Глава третья
САМОЗАПУСК ДВИГАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ ВЫШЕ 1000 В
- Общие положения
Широкое применение сетевой автоматики (АПВ и АВР) в системах электроснабжения современных промышленных предприятий позволило существенно сократить длительность перерывов питания приемников электрической энергии, сделать перерывы питания кратковременными, находящимися обычно в пределах 0,5 - 5,0 с. Это в какой-то мере повысило надежность бесперебойного снабжения электрической энергией промышленных потребителей, но и, в свою очередь, поставило ряд задач, требующих теоретического и практического решений.
Наиболее сложной и эффективной из них явилась задача самозапуска двигателей, суть которой заключается в том, что на промышленных предприятиях отказались от необоснованного массового отключения двигателей при кратковременных исчезновениях (глубоких понижениях) напряжения в питающей сети и при его восстановлении, чем во многих случаях предотвращается нарушение технологического процесса и повышается надежность электроснабжения промышленных предприятий.
Самозапуск двигателей особенно важен для промышленных установок, в которых остановка механизмов сопряжена с длительным расстройством технологического процесса, опасностью для жизни людей и большим материальным ущербом. К таким установкам, прежде всего, можно отнести вентиляционные и насосные агрегаты шахт, весь комплекс химических и нефтехимических заводов, нефтедобывающие установки и др.
Однако самозапуск целесообразен и для менее ответственных установок, остановка которых приводит к экономическому ущербу, некоторому ухудшению безопасности. Такое положение объясняется тем, что при внезапной остановке электродвигателей большинства технологических машин, механизмов и установок, при отсутствии самозапуска длительность простоя во много раз превышает длительность нарушения электроснабжения. Это связано с рядом организационно-технических шагов и действий, которые необходимы при восстановлении нормального технологического процесса производства.
Указанная постановка вопроса значительно расширяет область применения самозапуска и позволяет выделить обеспеченность этих режимов в отдельно стоящую проблему. Несмотря на то, что решением этой проблемы занимаются ведущие предприятия нашей страны: ГПИ "Тяжпромэлектропроект", ГНАЛ, трест Энергочермет, п/о "Союзхимпромэнерго", ВНИИЭ, МЭИ и др., которые проводят большую методическую и практическую работу по обеспечению самозапуска ряда механизмов, нельзя сказать о полной обеспеченности самозапуска двигателей. Связано это, как нам думается, с тем, что до сих пор отсутствует предприятие, организация или министерство, в прямые обязанности которого были бы внесены эти вопросы. Необходимо объединить большой накопленный опыт и вынести решение проблемы самозапуска двигателей на промышленных предприятиях на стадию внедрения в производство.
Считают, что при применении быстродействующей защиты исключается надобность в защите минимального напряжения. В этом случае практически все двигатели сохраняются в работе и отпадает необходимость отключения части из них. Это относится и к случаю, когда общее время бестоковой паузы не превышает 0, 2 - 0, 4 с при работе автоматических устройств АПВ и АВР.
Многочисленными исследованиями подтверждено, что самозапуск асинхронных двигателей с КЗ ротором, как индивидуальный, так и групповой, не вызывает особых трудностей.
Однако, несмотря на данную апробацию в системах собственных нужд электрических станций, режимы самозапуска до сих пор не нашли инженерного аналитического решения. Это объясняется тем, что продолжительность самозапуска двигателей во многом зависит от особенностей самих двигателей, приводимых механизмов, типа котлов и вида используемого топлива, а также от схем первичных соединений источников питания. Учет всех перечисленных факторов в процессе выбега и самозапуска очень затруднителен, а обобщение тех или иных параметров вносит в расчеты существенную погрешность, поэтому, как правило, обязательно проводится экспериментальная проверка обеспеченности самозапуска двигателей собственных нужд для каждой электрической станции.
Примерно такие же факторы накладываются на режим самозапуска и на промышленных предприятиях, причем анализ режимов даже усложнен из-за наличия параллельно включенных синхронных двигателей и батарей статических конденсаторов. Но, несмотря на сложные аналитические решения, самозапуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором обеспечивается, в ряде случаев, только настройкой релейной защиты и автоматики.
Большой интерес представляет самозапуск асинхронных двигателей с фазным ротором, поскольку они не рассчитаны на пуск от полного напряжения сети с выведенным реостатом. Однако, из практики эксплуатации известны случаи успешного применения прямого пуска асинхронных двигателей с фазным ротором и наоборот, когда пуск двигателей без реостата в цепи ротора происходит в тяжелых условиях или же вообще невозможен.
Двигатели с фазным ротором широко применяются в металлургии, химии и других отраслях промышленности. В США, например, эти двигатели используются на электрических станциях в качестве привода вентиляторов и дымососов для повышения их к.п.д.
Поскольку такие двигатели обычно имеют ослабленное крепление лобовых частей обмоток ротора и статора, то самозапуск с замкнутыми кольцами может быть применен крайне редко и, как правило, требуется дополнительное усиление этих креплений, а вероятность включения в противофазу выбегающего двигателя вынуждает устанавливать время бестоковой паузы не менее 1 с.
В связи с изложенным нами выше была поставлена задача разработки таких способов обеспечения самозапуска синхронных двигателей, которые бы позволили практически решить эту проблему.
Все высоковольтные СД по техническим условиям их эксплуатации при ограничении на нагрев демпферной пусковой обмотки допускают один пуск из горячего состояния или два пуска с интервалами до нескольких минут из холодного состояния. Отсюда следует более высокие по сравнению с АД требования к проведению процесса самозапуска СД, так как в случае его срыва последующий пуск двигателя возможен только после полного охлаждения обмоток в течение длительного времени.
Процесс самозапуска СД включает не только разгон под действием асинхронного момента обмоток демпферной и возбуждения, но и синхронизацию с момента подачи постоянного напряжения возбуждения. Процессу самозапуска предшествует гашение магнитного поля обмотки возбуждения с целью ограничения ударных токов и момента при повторном включении (как исключение, гашения поля можно не производить при большом сопротивлении сети) [3, 13, 17]. Проведение этапов самозапуска не требуется для двигателей, не выпавших из синхронизма. Средством удержания СД в синхронизме является форсировка напряжения возбуждения [3, 17, I8]. Допустимое, по условию невыпадения из синхронизма двигателя, время нарушения питания зависит от электромеханической постоянной времени Tj привода и сопротивления сети или напряжения сети в процессе самозапуска (рис. 3.1) [13] .
Рис. 3.1. Зависимость допустимого времени отключения близкого короткого замыкания быстродействующей защитой, при котором сохраняется устойчивая работа номинально загруженного СД от сопротивления сети Хс и постоянной времени агрегата Td.
Способ проведения процесса самозапуска определяется прежде всего механическими характеристиками двигателя. Эксплуатируемые в промышленности СД обладают значениями пускового момента, от которого зависит успешность разгона двигателя, при замкнутой на активное сопротивление обмотке возбуждения и входного момента, определяющего синхронизирующие свойства СД, при скольжении 0,05 и замкнутой накоротко обмотке возбуждения, большими или меньшими номинального. Как правило, большие номинального значения моментов имеют быстроходные неявно полюсные двигатели типов СТД, СМ, СДС, СДН и др., меньшие номинального - тихоходные явнополюсные (с числом пар полюсов более 5+6) двигатели типов ДСК, СДК, СДК2, СДМ и др. [13, 17]. В связи с неблагоприятными характеристиками (пониженными значениями) асинхронного момента самозапуск тихоходных СД наиболее сложен [3, 13, 14].
Среди способов управления разгоном и синхронизацией при самозапуске СД в настоящее время для практического применения предпочтительными являются способы, основанные на управлении по цепи обмотки возбуждения в функции угла Θ двигателя, равного углу
между магнитными полями статора и ротора или продольной осью обмотки возбуждения [14, 15, 16]. В проблеме самозапуска тихоходных СД под нагрузкой с применением управлений по цепи обмотки возбуждения имеется ряд неиспользованных вопросов, что сдерживает его внедрение в промышленность. Среди них прежде всего - определение и техническая реализация управлений, при которых двигателем развивается максимальный электромагнитный момент во всем рабочем диапазоне скольжений. Недостаточность входного момента создает трудности в обеспечении вхождения двигателя в синхронизм под нагрузкой. Практика самозапуска СД требует при реализации управлений использовать устройства измерения угла Θ способом, исключающем подсоединение к валу привода. Важна также организация управления возбуждением СД с целью удержания его в синхронизме, а для выпавшего из синхронизма необходимо наиболее быстрое гашение поля обмотки возбуждения с целью сокращения времени перерыва питания. Поэтому необходима разработка новых способов и технических средств самозапуска СД под нагрузкой.
