5.2.2. Привод механизмов собственных нужд. Асинхронные двигатели. Пуск и самозапуск электродвигателей

Подавляющее большинство механизмов СН электрических станций имеет электрический привод. Выбор рода тока и исполнение электродвигателей определяется их назначением, ответственностью механизма и местом его установки. С увеличением мощности электрических станций и единичной мощности электродвигателей СН очень важную роль начинают играть их пусковые характеристики и способность сохранять устойчивость работы в аварийных режимах электрической системы. Исходя из этого преимущественное распространение для привода механизмов СН получили асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Эти двигатели конструктивно просты, надежны в эксплуатации, имеют сравнительно высокий к.п.д. и cos φ, а их пусковые характеристики могут быть согласованы с характеристиками рабочих машин с помощью глубокопазных двигателей за счет использования двух обмоток на роторе.

Большим преимуществом асинхронных двигателей с коротко-замкнутым ротором является возможность их пуска от полного напряжения сети без специальных пусковых устройств и способность группы электродвигателей восстанавливать нормальный режим работы после глубоких понижений питающего напряжения (самозапуск).

При выборе мощности и типа электродвигателя соблюдаются определенные условия. Номинальная мощность электродвигателя должна быть больше расчетной мощности на валу механизма; номинальные частоты вращения двигателя и механизма должны быть согласованы (с установкой в случае необходимости редуктора); развиваемый электродвигателем момент должен обеспечивать повышение частоты вращения механизма до номинальной при допустимом перегреве обмоток.

Возможность успешного пуска определяется совмещением на одном графике характеристик двигателя и механизма. Необходимо, чтобы при нулевых оборотах вращающий момент двигателя был больше момента сопротивления механизма. Установившаяся частота вращения определяется точкой пересечения характеристик. Разность развиваемого двигателем момента и момента сопротивления механизма определяет динамический (избыточный) момент, от которого зависит время повышения частоты вращения двигателя до номинальной.

При выборе электродвигателей следует учитывать условия внешней среды в месте их установки. В сухих помещениях применяют электродвигатели открытого исполнения.

На электрических станциях большей частью приходится устанавливать электродвигатели закрытого исполнения, которые защищены от проникновения в них капель и брызг воды и имеют влагозащищенную изоляцию обмоток.

Для механизмов на открытых площадках (например, открытые дымососные отделения) выбирают закрытые двигатели наружной установки.

Во взрывоопасных помещениях (мазутные насосные, пылезаводы) применяют специальные типы закрытых электродвигателей.

Выбор типа электродвигателя связан также со способом регулирования производительности механизмов СН.

Рекомендуется использовать для привода питателей пыли короткозамкнутые асинхронные двигатели с частотным регулированием скорости, которая на отдельных пылепитателях при одинаковой их частоте будет отличаться только за счет индивидуальных отклонений скольжения, что не превышает в рабочем диапазоне частот 1—2 %. При этом способе можно отказаться от разделения электропривода на несколько частей и питать все дви­гатели от одного тиристорного преобразователя частоты, т. е. значительно упростить всю схему питания.

Привод дымососов и вентиляторов центробежного типа осуществляется обычно двухскоростными асинхронными двигателями. Регулирование при этом получается ступенчатым, и для достижения нужной производительности в интервале между ступенями приходится применять дополнительные средства, например направляющие аппараты. Для привода тягодутьевых машин осевого типа применяют односкоростные двигатели, а производительность изменяют изменением поворота лопастей рабочего колеса или направляющего аппарата.

Рекомендуется внедрение более совершенных и экономичных тиристорных электроприводов с регулированием производительности тягодутьевых машин путем изменения их скорости.

Циркуляционные насосы центробежного типа для ступенчатого регулирования производительности обычно снабжают двухскоростными асинхронными электродвигателями с переключением числа полюсов. Насосы осевого типа снабжают односкоростными асинхронными или синхронными двигателями, а их производительность регулируют поворотом лопастей рабочего колеса.

Для питательных электронасосов используют асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором нормального исполнения, поскольку при большом противодавлении достаточно экономичным оказывается дроссельное регулирование производительности и регулирование с помощью гидромуфты.

Большинство механизмов для приготовления и транспорта топлива и почти все подъемно-транспортные устройства имеют практически независимую от частоты вращения механическую характеристику и требуют значительных пусковых моментов. Поэтому для их привода используют асинхронные двигатели с двойной беличьей клеткой на роторе. Для шаровых мельниц с небольшой частотой вращения оказывается выгодной установка тихоходных синхронных двигателей.

Самозапуском называется восстановление нормальной работы электропривода без вмешательства персонала после кратковременного перерыва электроснабжения или глубокой посадки напряжения. Самозапуск считается обеспеченным, если после восстановления электроснабжения по рабочей или аварийной схеме агрегат разогнался до нормальной скорости и продолжает длительно работать с нормальной производительностью приводимого механизма и нагрузкой электродвигателя.

Применение самозапуска электродвигателей позволяет наиболее полно использовать средства автоматизации систем электроснабжения. Если повреждение, вызвавшее прекращение питания или глубокое понижение напряжения, быстро ликвидировано действием релейной защиты или устройств автоматики, то при обеспеченном самозапуске это не является аварией или браком в работе системы электроснабжения. Ущерба практически не возникает. Если же самозапуск не обеспечен, двигатели останавливаются, и, хотя устройства автоматики сработали, ущерб может быть весьма значительным.

Самозапуск может происходить после кратковременного глубокого снижения напряжения вследствие близкого короткого замыкания (КЗ), отключаемого релейной защитой. При этом в самозапуске будут одновременно участвовать те двигатели, у которых напряжение снизилось до величины, вызвавшей снижение скорости. Двигатели все время остаются подключенными к источникам питания.

Другим случаем является самозапуск после кратковременного перерыва электроснабжения, ликвидируемого устройствами АВР или АПВ. Здесь в самозапуске участвуют одновременно все двигатели, которые при повреждении отключались от источников питания, а были вновь подключены к ним после действия автоматики.

Выключатели электродвигателей напряжением выше 1000 В, подлежащих самозапуску, в большинстве случаев во время перерыва электроснабжения остаются включенными. Двигатели, самозапуск которых не может быть обеспечен или не требуется по условиям производства, должны до восстановления напряжения отключиться от сети своими выключателями с помощью реле минимального напряжения, частотных реле и т. д.

Двигатели напряжением до 1000 В, включенные через обычные магнитные пускатели либо контакторы, в самозапуске не участвуют. Если самозапуск таких двигателей необходим, применяются либо устройства АПВ контактора (магнитного пускателя), действующие при восстановлении напряжения, либо различного рода задержки, сохраняющие включенное положение контактора.

В настоящее время самозапуск асинхронных и синхронных двигателей применяется для всех основных механизмов собственных нужд электростанций и получает все более широкое распространение для ответственных механизмов промышленных предприятий. Обоснованное применение самозапуска в сочетании со средствами автоматики всегда приводит к повышению надежности электроснабжения и уменьшению простоев механизмов.

В зависимости от длительности перерыва электроснабжения возможны два основных случая самозапуска: либо двигатель имеет какую-то остаточную скорость к моменту восстановления напряжения, либо он успевает остановиться. Во втором случае персонал может не понять причин остановки двигателя и, если время перерыва питания велико, начать какие-либо работы на механизме, что в свою очередь может привести к несчастному случаю. Поэтому необходимо обеспечить после нарушения электроснабжения автоматическое отключение выключателя с выдержкой времени при полной остановке двигателя или невозможность приближения персонала к механизму (с помощью ограждений и блокировок), если двигатель не отключен от сети. Указанная выдержка времени должна быть больше, чем время действия всех устройств автоматики.

Обычно самозапуск выполняется одноступенчатым, т.е. к сети оказываются подключенными сразу все двигатели. Если сеть не позволяет осуществить самозапуск всех двигателей, то часть из них (менее ответственных механизмов) отключается и либо вообще не участвует в самозапуске, либо автоматически включается после окончания разгона первой группы (двухступенчатый самозапуск).

Самозапуск электродвигателей имеет следующие основные отличия от пуска:

1. В момент восстановления напряжения все двигатели или их значительная часть вращаются. Наличие скорости, как правило, обеспечивает повышенный момент вращения двигателя в начале самозапуска по сравнению с пуском (при этом же напряжении).

2. При отключении от сети один или группа двигателей развивают на шинах подстанции остаточную ЭДС и в момент подключения к источникам питания вектор периодической слагающей тока

, (5.1)

где — напряжение сети; Z_ — суммарное эквивалентное сопротивление.

Ток включения двигателя может превышать пусковой ток более чем в 2 раза.

3. Самозапуск происходит, как правило, при нагруженных механизмах, что может приводить к увеличению длительности разгона и повышению температуры обмоток двигателей, обусловленному повышенными токами по сравнению с их номинальными значениями.

4. В самозапуске, как правило, участвует одновременно группа двигателей, в результате чего в элементах сети имеются повышенные токи, снижается напряжение на выводах двигателей и соответственно уменьшается вращающий момент.

Весь процесс самозапуска можно разделить на два этапа.

Первый этап — выбег агрегатов (одиночный или групповой). Одиночным называется выбег, при котором один электродвигатель оказывается отсоединенным от сети и от других двигателей, либо если другие двигатели, электрически связанные с ним, не оказывают заметного влияния на процесс выбега. Обычно это имеет место, если электрическая цепь между рассматриваемым и другими двигателями имеет реактор или трансформатор. Выбег одного двигателя, отключенного от сети, называется свободным. Если взаимное влияние отсоединенных от источников питания двигателей велико, такой выбег называется групповым. В основном процесс выбега определяется механическими характеристиками агрегатов.

Выбег при подпитке двигателями близкого короткого замыкания происходит по более крутой характеристике счет возникновения дополнительного тормозного момента.

Всякий двигатель, отключенный от источника питания, развивает при выбеге ЭДС в обмотке статора. У асинхронных двигателей ЭДС невелика, у синхронных — значительна. Величина ЭДС зависит от системы возбуждения синхронных двигателей (с глухим подключением возбудителя или через разрядное сопротивление), наличия форсировки, параметров машин (характеристики холостого хода, постоянных времени и др.), схемы подстанции (одиночный или групповой выбег), механических характеристик механизмов, вида повреждения сети (КЗ или отключение). Чем больше величина ЭДС, тем больше будет ток включения при восстановлении напряжения (при неблагоприятной фазе включения). С этой точки зрения желательно иметь достаточно большой промежуток времени до восстановления напряжения, т. е. увеличить время действия АВР или АПВ, с тем чтобы обеспечить достаточное снижение и получить допустимое значение тока [см. формулу (17)].

Второй этап — разгон и восстановление рабочего режима. Разгон происходит при сниженном напряжении. Величина напряжения зависит от параметров сети, разгоняющихся двигателей и прочей присоединенной нагрузки.

Асинхронный момент, развиваемый двигателем в процессе разгона, пропорционален квадрату напряжения. Самозапуск можно считать обеспеченным, если при пониженном напряжении избыточный момент двигателя достаточен для доведения механизма до номинальной скорости и если за время разгона температура нагрева обмоток не превысит допустимой величины. С этой точки зрения время перерыва электроснабжения должно быть как можно меньшим.

Синхронный двигатель в конце второго этапа должен войти в синхронизм. Процесс вхождения в синхронизм зависит в первую очередь от системы возбуждения и величины напряжения, так как синхронизирующий момент пропорционален ЭДС двигателя и напряжению сети. В некоторых случаях синхронный двигатель не переходит в асинхронный режим после перерыва питания, а поэтому не требуются специальные средства для ресинхронизации.

В зависимости от конкретных условий различают два основных способа самозапуска: 1) с нагруженным механизмом; 2) с временной разгрузкой механизма.

Самозапуск асинхронного двигателя с фазным ротором может осуществляться с введением пускового активного сопротивления в цепь ротора или с замкнутыми кольцами. 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, требует дополнительного усиления этих креплений.

В настоящее время для привода ответственных механизмов, требующих самозапуска, асинхронные двигатели с фазным ротором не применяются. Некоторые зарубежные фирмы применяют асинхронные двигатели с фазным ротором для привода ответственных механизмов. Однако никаких рекомендаций и гарантий по применению самозапуска в этих случаях фирмы не дают, и заводы отказываются от осуществления самозапуска указанных механизмов.

Для синхронного двигателя различают следующие разновидности самозапуска с нагруженным механизмом:

а) с глухим подключением возбудителя с форсировкой или без форсировки возбуждения;

б) с глухим подключением возбудителя с введением в начале выбега в цепь возбуждения возбудителя сопротивления для гашения поля и снижения тока включения, с последующим шунтированием этого сопротивления в начале разгона;

в) с введением на время разгона разрядного сопротивления, шунтируемого после достижения подсинхронной скорости.

Самозапуск с временной разгрузкой механизма применяется лишь в крайнем случае и только по схеме с введением разрядного сопротивления. В настоящее время применяется в основном прямой пуск электродвигателей. В случае реакторного пуска самозапуск может осуществляться с введением реактора либо без него.

Для приближенной оценки успешности самозапуска определяется остаточное напряжение на секциях по формуле

, (5.2)

где U^*_ост — напряжение резервного источника питания в относительных единицах (о. е.); K_i — коэффициент, учитывающий уменьшение кратности пускового тока электродвигателей при частичном снижении скорости за время действия АВР, является функцией времени АВР; X_Σ — суммарное сопротивление всех элементов схемы от шин «бесконечной» мощности до РУСН 6 кВ, 0м; U_ном — номинальное напряжение на шинах РУCH 6 кВ, В; К_п − кратность пускового тока двигателя; I_ном. — номинальный ток двигателя, А.

Самозапуск считается успешным, если после перерыва питания длительностью 1− 2,5 с U_ост ≥ 0,55U_ном (для электростанций среднего давления) или U_ост ≥ 0,6U_ном (для электростанций высокого давления с поперечными связями и блочных).

Строгий расчет процесса самозапуска возможен только с применением средств вычислительной техники.