19. Частотно – регулируемые электроприводы

В последние годы на предприятиях нефтяной и газовой отраслей внедряются частотно-регулируемые электропри­воды (ЧРП) с использованием преобразователей частоты (ПЧ). Это способствует повышению эффективности добычи и транспорта нефти и газа и снижению энергозатрат.

Частотный способ регулирования скорости асинхронных двигателей (АД) является самым экономичным в сравнении с другими известными способами.

Возможность регулирования скорости асинхронного двигателя изменением частоты следует из выражения скорости ω₀ идеального холостого хода:

,

где — частота напряжения обмотки статора;

— число пар полюсов двигателя.

Меняя частоту напряжения обмотки статора, можно получать разные скорости идеального холостого хода. При неизменном напряжении источника питания с уменьшением ча­стоты резко увеличиваются ток намагничивания и ток статора. Магнитная система двигателя насыщается. В результате существенно увеличиваются электрические и магнитные потери. Для повыше­ния технико-экономических показателей двигателя при измене­нии частоты необходимо регулировать амплитуду напряжения как функцию от частоты и момента нагрузки М. Зависимость от частоты и момента нагрузки М выражает закон частотного управления.

Закон частотного управления, установленный М.П. Костенко, обеспечивает сохранение постоянной перегрузочной способности двигателя:

Достоинство частотного управления состоит в том, что управление двигателем по закону М.П. Костенко позволяет поддерживать КПД равным номинальному, при этом КПД не зависит от скорости.

В полной мере законы частотного управления вида реали­зуются в замкнутых системах автоматического управления элект­роприводами. В разомкнутых системах управления напряжение обычно регулируется в функции от частоты: .

Если скорость вращения двигателя регулируется при условии постоянства момента нагрузки, напряжение источника питания необходимо изменять пропорционально изменению частоты тока (базовый закон частотного управления). При этом мощность увеличивается пропорционально нарастанию скорости вращения.

Центробежные насосы относятся к турбомеханизмам, для которых момент сопротивления пропорционален квадрату скорости вращения ( ). В этом случае целесообразно использовать следующий закон частотного регулирования .

Таким образом, для осуществления частотного способа регулиро­вания скорости АД необходимо иметь преобразователь частоты с возможностью раздельного изменения амплитуды и частоты выходного напряжения.

Преобразователи частоты, предназначенные для частотно-ре­гулируемых асинхронных электроприводов, подразделяются по типу связи с питающей сетью на преобразова­тели частоты с непосредственной связью и двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ) с промежуточным звеном постоянного или переменного тока.

В регулируемом асинхронном элек­троприводе могут найти применение ПЧ с непосредственной свя­зью на полностью управляемых полупроводниковых тиристорах. Двухоперационный или полностью управляемый тиристор позволяет не только отпирать его с помощью управляющего импульса, но также и запирать.

Преобразователь частоты (ПЧ) состоит из следующих основных частей: понижающего и повышающего трансформаторов Тр1 и Тр2, управляе­мого тиристорного выпрямителя (В), фильтра звена постоянного напряжения (Ф), инвертора напряжения (ИН). Инверторы – это электронные устройства, преобразующие постоянное напряжение в переменное. В электроприводах технологических установок используются асинхронные двигатели как низковольтные (напряжение ниже 1000 вольт), так и высоковольтные – 6, 10 киловольт. Поэтому преобразователи частоты должны быть как низковольтными, так и высоковольтными. Однако высоковольтные преобразователи частоты сложны в исполнении и дороги, и в случаях для высоковольтных двигателей могут использоваться низковольтные преобразователи с двойной трансформацией напряжения. В этом случае в состав преобразователя помимо понижающего трансформатора Тр1 вводят и повышающий Тр2, который трансформирует выходное напряжение ПЧ в рабочее напряжение двигателя (М).

Структурная схема преобразователя частоты

Фильтр Ф звена постоянного тока служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.

Включение между питающей сетью и двигателем полупроводниковых преобразователей частоты, обеспечивающих управление и регулирование скорости асинхронных двигателей, может оказать существенное влияние на показатели качества электроэнергии питающей сети, например, на синусоидальность напряжения.

Известно, что ПЧ является источником со­вокупности гармонических составляющих напряжения или тока различных частот, при­чём их количество и удельный вес каждой в спектре зависят от типа и комплектации ПЧ.

Искажение синусоидальности напряжения вызывает дополнительный нагрев электродвигателя и преждевременное старение изоляции его обмоток. Кроме того, преобразователь частоты является источником электромагнитных высокочастотных помех.

Наличие электромагнитных помех обусловлено тем, что частота переключений транзисторов в инверторе на­пряжения составляет 15...20 кГц. Высокий уровень высокочастотных помех может генерировать­ся и выходным кабелем ППЧ, поэтому кабель между ППЧ и двига­телем выполняется экранированным с заземлени­ем на концах.

Полупроводниковые преобразователи частоты находят все большее применение в регулируемых электроприводах переменного тока технологических установок нефтяной и газовой отраслей. Например, использование частотно-регулируемого электропривода в погружных установках для добычи нефти с электроцентробежными насосами позволяет регулировать отбор нефти из скважин, поддерживая соответствие между притоком и откачкой жидкости.

Начато использование частотно-регулируемых электроприводов в буровых установках, в установках для добычи нефти с электроцентробежными насосами, в станках-качалках, в насосных и компрессорных установках магистральных нефте – и газопроводов.