ГЛАВА 4.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ГАЗОВЫХ КОМПРЕССОРОВ.
Особенности использования электроприводных турбокомпрессоров для компримирования газа.
Турбокомпрессоры получили широкое распространение на магистральных газопроводах, на нефтепроводах и на гидротехнических сооружениях — турбонасосы. Мощность турбомашин, используемых в СССР для этих целей, 4000—25 000 кВт. Электрический привод применяется почти для всего диапазона мощностей.
Основные особенности электропривода для турбомашин — момент нагрузки и мощности на валу зависят от частоты вращения, отсутствие возможности регулирования оборотов для нерегулируемого электропривода. Турбокомпрессорные машины, применяемые на газопроводах, являются быстроходными (8000—10000 об/м), поэтому при применении электропривода, имеющего максимальное число оборотов (3000 об/мин), между компрессором и двигателем устанавливают редуктор, что позволяет регулировать производительность компрессорных станций.
Эта отрицательная особенность электропривода для турбомашин может быть устранена применением регулируемого электропривода при помощи статических преобразований частоты напряжения, питающего двигатель.
Производительность электроприводных турбокомпрессоров регулируют в основном дросселированием на стороне нагнетания, к. п. д. агрегата при этом снижается пропорционально регулированию производительности.
Применение направляющих аппаратов для регулирования производительности не снижает к. п. д. агрегата, однако усложняет конструкцию компрессора.
Как показали исследования, регулирование производительности турбокомпрессоров изменением частоты вращения агрегата увеличивает его производительность по сравнению с дросселированием на 25% и по сравнению с регулированием направляющими аппаратами — на 12%.
Регулирование частоты вращения турбокомпрессоров.
Регулировать частоту вращения электропривода (регулируемый электропривод) целесообразно для привода турбокомпрессоров на газопроводах в следующих случаях: для изменения сезонной (или другой) производительности компрессорных станций; для привода без редукторной передачи мощных электроприводов с числом оборотов электродвигателей выше синхронных (n = 3000 об/мин) для двухполюсных машин; для мощного электропривода с тяжелым пуском в работу.
Регулируемый электропривод, применяемый на газопроводах, разделяется на электропривод со ступенчатым и с плавным регулированием.
Электропривод со ступенчатым регулированием применяется на градирнях с вентиляторами. охлаждающими циркуляционную воду поршневых и центробежных компрессоров. Для этой цели используются двухскоростyые асинхронные двигатели.
Синхронная частота вращения асинхронной машины пропорциональна числу пар полюсов:
Изменяя число пар полюсов, получают ступенчатое регулирование двигателя.
Схема соединений обмоток двухскоростного электродвигателя показана на рис. 46.
Многоскоростные электродвигатели изготовляются с одной статорной обмоткой, разделенной на части, соответственно необходимому числу пар полюсов, или с несколькими отдельными обмотками. Полуобмотки электродвигателя могут иметь последовательную (рис. 46, а) или параллельную (рис. 46, б) схему соединений.
Электродвигатели со ступенчатым регулированием частоты вращения могут быть рекомендованы для вентиляционных установок турбинных компрессорных станций, где необходимо регулировать степень обмена воздуха в цехе. Такие установки легко автоматизируются с использованием в качестве первичных датчиков газоанализиторов или термометров.
Рис. 46. Схема соединения обмоток двухскоростного электродвигателя: N— северный полюс, S — южный полюс; 2р — число пар полюсов
Электропривод турбокомпрессоров с плавным регулированием частоты вращения.
Частота вращения электромагнитного поля статора асинхронных и синхронных трехфазных электродвигателей пропорциональна частоте питающей сети. Изменяя плавно значение f, можно регулировать частоту вращения электропривода.
Для асинхронного электропривода при выборе типа частотного преобразователя для регулирования оборотов имеет значение то, что величина индуктивного сопротивления машины пропорциональна частоте, поэтому для сохранения силы тока и других переменных характеристик на уровне номинальной частоты необходимо одновременно с изменением частоты в тех же пределах изменять напряжение питающей среды.
Академиком Μ. П. Костенко установлено оптимальное отношение между частотой и напряжением питания асинхронной машины:
При этом соотношении двигатель будет сохранять номинальные параметры при регулировании частоты вращения вниз от номинальной, не превышая 2 : 1.
Для синхронных приводов турбокомпрессоров рекомендуется принимать
Рис. 47. Преобразователь частоты с непосредственной связью:
Тр — трансформатор: B1, B2, Β3 — тиристорные преобразователи постоянного тока; Д0 — дроссели; АД — асинхронный электродвигатель
Схема регулирования короткозамкнутого асинхронного электропривода с вентильным преобразователем частоты и непосредственной связью. Принципиальная схема регулируемого электропривода с вентильным преобразователем и непосредственной связью показана на рис. 47.
Основой этого устройства являются три тиристорных преобразователя постоянного тока B1, В2, В3. Каждая фаза трехфазного короткозамкнутого электродвигателя АД питается от своего преобразователя.
Если импульс управления на входе вентильного преобразователя изменять так, чтобы выходное напряжение преобразователя изменилось по синусоидальному закону, то на выходе преобразователя будет переменное напряжение пониженной частоты, что в свою очередь приведет к снижению числа оборотов электропривода.
Приведенная принципиальная схема преобразователя для регулирования частоты вращения электропривода имеет ограниченный предел регулирования частоты выходного напряжения для питания асинхронной машины, регулирование возможно в пределах 0—20 Гц при частоте питающей сети 50 Гц.
Для расширения диапазона регулирования необходимо увеличить число фаз каждого преобразователя до 6 или более, с включением в схему специальных фильтров для уменьшения искажений в форме кривой напряжения.
Более совершенными схемами, позволяющими регулировать частоту вращения асинхронных короткозамкнутых машин в широких пределах, являются схемы с преобразователями частоты инверторного типа.
Система регулируемого электропривода с преобразователем частоты инверторного типа для асинхронного электропривод а. Работа преобразователя частоты инверторного типа основана на том, что переменное напряжение частоты питающей сети вначале выпрямляется на вентилях, а затем преобразуется через автономный инвертор с напряжением заданной частоты.
Рис. 48. Схема преобразователя частоты переменного тока инверторного типа для двигателя переменного тока:
УВ — управляемый выпрямитель, Ф — фильтр; И — инвертор, PH — регулятор напряжения, Зч — задатчик частоты
Схема инверторного преобразователя для регулирования оборотов электропривода приведена на рис. 48. Выходное напряжение для питания электродвигателя регулируется путем изменения частоты выпрямленного напряжения на выходе из выпрямителя. С этой целью выпрямитель выполняется на управляемых вентилях (на тиристорах). Однако тиристоры обладают не полной управляемостью, что требует специальных коммутирующих устройств (конденсаторов), запирающих тиристоры в зоне их неполной управляемости.
Несмотря на сложность изготовления, преобразователи с инвертором являются весьма перспективными устройствами для регулируемого электропривода, так как с их помощью можно регулировать частоту питающей сети в 50 Гц от 5 до 400 Гц и получать для двухполюсной электромашины до 24 000 об/мин.
Промышленный образец преобразователя частоты для регулируемого асинхронного электропривода СПЧР-3500/6 мощностью 3500 кВт.
Статический преобразователь частоты регулируемый типа СПЧР-3500/6 предназначен для осуществления плавного пуска и плавного регулирования частоты вращения в диапазоне 150— 1500 об/мин асинхронного электродвигателя трехфазного тока
с короткозамкнутым ротором, используемого в качестве электропривода с вентиляторной нагрузкой. Преобразователь предназначен для работы в закрытых помещениях. Охлаждение воздушное, для тиристоров — принудительное со скоростью воздушного потока между ребрами охладителей не менее 8—10 м/с, для неуправляемых вентилей — естественное.
Технические данные преобразователя
Силовая схема преобразователя (рис. 49) состоит из трехфазного мостового выпрямителя и инвертора тока с двуступенчатой искусственной коммутацией. Инвертор выполнен по схеме с общим узлом искусственной коммутации, содержащим два коммутирующих вентиля и три коммутирующих конденсатора.
Изменение времени задержки в поступлении импульсов управления на основные и коммутирующие вентили в функции тока нагрузки, обеспечиваемое системой управления и регулирования, позволяет поддерживать напряжение на коммутирующих конденсаторах практически независимым от нагрузки. Это обусловливает повышенную коммутационную устойчивость инвертора и привода в целом в установившихся и переходных режимах. Особенностью схемы инвертора является наличие вспомогательного выпрямителя, подключенного к выходу инвертора и нагруженного на конденсатор, предназначенный для ограничения коммутационных перенапряжений, которые возникают при переключении тока в фазах двигателя из-за наличия индуктивностей рассеивания в фазах двигателя. Энергия, вызывающая появление коммутационного перенапряжения, расходуется на заряд конденсатора, незначительно повышая напряжение на нем.
После окончания коммутационного процесса конденсатор разряжается через цепочки R—Z на инвертор, а напряжение на конденсаторе снижается до исходного уровня.
Тиристорные элементы, из которых составлены силовые схемы управляемого выпрямителя и инвертора, выполнены по одинаковым схемам.
Каждый элемент состоит из пятнадцати последовательно включенных тиристоров на предельный ток 200—230 А при принудительном воздушном охлаждении с охладителем. Параллельно каждому тиристору включены два встречно соединенных лавинных вентиля.
Все цепочки тиристоров шунтирует общая цепочка R—С.
Рис. 49. Блок-схема преобразователя СПЧР-3500/6:
1 — инвертор; 2 — управляемый выпрямитель; 3 — блок токовой отсечки; 4 — формирователь импульсов выпрямителя; 5 — усилитель; 6 — суммирующее устройство; 7 — источник питания системы управления и регулирования; 8 — корректор частоты; 9 — задающий генератор; 10 — распределитель импульсов; 11 — формирователь импульсов инвертора; 12 — датчик напряжения
Напряжение лавинообразования вентилей выбрано равным 1000—1150 В при напряжении переключения или напряжении загиба обратной ветви тиристоров не менее 1400 В.
Тиристоры управляются индивидуальными импульсными трансформаторами тока, каждый тиристорный элемент имеет датчики наличия импульсов перенапряжений и температуры воздуха, использованного для охлаждения тиристоров. Шкафы силовой схемы охлаждаются отдельными вентиляторами и имеют ветровое реле, дверные конечные выключатели и формирователь импульсов управления тиристорными элементами.
В системе автоматического регулирования точность поддержания оборотов асинхронною двигателя (0,01 n) на заданном уровне обеспечивается отрицательной обратной связью по скорости. которая с помощью тахогенератора вводится в канал регулирования выходного напряжения управляемого выпрямителя.
Выходная часть регулируется по закону U|f = const за счет наличия безынерционной обратной связи от выходного напряжения к задающему генератору, обеспечивающему частоту переключений тиристорных элементов инвертора.
Схема управления преобразователя обеспечивает частотный пуск двигателя, стабилизацию частоты вращения двигателя в диапазоне (0,1—1) п„ в соответствии с заданием, возможность шунтирования преобразователя (непосредственное включение двигателя к сети) при частоте вращения (0,95—1) n.
Схема защиты и сигнализации обеспечивает надежную защиту элементов преобразователя при всех авариях в преобразователе и двигателе, а также расшифровку места и характера аварии в преобразователе.
Рис. 50. Конструкция преобразователя СПЧР-3500/6
Преобразователь состоит из шкафов (рис. 50): управляемого выпрямителя 7, управления 2, инвертора 3, вспомогательного выпрямителя 4, сопротивлений 5.
Шкаф управления устанавливают на подставке с вентиляторами, подающими воздух для охлаждения тиристоров. В шкафу сопротивлений установлены вентиляторы охлаждения, расположенные рядом с подставкой шкафа. Все шкафы преобразователя имеют двустороннее обслуживание через открывающиеся двери. Двери силовых шкафов имеют замки электромагнитной блокировки. На фасаде шкафа управления расположены измерительные приборы входных и выходных параметров преобразователя, приборы защиты и сигнализации.
Подвод и отвод силового питания осуществляется снизу кабелями. Для обеспечения надежной работы преобразователя и разделения высоковольтных и низковольтных цепей изоляция отдельных элементов выполнена на основе эпоксидного компаунда с применением высоковольтных слоистых пластиков. Конструктивно обеспечен удобный доступ к любому элементу схемы всех шкафов, что улучшает обслуживание данного преобразователя в условиях эксплуатации. Габариты преобразователя 3000 X 1250 X 8000, масса 7500 кг.
Частотное регулирование синхронного электропривода.
На современных насосных и компрессорных станциях нефтепроводов и магистральных газопроводов в качестве приводных двигателей широко применяются синхронные электродвигатели промышленной частоты мощностью 4000 кВт и напряжением до 10 кВ. В ряде случаев частота вращения насосов и нагнетателей значительно превышает предельно возможную при промышленной частоте частоту вращения подобных двигателей, что вызывает необходимость применения промежуточных редукторов.
Рис. 51. блок-схема ТПЧ автономным (а) и зависимым (б) инверторами:
УВ — управляемый выпрямитель; АН — автономный инвертор; Д — двигатель; В — неуправляемый выпрямитель; ЗП — зависимый инвертор; СД — синхронный двигатель
Вопросы повышения экономической эффективности работы насосных и компрессорных станций тесно связаны с необходимостью разработки н внедрения регулируемых безредукторных синхронных электроприводов. В большинстве случаев оказывается достаточным снижать производительность до 70 % номинального значения, что для электроприводов с вентиляторным характером нагрузки соответствует уменьшению потребляемой мощности более чем в 2,5 раза.
Для частотного регулирования электроприводов с синхронными двигателями целесообразно использовать ТПЧ (тиристорный преобразователь частоты), построенный на базе автономных инверторов (АИ) с промежуточным звоном постоянного тока (рис. 51). Необходимость в последнем обусловливается тем, что при промышленной частоте 50 Гц, как известно, преобразователи с непосредственной связью обеспечивают диапазон регулирования частоты от 0 до 22 Гц, что не дает возможность снизить скорость до 70% номинального значения. В то же время система электропривода, построенная по блок-схеме, свободна от упомянутого ограничения диапазона регулирования частоты. С учетом возможности конструирования высокоскоростных машин повышенной частоты такая система привода создает предпосылки для отказа от промежуточных механических редукторов.
Отсутствие полностью управляемых силовых вентилей, а также требование одновременного регулирования напряжения на выходе преобразователей в определенной зависимости от частоты и надобность в обратном такте для возврата реактивной энергии коммутации в сеть сильно усложняет схему ТПЧ. Это обусловлено необходимостью применения коммутирующих конденсаторов и дросселей, дополнительных вспомогательных вентилей и управляемого звена постоянного тока. В связи с этим представляет особый интерес система регулируемого электропривода с синхронным
двигателем СД, которая может быть собрана по блок-схеме ТПЧ-СД (рис. 51, б). В этом случае в ТПЧ используется зависимый инвертор (ЗТГ), ведомый самим двигателем, и надобность в устройствах для искусственной коммутации отпадает. Кроме того, в зависимости от конкретных требований к электроприводу (узкий диапазон регулирования, вид нагрузочной характеристики и др.) может появиться возможность отказа в ТПЧ от управляемого выпрямителя.
В системе В—ЗИ—СД синхронная машина приобретает свойства двигателя постоянного тока: появляется возможность плавного регулирования частоты вращения и изменением напряжения па входе инвертора U, угла опережения открытия вентилей β и потока Ф возбуждения СД согласно выражению
где kсх — коэффициент схемы, по которой собран инвертор; Се — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции машины.
Преобразователь частоты СПЧР-4500/6.
По приведенной схеме разработан и изготовлен промышленный образец тиристорного преобразователя частоты регулируемого для синхронной машины типа СДСЗ-4500-1500 для привода турбокомпрессорного газоперекачивающего агрегата 280-11-1 типа СПЧР-4500/6. Может быть применен без изменений для двигателей СТМ-4000-5 и СТД-4000-2.
Техническая характеристика преобразователя
Силовая схема преобразователя частоты состоит из трехфазного управляемого выпрямителя, составленного по мостовой схеме из шести тиристорных блоков (рис. 52). Выпрямитель через сглаживающие реакторы соединен с инвертором, построенным по аналогичной схеме выпрямителя из шести блоков тиристоров. Выпрямитель п инвертор помещены отдельно в два силовых шкафа. Инвертор присоединен к синхронному двигателю.
Регулирование частоты на зажимах двигателя осуществляется системой управления и регулирования, помещенной в отдельном шкафу.
Схемы управления преобразователя обеспечивают: частотный пуск двигателя; изменение оборотов и стабилизацию скорости вращения двигателя в диапазоне задания; шунтирование преобразователя для непосредственного включения двигателя в сеть.
