Применение частотно-регулируемых приводов на питателях сырого угля котельных агрегатов

Рассматривается применение частотно-регулируемых приводов на питателях сырого угля (ПСУ) котельных агрегатов. Производится качественный анализ экономического эффекта, который может быть достигнут в результате замены приводов постоянного тока на современный асинхронный регулируемый электропривод с частотным управлением. Приводимые инженерные расчеты и рекомендации подтверждены успешным опытом практической реализации подобных систем.

На сегодняшний день в большинстве котельных агрегатов, исполнительные механизмы питателей сырого угля приводятся в движение регулируемыми электроприводами постоянного тока. Управление скоростью машин постоянного тока осуществляется с помощью тиристорных преобразователей в относительно узком диапазоне регулирования: рабочая угловая скорость вращения вала двигателей изменяется от 500 до 1900 об/мин. В зависимости от требуемой производительности котлоагрегата, работа может производить-ся на любой скорости указанного диапазона в течение длительного времени. Часто, зада-ние на требуемую производительность является единым для всех электроприводов, под-ключенных к общей тиристорной станции.

По отношению к электроприводу, ПСУ можно рассматривать как нагрузку, статический момент которой не зависит от скорости. Режим работы является длительным, не предусматривающим частых пусков и остановок. Жестких требований к динамике электропри-вода не предъявляется, не накладывается также ограничений на характер переходных процессов при пуске, торможении и переходе с одной скорости на другую.

Из общей характеристики следует, что требования к работе электропривода в штатном режиме сравнительно невелики. Однако, при эксплуатации не исключены кратковременные скачкообразные набросы нагрузки, сопровождающиеся существенным ростом статического момента, вплоть до заклинивания исполнительного механизма. Кроме того, электрические машины эксплуатируются в окружающей среде, насыщенной уголь-ной пылью. Поэтому, при модернизации таких электроприводов, в первую очередь, стре-мятся увеличить надежность их работы и эксплуатационные характеристики. С технологической точки зрения, при модернизации желательно обеспечить независимое регулиро-вание производительности ПСУ.

В таких случаях предлагается перейти к использованию асинхронных электроприводов с частотным регулированием, которые по функциональным возможностям и эксплуатационным характеристикам отвечают техническим требованиям и условиям поставленной задачи. Однако, при принятии решения о модернизации необходимо правильно оценить затраты, и что более важно, соизмерить их с достигаемым при этом эффектом.

Наиболее значимые экономические предпосылки перехода к асинхронному электроприводу (здесь укажем те, которые имеют место быть для данного объекта автоматизации):
1. Низкая стоимость. Асинхронная короткозамкнутая машина имеет более низкую стоимость по отношению к машине постоянного тока. Связано это с ее более простой конструкцией и высокой технологичностью изготов-ления. Асинхронные двигатели распространены гораздо шире, чем какие либо другие виды электрических машин.
2. Низкие эксплуатационные затраты. Асинхронная короткозамкнутая машина практически не требует обслуживания в течении всего времени эксплуатации. В то время как машина постоянного тока нуждается в регу-лярном обслуживании коллекторного узла.
3. Ремонт электрической машины. Общая совокупность затрат на организацию и проведение ремонта двигателей постоянного тока зачастую оказывается соизмеримой (а для данного применения - превышает) со стоимостью новой асинхронной короткозамкнутой машины.
4. Степень защиты. Исполнения асинхронных короткозамкнутых машин имеют широкий ряд степеней защиты. Это имеет важное значение для рассматриваемого применения (в окружающей среде высока концентрация угольной пыли). Изготовление машины с коллектором на высокую степень защиты вызывает ее существенное удорожание и осложняет об-служивание. Иногда прибегают к созданию локальных условий установки с более благоприятной окружающей средой, что требует еще больших за-трат.

Перечисленные предпосылки затрагивают только электрические машины. Преобразователи приводов здесь не рассматриваются. Их сравнение было бы крайне некорректным по отношению к используемому преобразователю привода постоянного тока. Та-кие приводы на существующих ПСУ часто являются не только морально устаревшими, но и давно отработавшими свой ресурс. Что приводит не только к определенным затратам на поддержание их работоспособности и снижению надежности технологического процесса в целом, но и невозможности включения их в современные системы управления без значительных дополнительных усилий.

Приведенные преимущества асинхронной машины не учитывают того факта, что она (асинхронная машина) будет работать совместно с преобразователем частоты. Незнание ряда особенностей такой работы (по существу - недостатков) может привести в лучшем случае к нерациональному использованию привода, а в худшем - неправильному его выбору. Отметим те из них, которые отвечают за оптимальные энергетические показатели и правильный выбор привода по мощности.

1. При работе асинхронных двигателей от преобразователей частоты их КПД снижается на 2 … 3%, а Cosφ до 5%.
2. Добавочные высокочастотные потери, вызванные несинусоидальностью напряжения, вызывают нагрев двигателя и снижение полезной мощности на его валу (до 25%).

Наличие добавочных потерь в обмотках и стали магнитопровода обусловлено высшими гармониками тока и магнитного потока. Поэтому, при использовании асинхрон-ных приводов с частотным регулированием, принимают меры по улучшению гармонического состава (устанавливают дополнительные устройства, корректируют параметры на-стройки преобразователя и т.п.).

Выбор частотно-регулируемого привода для ПСУ имеет ряд особенностей. Укажем те из них, которые наиболее характерны для данного типа объектов автоматизации.

Напомним, что диапазон скорости приводов ПСУ невелик и может достигаться достаточно простым и наиболее широко распространенным методом управления: вольт/частотным.

Диапазон регулирования современных асинхронных электроприводов при вольт/частотном методе управления, как правило, составляет 1:40, что является вполне достаточным для ПСУ.

Помимо того, вольт/частотное управление при соблюдении за-кона U/f=Const обеспечивает постоянство критического момента, необходимое для данно-го типа нагрузки.

Однако, само расположение нижней (500 об/мин) и верхней (1900 об/мин) скоростей является несколько "неудобным" для стандартного ряда асинхронных машин.

Наиболее близкими к данному применению являются асинхронные двигатели с синхронными скоростями 1500 и 3000 об/мин.

Первый из них будет работать со значительным превышением частоты тока статора (по отношению к номинальной) в верхней части диапазона, а второй с более значительным снижением - в нижней части диапазона.

В том и другом варианте потребуется создание запаса по моменту. В первом случае это объясняется тем, что при увеличении частоты при постоянстве первичного напряжения будет уменьшаться магнитный поток, а, следовательно, и максимальный момент двигателя.

При этом отвод тепла у самовентилируемого двигателя будет эффективнее, а КПД и Cosφ претерпят лишь незначительные изменения. На нижних частотах диапазона, наоборот, охлаждение двигателей собственным вентилятором будет недостаточным для продолжительной работы с полным моментом (см. рис.1).

На приведенном рисунке приведены скорости n (об/мин) для двигателя с числом пар полюсов 2Р=2 (синхронная скорость 1500 об/мин). Необходимо также помнить, что механизмы подобного класса требуют достаточно высоких коэффициентов кратности по пусковому k_s и максимальному k_m моменту.

В типовых применениях, в зависимости от конкретного исполнения, k_s =(1 … 3.5) и k_m =(2 … 3.5). Сами по себе асинхронные короткозамкнутые двигатели стандартного исполнения не обладают столь высокими пусковыми свойствами и пе-регрузочной способностью.

На практике это достигается увеличением мощности двигате-ля и настройкой параметров преобразователя частоты.

К этим параметрам относятся те, которые определяют:
• функцию компенсации момента;
• вольт/частотную характеристику;
• время разгона/торможения.

Функция компенсации момента позволяет увеличить выходной момент при старте и работе двигателя на низких скоростях. При ее выполнении осуществляется корректировка выходного напряжения инвертора в соответствии с устанавливаемым коэффициентом компенсации.

Определяя параметры вольт/частотной характеристики, нижним частотам ставят в соответствие значения напряжений

выше чем при линейной пропорциональной зависимости (см. рис.2). Такой вид характеристики предназначен для нагрузок, требующих большого стартового момента.

Расчеты, произведенные специалистами НПФ "РАКУРС" с учетом изложенных рекомендаций, позволили выбрать электропривод на один ряд по мощности ниже, чем обычно предлагается другими организациями. Это позволяет сократить затраты на приобретение асинхронного двигателя и соответствующего ему преобразователя частоты. Практическая эксплуатация таких электроприводов на объектах (Котласский ЦБК, ин-сталлировано 9 приводов) подтверждает их превосходные рабочие и энергетические ха-рактеристики.

При выборе преобразователей частоты для таких электроприводов следует обращать внимание на такие характеристики (наиболее критичные для ПСУ) как:
• высокая перегрузочная способность;
• хорошо организованная система защит и предупреждений;
• возможность настройки вольт/частотной характеристики.

Другие характеристики менее критичны, но полагается, что они соответствуют уровню современных частотно-регулируемых асинхронных электроприводов.

ООО НПФ "РАКУРС" использует для этих целей в своих проектах преобразователи серии 3G3RV (корпорация OMRON, Япония). Эти преобразователи пол-ностью отвечают условиям поставленной задачи.

Преобразователи частоты рекомендуют использовать совместно с дополнительными, или иначе опциональными устройствами. Опциональные устройства, в зависимости от их назначения, устанавливаются как в силовые цепи преобразователя, так и в цепи управления. К устройствам, устанавливаемым в силовую цепь, относятся: реакторы перемен-ного и постоянного тока, входные и выходные фильтры, тормозные резисторы. Нет необ-ходимости подробно описывать назначение этих устройств, они хорошо известны специа-листам по электроприводу. На практике, для приводов ПСУ, ООО "НПФ "РАКУРС" ис-пользует входные фильтры и реакторы переменного и постоянного тока (рис.3).

Установка входных фильтров связана с требованием соответствия условиям по электромагнитной совместимости. Если такие требования не регламентируются, а воспроизводимые преобразователем шумы не оказывают вредного воздействия на другие устройства и узлы системы, фильтр можно не устанавливать.

Одновременное использование реакторов переменного и постоянного тока способствует достижению наилучшего эффекта по воздействию на гармонический состав. Связано это с тем, что реакторы переменного и постоянного тока имеют различную эффективность подавления высших гармонических составляющих с различными номерами. Не стоит пренебрегать этой рекомендацией при проектировании высококачественных систем электропривода.

В приводе ПСУ используется торможение выбегом. При этом не требуется уста-новка тормозных резисторов или других устройств для поглощения инерции механизма.

Управление инвертором производится по традиционной схеме: задание скорости - аналоговый сигнал, задание режимов и контроль состояния инвертора - дискретные сиг-налы. При такой организации схемы управления, введения дополнительных опциональ-ных устройств в управляющие цепи не требуется.

Достигаемые с технологической точки зрения приемущества:
1. Независимое управление каждым из трех ПСУ котла позволяет легко организовать регулирование нагрузки котла без скачков при переходе с одной пылесистемы на другую.
2. Резкое сокращение занимаемых под систему управления площадей, поскольку отсутствует необходимость установки магнитной станции или строительства помещения под тиристорный привод.
3. Переход к управлению от переменного напряжения 380 В 50 Гц с отклю-чением цепей 220 В постоянного тока. Это разгружает аккумуляторные батареи станции и позволяет отказаться от громоздких релейных схем управления по цепям постоянного тока.
4. Современные преобразователи частоты легко интегрируются в любые системы управления, как низовой интеллектуальный элемент автоматики, не требуют сложных согласующих схем и обладают отличным набором встроенных сервисных возможностей (контроль за током и скоростью приводного двигателя, развитая система защит и т.д.).

ООО "НПФ "Ракурс" готово к сотрудничеству в области замены приводов постоянного тока асинхронными электрическими машинами с преобразователями частоты в любой области промышленного производства. Материал данной статьи можно рассматривать как удачный пример такой замены.

Директор производственно-инжинирингового комплекса - Петров Алексей Владимирович
Директор учебно-консультационного центра - Татаринцев Николай Иванович