НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 622.692.4.052.012.002.51
© Б.Ю. Васильев, 2014
Энергетическая эффективность
и электромагнитная совместимость преобразователей частоты электроприводов насосных агрегатов
Б.Ю. Васильев, к.т.н. (Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»)
Адрес для связи: vasilev.bu@mail.ru
Energy efficiency and electromagnetic compatibility of the frequency converters of pumping units electric drives
B.Yu. Vasilyev (National Mineral Resources University (University of Mines), RF, Saint-Petersburg)
Ключевые слова: насосный агрегат, электропривод, преобразователь частоты (ПЧ), энергоэффективность, электромагнитная совместимость.
E-mail: vasilev.bu@mail.ru
Key words: pumping unit, electric driver, frequency converter, energy efficiency, electromagnetic compatibility.
The problem of electromagnetic compatibility and energy efficiency in electric drives of pumping units, used in oil pumping stations, is considered. The main advantages and disadvantages of synchronous and asynchronous drives are given. The main ways to improve electromagnetic compatibility and energy efficiency of asynchronous drives are analyzed.
Насосные агрегаты на нефтеперекачивающих станциях (НПС) являются самыми крупными потребителями электроэнергии на всех магистральных нефтепроводах. Для привода насосных агрегатов в настоящее время используются синхронные и ко-роткозамкнутые асинхронные электродвигатели. В качестве синхронного привода применяются высоковольтные электродвигатели типа СТД мощностью 1250-8000 кВт и СТДП мощностью 630-12500 кВт. В асинхронном электроприводе насосных агрегатов используются высоковольтные электродвигатели типа 4АТД мощностью 500-5000 кВт.
В процессе транспорта нефти по магистральному трубопроводу требуется осуществлять плавное регулирование давления и напора на выходе центробежного нагнетателя насосного агрегата. Наибольшее распространение получили два способа регулирования на насосных станциях: дросселирование (перепуск части нефти с выхода центробежного нагнетателя на вход);изменение частоты вращения центробежного нагнетателя. Преимущества второго способа широко известны и подробно описаны в работах [1-3]. Главное из них заключается в снижении потребления электроэнергии пропорционально частоте вращения центробежного нагнетателя насосного агрегата. Для регулирования частоты вращения приводного электродвигателя в современных насосных агрегатах используются полупроводниковые преобразователи частоты (ПЧ), которые могут иметь различные топологию и характеристики.
К электротехническим комплексам насосных агрегатов предъявляются самые высокие требования к уровню электромагнитной совместимости и энергетическим ха-
рактеристикам, которые в значительной степени определяются структурой и эффективностью управления электроприводом агрегата. Именно поэтому разработка и исследование различных структур и алгоритмов управления электроприводом насосных агрегатов НПС в настоящее время являются важными. Актуальность вопроса энергосбережения на объектах магистральных нефтепроводов закреплена в качестве приоритетных направлений развития нефтяной промышленности в «Энергетической стратегии России до 2030 года» и в Программе инновационного развития компании ОАО «АК «Транснефть».
Электропривод насосных агрегатов НПС: структуры, алгоритмы управления, основные характеристики
В настоящее время основу электропривода насосных агрегатов составляют синхронные двигатели. На рис. 1 приведены примеры регулируемых электроприводов на основе высоковольтных синхронных двигателей с различными ПЧ.
Тиристорный двухзвенный ПЧ СПЧР 4500/6 может использоваться в приводе насосных агрегатов с синхронным двигателем мощностью по 4500 кВт и напряжением 6000 В. Он обеспечивает изменение частоты выходного напряжения в пределах 5-55 Гц, что соответствует диапазону изменения частоты вращения вала двигателя 300-3300 мин-1.
Двухтрансформаторные ПЧ применяются в приводе с двигателем СТД-6300-2 и магистральным насосом НМ-10000-210. Основную часть этого преобразователя составляют два выпрямительно-инверторных канала
Рис. 1. Схемы синхронных электроприводов насосных агрегатов НПО с тиристорным двухзвенным ПЧ (а) и двухтрансформатор-ным ПЧ (б):
ТР - транформатор; СД - синхронный двигатель; В1, В2, В3 - выпрямители; АИ - автономный инвертор; АИП - автономный источник питания
мощностью по 3500 кВт со сглаживающими дросселями в звене постоянного тока и пусковой инвертор. На входе и выходе ПЧ установлены соответственно понижающие и повышающие трансформаторы. Питание обмотки возбуждения осуществляется от выпрямителя.
Основные преимущества синхронных двигателей заключаются в том, что они обеспечивают возможность работы электропривода с единичным коэффициентом мощности, обладают меньшей чувствительностью к перепаду питающего напряжения, сохраняют постоянную частоту вращения при изменении нагрузки на валу. К их недостаткам относятся более сложная конструкция по сравнению с асинхронными машинами, пуск осуществляется в несколько этапов, силовые управляющие устройства и их алгоритмическое обеспечение сложнее и менее надежно, чем в асинхронных электроприводах. Последние превосходят синхронные электроприводы практически по всем параметрам. Они обладают простой конструкцией, обеспечивают простоту регулирования частоты вращения и момента в переходных и установившихся режимах. Недостатками асинхронных двигателей, которые сдерживали их широкое использование на больших мощностях, являются низкий коэффициент мощности и отсутствие возможности его регулирования [4-6].
Для регулирования частоты вращения в асинхронном электроприводе в большинстве случаев используются двухзвенные ПЧ, в состав которых входят выпрямитель и автономный инвертор. Выпрямители высоковольтных электроприводов выполнены по 12-пульсной схеме, автономный инвертор - по трехуровневой схеме или с большим числом уровней. Схема асинхронного электропривода с таким ПЧ представлена на рис. 2, а (мощность АД - 6000 кВт, напряжение 3300 В).
На входе ПЧ установлен трансформатор, который имеет две вторичные обмотки, одна из которых соединена «звездой», другая - «треугольником». Вследствие этого трехфазные системы напряжений вторичных обмоток взаимно сдвинуты по фазе на 30 °. Подключенные
к вторичным обмоткам трансформатора два диодных выпрямителя обеспечивают 12-пульсный режим работы электропривода, что позволяет значительно снизить 5-ю, 7-ю, 17-ю, 19-ю и ряд других высших гармонических составляющих тока, потребляемого электроприводом [7, 8]. Управление трехуровневым автономным инвертором, который выполнен на полностью управляемых транзисторах (insulated gate bipolar transistor - IGBT), осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции, а управление режимами работы приводного двигателя реализовано по векторным алгоритмам. Коэффициент мощности такого электропривода составляет 0,85-0,95. Такой коэффициент мощности не позволяет увеличить мощность приводного двигателя и обеспечить большую производительность насосного агрегата.
Обеспечить коэффициент мощности асинхронного электропривода на уровне единицы и синусоидальность потребляемого электроприводом тока можно с помощью активного выпрямителя, который позволяет также обеспечить рекуперацию электроэнергии в сеть в тормозных режимах электропривода (см. рис. 2, б). Алгоритмы управление ключами активного выпрямителя и автономного инвертора унифицированы. Основные характеристики системы управления представлены в табл. 1.
Рис. 2. Структуры асинхронных электроприводов насосных агрегатов НПО с двухзвенным ПЧ (а) и с ПЧ, состоящим из трехуровневых активного выпрямителя АВ и автономного инвертора АИ (б):
С - конденсатор; АД - асинхронный двигатель Таблица 1
Основные характеристики Система управления
с а ктивным выпрямителем с автономным инвертором и двигателем
Принцип управления Векторный Векторный
Вектор ориентации системы управления Вектор напряжения сети электроснабжения Вектор потокосцепления ротора
Алгоритм управления полупроводниковыми ключами (транзисторами) Широтно-импульсный Широтно-импульсный
Несущая частота, Гц 1000 2000
Рис. 3. Осциллограммы фазовых напряжений иА, иВ, иС (а) и токов 1А, 1В, 1С (б), потребляемых электроприводами с 12-пульсным выпрямителем (I) и с высоковольтным треуровневым активным выпрямителем (II), а также спектральные составы тока 1А(1) сети электроснабжения (в) до 40-й гармоники в соответстветствии с ГОСТ Р 54149-2010
Н Анализ электромагнитной совместимости Н и энергетической эффективности Н электроприводов насосных агрегатов
^ При исследовании электромагнитной совместимости и энергетических характеристик асинхронных электроприводов различной структуры выполнялось моделирование электропривода с асинхронным двигателем со следующими параметрами: мощность двигателя -6300 кВт; синхронная частота вращения ротора двигателя - 3000 мин-1; напряжение - 3300 В; ток в фазе -1450 А; коэффициент мощности двигателя - 0,785; к.п.д. двигателя - 97 %; вращающий момент - 7,34 кН м.
На рис. 3 представлены осциллограммы токов и напряжений, потребляемых электроприводами разной структуры. Использование активного выпрямителя в составе электроприводов насосных агрегатов на НПС позволяет обеспечить их работу с коэффициентом мощности, равным 1, и квазисинусоидальную форму тока, потребляемого электроприводом из сети электроснабжения, с минимальными высокочастотными искажениями, генерируемыми в сеть. В табл. 2 приведен коэффициент искажения синусоидальности тока в электроприводах с различными входными преобразователями.
В настоящее время на рынке электрооборудования представлены высоковольтные преобразователи с активными выпрямителями на транзисторах ЮВТ нескольких компаний. Характеристики выпрямителей даны в табл. 3. При дальнейшем развитии и совершенствовании характеристик полупроводниковых транзисторных приборов ЮВТ создание высоковольтных ПЧ с активными выпрямителями является одним из наи-
Таблица 2
Частота гармоник тока, Гц Действующее значение тока, % основной гармоники Коэффициент искажения тока фазы А, %
Элект
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.