по окончании разгона;
• контроль времени разгона двигателя и выдачу сигнала на прекращение пуска при превышении заданного времени разгона.

• максимально-токовую;
• время-токовую;
• от превышения заданного времени пуска двигателя;
• от обрыва фазы главных цепей и неполнофазного пуска;
• от неисправности тиристоров;
• от неисправности устройств формирования импульсов управления тиристорами.

Структура условного обозначения

Силовые высоковольтные тиристорные блоки (ВТБ)подключаются к внешним устройствам через линейный QSл и шинный QSш разъединители с заземляющими ножами. Это позволяет после запуска электродвигателя проводить необходимые работы на тиристорных блоках. Для защиты от перенапряжений на входе устройства и параллельно тиристорным блокам установлены ограничители перенапряжений.

Устройства, выполненные по принципу тиристорного регулятора напряжения, обеспечивают ограничение скорости нарастания и значения пускового тока электродвигателя изменением углов отпирания тиристоров через систему импульсно фазового управления (СИФУ). В течение заданного времени пуска электродвигателя происходит плавное нарастание напряжения на обмотках статора от нуля до номинального значения. Пусковой ток увеличивается плавно с заданным токоограничением, не создавая ударных электромагнитных моментов, отрицательно сказывающихся на электродвигателе и механизме.

В устройствах УБПВД-ВЦ предусмотрены регулируемые уставки токоограничения со шкалой от 1,0 до 4,0 Iном для обеспечения возможности запуска от одного устройства до нескольких двигателей разной мощности, а также регулируемые уставки времени разгона в пределах до 60 с., выбираемые дистанционно.

Номинальное напряжение вспомогательных цепей устройств: трехфазное переменного тока (линейное)-100 В, однофазное – 220 В. Допустимые колебания:напряжения вспомогательных цепей от плюс 10 % до минус 40 % от номинального значения, частоты 2 % от номинального значения.

Допустимые колебания напряжений силовых цепей 6 кВ и 10 кВ должны соответствовать ГОСТ 13109.

Электрическая прочность изоляции силовых цепей устройства соответствует ГОСТ 1516.1 и выдерживает испытательное напряжение переменного тока частотой 50 Гц 32 кВ (для устройств с номинальным напряжением главных цепей 6 кВ) и 42 кВ (для устройств с номинальным напряжением главных цепей 10 кВ), цепей управления, блокировки и сигнализации – 2 кВ.

Однолинейная схема плавного пуска электродвигателей УБПВД-ВЦ

ВТБ – высоковольтные тиристорные блоки
QSл – линейный разъединитель
QSш – шинный разъединитель
ОПН – ограничитель напряжений
ТТ – трансформатор тока

Силовой вертлюг

Современная разработка инженеров компании Логан, силовой вертлюг создает бесперебойное и безударное усилие вращения. Он предназначен для поддержания тяговой нагрузки на трубы до 120 тонн при нулевых оборотах и нагрузки на трубы до 65 тонн при 100 оборотах в минуту. Компактный дизайн основной части вертлюга весом до 2000 фунтов подходит для использования на большинстве подъемных вышек мобильных буровых установок. Максимальный крутящий момент – 8.100 футо-фунт при 150 оборотах в минуту. Разработчикам удалось объединить надежный уникальный приводной механизм с усиленным редуктором. В большинстве случаев применения вертлюг позволяет сократить использование цепей для свинчивания трубных соединений, трубных захватов и устройств предназначенных для свинчивания труб. Силовой вертлюг позволяет проводить бурение с более длинными бурильными трубами до выключения бурильного оборудования с целью наращивания трубы. Таким образом, сокращение остановок и времени запуска буровых установок – улучшает дебет скважин и уменьшает износ насоса, лебедки и другого бурильного оборудования.

В устройстве 120-тонного силового вертлюга применена закрытая гидравлическая система с изменяющимся рабочим объемом, изменяемым направлением работы насоса, а также электрическим, пневматическим или беспроводным способом управления силовой установкой. Изменяемый объем насоса и гидравлической системы позволяет контролировать крутящий момент и скорость в желаемых пределах без смены передач или же без остановки и последующего запуска установки. Контроль скорости может варьироваться в зависимости от рабочего режима эксплуатации установки.

Про систему контроля крутящего момента

Путем компенсации давления, система контроля крутящего момента отключает контроль скорости для поддержания максимального крутящего момента. Ограничения крутящего момента установки могут быть заданы оператором, предотвращая тем самым потенциальную возможность перекручивания буровых труб. Система подшипников, плавающая грязевая труба и закругленная горловина исключают необходимость использования роторного вертлюга. Закругленная горловина размером 2.75″ и плавающая грязевая труба обеспечивают циркуляцию по стволу вертлюга при вращении или при работе в статическом режиме.

Установленные опции

• Безударное и плавное вращение предохраняет от повреждения буровые трубы;
• Подходит для использования на большинстве мобильных буровых вышках;
• Позволяет работать с более длинными буровыми трубами;
• Установки пределов крутящего момента можно изменять;
• Необязательное использование дополнительного роторного вертлюга;
• Возможность выбора типа дизельного двигателя;
• Бережное отношение к окружающей среде при выборе установок на раме или на автоприцепе;
• Простота в обслуживании.

Дополнительные опции

• Подъемная рама;
• Электрическая или гидравлическая погрузочная лебедка;
• Панель управления может быть дистанционной или располагаться на силовой установке.
• Возможность работы в очень холодных условиях.

Что входит в комплектацию

Полная комплектация 120-тонного силового вертлюга от компании ЛОГАН, также включает в себя подъемный хомут с серьгой, единый блок грязевой трубы, поршневой гидравлический двигатель с постоянным рабочим объемом с нагрузкой 5000 psi, единая реактивная тяга, предохранительные тросы, а также 1 дюймовые шарнирные соединения. Все перечисленные выше компоненты и барабан для хранения гибких шлангов входят в стандартную комплектацию силовой установки, как на раме, так и на автоприцепе.

Исследование влияния геометрии машины двойного питания на динамические характеристики электропривода колебательного движения Паюк, Любовь Анатольевна

Паюк, Любовь Анатольевна. Исследование влияния геометрии машины двойного питания на динамические характеристики электропривода колебательного движения : диссертация . кандидата технических наук : 05.09.03 / Паюк Любовь Анатольевна; [Место защиты: Нац. исслед. Том. политехн. ун-т].- Томск, 2012.- 153 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-5/3225

Введение к работе

Актуальность темы. Безредукторный электропривод колебательного движения (ЭКД) переменного тока, в состав которого входит машина двойного питания (МДП), всё чаще и чаще применяется в современной промышленности.

К областям использования электропривода колебательного движения с машиной двойного питания относятся: вибровозбудители для транспортировки, сортировки и перемешивания готового сырья при производстве пластмасс; валогенераторные и гребные установки автономных судов; электроприводы с глубоким регулированием скорости, высокой перегрузочной способностью и обеспечением тяжелого пуска из стопорного режима, а так же колонковые электромеханические буровые снаряды с возвратно-вращательным движением коронки на базе погружного маслонаполненного асинхронного двигателя.

Вопросами разработки данного типа электрических машин занимаются ведущие организации и научные коллективы: НИИэлектроприводов, МЭИ, ВНИИЭ, НИИ ГП «ХЭМЗ», ИТЦ «ЛаборКомплексСервис», и за рубежом фирмы «Siemens AG», «AEG», «Brown Boveri», «Mizubisi», «Toshiba», a компанией «Matsushita Electric Industrial Co» уже начат серийный выпуск бесконтактных асинхронизированных двигателей.

Общим вопросам теории машины двойного питания (МДП) посвящен ряд публикаций, как отечественных, так и зарубежных авторов. Огромный научный вклад в развитие этого направления, в плане создания современной теории МДП и основ их практического использования внесены Касьяновым В. Т., Загорским А. Е., Abdessemed, R. , R., Huang S., J. Shun, Xie G., Scian Ilario, Dorrell David G., Holik Piotr J. и многими другими российскими и зарубежными учеными. Следует отметить работы Г. Б. Онищенко и И.Л. Локтевой, которые разработали методику расчета и проектирования МДП, при работе ее в режиме однонаправленного движения, а также работы В. И. Луковникова, А. В. Аристова, Е. А. Шутова, С. А. Ткалича, Федотова В.М. по исследованию колебательных режимов работы электродвигателей переменного тока.

Не смотря на это, ряд теоретических и практических вопросов остаются до сих пор недостаточно изученными. Так, фактически не рассмотрены вопросы влияния геометрии машины двойного питания на статические и динамические характеристики электропривода колебательного движения при линейной фазовой модуляции. Отсутствуют инженерные методики расчета и оптимизации МДП при работе ее в режиме вынужденных колебаний, не даны практические рекомендации по обеспечению безударного пуска по моменту или току электропривода колебательного движения на заданную частоту колебаний. Отсутствие научно-обоснованным решений по данным вопросам существенно сдерживает дальнейшее внедрение ЭКД в различных отраслях народного хозяйства.

Таким образом, теоретические исследования влияния геометрии машины двойного питания на динамические свойства безредукторного электропривода колебательного движения, а также вопросы проектирования его являются актуальной задачей и имеют практическую ценность.

Объектом исследования является безредукторный электропривод колебательного движения, выполненный на базе машины двойного питания

Предметом исследования являются динамические показатели электропривода колебательного движения при амплитудно-фазовой модуляции питающих напряжений или токов.

Цель работы состоит в исследовании влияния геометрических размеров электрической машины двойного питания на динамические показатели электропривода колебательного движения и разработка на ее основе научно-обоснованных рекомендаций по их проектированию, настройке и промышленному применению.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

Рассмотреть основные особенности и тенденции развития колебательных электроприводов с машиной двойного питания.

Провести анализ оценки динамических показателей электропривода колебательного движения.

Установить аналитическую взаимосвязь между геометрическими размерами машины двойного питания и её динамическими характеристиками.

Реализовать математические модели электропривода колебательного движения для исследования его динамических показателей.

Разработать методику оптимизации геометрических размеров исполнительного двигателя для анализа и синтеза по заданным динамическим показателям.

Разработать рекомендации по проектированию и эксплуатации ЭКД с улучшенными динамическими показателями.

Провести экспериментальные исследования с целью проверки адекватности математического описания ЭКД.

Методы исследования. В диссертационной работе применены: теория электрических машин, численные методы решения дифференциальных уравнений, математическое моделирование и программирование в средах MathCAD-14, Matlab-2007. Проверка результатов теоретических исследований осуществлялась экспериментальными методами.

Достоверность полученных результатов. Обоснованность и достоверность научных выводов и результатов базируется на строгом использовании математического аппарата теории электрических машин, подтверждается моделированием на основе современных программных продуктов, качественным и количественным соответствием данных проведённых исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Установлена аналитическая зависимость геометрических размеров электрического двигателя и параметров электрической машины двойного питания при фазовом способе возбуждения колебательного режима работы.

Определена аналитическая зависимость динамических показателей электропривода колебательного движения с геометрическими размерами электрического двигателя, включенного по схеме машины двойного питания, с учётом параметров источников питания и нагрузки.

Разработаны математические модели электроприводов периодического движения с учетом несимметрии параметров обмоток двигателя, вызванной разночастотным возмущением, позволяющие исследовать динамические и кинематические характеристики с учетом геометрии машины двойного питания при потенциальной и токовой фазовой модуляциях.

Разработана методика определения геометрических параметров электродвигателя колебательного движения, обеспечивающая минимум динамических показателей при фазовом способе возбуждения колебательного режима работы.

Практическая ценность работы:

Разработана программа расчета позволяющая определять статические и динамические характеристики электропривода колебательного движения, выполненного на базе асинхронного двигателя или машины двойного питания при фазовом способе возбуждения колебательного режима работы.

Найдено решение, защищенное патентом РФ на полезную модель «Электропривод колебательного движения», позволяющее расширить эксплуатационные возможности электропривода колебательного движения, работающего в режиме источника колебательного усилия путем улучшения качества воспроизводимых колебаний за счет устранения высокочастотных пульсаций в выходном спектре электромагнитного усилия.

Предложены практические рекомендации по оптимизации геометрических размеров машины двойного питания в составе электропривода колебательного движения с целью обеспечения требуемых динамических показателей.

Реализация результатов работы.

Основные результаты и экспериментальных исследований, выработанные рекомендации по проектированию и эксплуатации электроприводов колебательного движения с машиной двойного питания переданы для внедрения на ООО «Сибирская метанольная химическая компания» г. Томск, подразделение ОАО «Газпром», а так же в учебный процесс для подготовки магистрантов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета по направлению 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» по дисциплине «Имитационное моделирование электромеханических систем».

Подтверждением реализации результатов диссертационной работы является наличие актов о внедрении. Основные защищаемые положения:

Методика расчёта параметров электрической машины двойного питания в зависимости от её геометрических размеров.

Методика расчета динамических показателей электропривода колебательного движения с учетом геометрии машины двойного питания и способа возбуждения колебательного режима работы.

Методика оптимизации геометрии исполнительного двигателя ЭКД по заданным динамическим показателям при работе его в режиме вынужденных колебаний.

Рекомендации на основе численных результатов моделирования по проектированию, разработке и применению машины двойного питания в составе ЭКД с требуемыми динамическими показателями.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались на следующих конференциях: X Юбилейной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», г. Томск, 2004-2011 гг.; международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, 2009 г, 2011 г; всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука, технологии и инновации», г. Новосибирск, 2011 г.

Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 12 научных работах, в том числе: 4 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патенте РФ на полезную модель.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы составляет 152 страницы машинописного текста, включая 60 рисунков, 9 таблиц, списка использованной литературы из 102 наименований и 1 приложения на 5 страницах.