Возможность применения динамической КРМ для электропривода аппаратов воздушного охлаждения компрессорных станций магистральных газопроводов

krm-na-kompressornykh-stantsiyakh-big_s1.jpgВ настоящее время происходит интенсивное оснащение компрессорных станций магистральных газопроводов (КС МГ) электротехническим оборудованием нового поколения. Одним из приоритетных направлений является использование частотно-регулируемого привода в системах охлаждения компримированного газа (составной части технологического процесса при его магистральном транспорте), состоящей из определенного количества аппаратов воздушного охлаждения (АВО) [1]. АВО выполняют, как правило, в виде горизонтальных теплообменных секций из осеребренных труб, снабженных вентиляторами осевого типа [2].

Однако, применение частотно-регулируемых приводов в системах АВО газа имеет и ряд негативных сторон. В частности, на малых оборотах асинхронных двигателей (АД) заметно ухудшается условие их охлаждения. Отдельная проблема - обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) преобразователей частоты (ПЧ) с электроприемниками, запитанными от общих шин с ПЧ, а также с электротехническими устройствами, которые находятся в непосредственной близости от частотно-регулируемого привода [1]. Несинусоидальность формы выходного напряжения ПЧ (рис. 1) является причиной дополнительных потерь электроэнергии в обмотках и повышения вибрации вала АД. Высшие гармоники кривой тока (рис. 2), потребляемого ПЧ дополнительно нагружают силовые трансформаторы и кабельные линии.

При экспериментальных измерениях [2] коэффициент искажения синусоидальности кривой входного тока составил 96,9% (питание электропривода осуществлялось от трансформатора ТМЗ-1000/10 с напряжением КЗ - 5,5%). Основной вклад в искажение формы тока вносят 5-я и 7-я гармоники (рис. 2). Из-за указанной формы тока коэффициент мощности ПЧ составил 0,56, что потребовало установки дополнительного сетевого дросселя с индуктивностью до 0,5 мГн [2]. Коммутационные процессы в инверторе ПЧ приводят к излучению высокочастотных помех (здесь может появиться проблема "длинного кабеля" [2]), способных вызвать сбои в работе электронного оборудования, счетчиков электроэнергии, расположенных вблизи ПЧ и их силовых кабелей. Ситуация усугубляется тем, что многие производители преобразователей частоты в погоне за снижением массогабаритных и стоимостных показателей максимально выводят за пределы схемы ПЧ силовые электромагнитные элементы (исключая конденсаторы фильтра звена постоянного тока). Поэтому, для того, чтобы работа частотно-регулируемых электроприводов происходила в соответствии с требованиями нормативных документов по ЭМС, ПЧ дополнительно оборудуются входными и выходными фильтрами, которые в существующем формате торговли компонентами силовой электроники относятся к опциям и приобретаются за дополнительную плату. Отметим, что цена фильтров ЭМС достаточно высока и составляет до 30% стоимости ПЧ [1].

oscilogramma-napryazheniya.jpg
Рис.1. Осциллограммы сетевого напряжения и тока на шинах ТП АВО газа при электроснабжении группы частотно-регулируемых приводов вентиляторов [2]

spektralniy-big.jpg
Рис. 2. Спектральный состав тока ПЧ типа FUJI Eltctric Frenic 5000 FRN 45G11S-4EN, установленного в системе электроснабжения АВО газа [2]

В тоже время, на КТП АВО газа для снижения потерь в элементах системы электроснабжения и повышения нагрузочной способности трансформаторов традиционно применяется компенсация реактивной мощности (КРМ) с помощью конденсаторов. Существуют два подхода к решению задачи КРМ в системах электроснабжения АВО газа - индивидуальная КРМ каждого электродвигателя и групповая КРМ на общей шине питания электродвигателей в зависимости от суммарной нагрузки секции реактивным током. Современное конструкционное исполнение установок КРМ, в частности КРМ в режиме реального времени - динамическая компенсация реактивной мощности (ДКРМ), позволяет рассматривать ее, наряду с ПЧ и устройствами плавного пуска, как средство позволяющее комплексно решать проблемы эффективности и надежности работы электропривода АВО КС МГ.

Кроме приводов с циклической и повторно-кратковременной нагрузкой [3], ДКРМ может эффективно применяться при выбеге АД с большой электромагнитной постоянной времени - Тм, где она может рассматриваться как альтернатива устройствам плавного пуска (системам "soft-start"). Реализация режима плавного пуска (изменение, как правило, по линейному закону, напряжения статора АД в функции времени) обеспечивает активный характер нагрузки, ограничивает перегрузки и потери, вызванные токами переходного процесса [4]. Однако существенное снижение пусковых потерь наблюдается только на недогруженном АД (например, при "вентиляторном" моменте сопротивления привода). Следовательно, во многих случаях такие системы принципиально не способны обеспечить заданные кинематические параметры режима пуска (ускорение, рывок), особенно в случае большого результирующего момента инерции JΣ механической части привода (в аппаратах отечественного производства колесо вентилятора устанавливается непосредственно на вал электродвигателя [2]).

В то же время изготовители подобных устройств, активно рекламируя позицию энергосбережения [4], не приводят данных о коэффициенте мощности звена "преобразователь-двигатель", хотя формирование напряжения режима плавного пуска производится фазовым способом - симметричным изменением угла открытия встречно-параллельных тиристоров, значительно искажающим синусоидальность кривой питающего напряжения. Более того, индикация изменения значения cosφ системами "soft-start" может относиться не к сети, а к зажимам АД [5].

Как известно, Тм - период, в течение которого привод разгоняется под действием максимального момента МК до угловой скорости, соответствующей критическому скольжению sк АД, определяется по выражению [6]:

Тм= JΣ ∙ω0∙(1-sк)/Мк, (1)

где ω0 - синхронная угловая скорость.

В качестве примера рассмотрим пусковой режим привода АВО КС МГ, включающий в себя 24-28 вентиляторов (диаметр рабочего колеса 2800 и 5000 мм), с приводом от специальных тихоходных АД серии ВАСО мощностью 30-37 кВт, имеющих низкий собственный cosφн = 0,65÷0,68 [7]. На каждую секцию двухтрансформаторной ТП подключается равное (от 12 до 14) количество АД вентиляторов (электроприемники I категории). В случае аварийного отключения одного из трансформаторов питание всех двигателей АВО осуществляется от одного трансформатора. Проведенные измерения переходного процесса прямого пуска вентилятора с двигателем ВАСО-16-14-24 показали, что за первые 10 секунд соотношение потребления из сети реактивной и активной составляющих полной мощности составило 3:1 (при расчетном cosφэ = 0,31), снизившись к 20-й секунде (при достижении cosφн = 0,67) до значения 1:1 [7].

oscilogramma.jpg
Рис.3. Осциллограмма тока, потребляемого эквивалентной низковольтной двигательной нагрузкой на шинах ТП: 1 - без компенсации РМ; 2 - с использованием ДКРМ [3]

Таким образом, в процессе разгона двигателей генерация емкостной составляющей РМ является существенным фактором уменьшения (в 2÷2,5 раза) тока источника питания (рис. 3), а в аварийном режиме электроснабжения еще и оптимизации загрузки работающего трансформатора. Если в любой момент времени пуска обеспечить равенство эквивалентной проводимости устройства ДКРМ и полной проводимости цепи "двигатель + соединительный кабель", то значение потребляемого тока будет минимальным [7]. Если же с аналогичной целью использовать устройства плавного пуска, то снижение значения Мк (1) приведет к потере темпа разгона привода, более длительному "пребыванию" АД в зоне повышенного скольжения и, как следствие, увеличению потребления из сети РМ. Широко применяемая в приводах АВО индивидуальная статическая компенсация - параллельное присоединение к статорным обмоткам двигателей вентиляторов индивидуальной КБ с РМ - QКБ, рассчитанной по известной формуле из условия длительного режима (S1) работы привода вентилятора: QКБ = P∙(tgφ1 - tgφ2), где φ1 и φ2 угол фазового сдвига между активной и полной мощностью АД до и после компенсации, при пуске не восполнит дефицит РМ, обусловленный большой разностью между величиной тока КБ и индуктивной составляющей пускового тока АД [7]. Отметим, что фактически при установке ДКРМ можно отказаться от использования индивидуальных КБ. Целесообразность их применения объясняется повышением надежности компенсации - частичным дублированием требуемой компенсационной мощности (в случае отказа системы ДКРМ длительный пусковой ток АД вентиляторов может повредить токопроводы РУ, сечение которых рассчитано с соблюдением условий компенсации РМ).

Системы ДКРМ комплектуются специальной модификацией микропроцессорного регулятора РМ и быстродействующими полупроводниковыми контакторами, управление которыми производится от внешнего источника постоянного тока напряжением 10...24 В через транзисторные выходы регулятора [3, 8]. Поскольку, благодаря встроенной схеме "нулевого потенциала", электронные ключи контактора, выполненные на биполярной паре однооперационных (SCR) тиристоров, включаются при равенстве мгновенных напряжений сети и соответствующей фазы КБ, а отключаются - в момент перехода тока через нулевое значение, выброс коммутационных импульсов в компенсируемую сеть будет крайне незначителен [3]. Эта положительная особенность тиристорных контакторов позволяет практически одновременно (с минимальным временем выдержки регулятора - до 1 секунды) включать несколько ступеней КУ и быстро достигать баланса РМ (позиция 2 - рис. 3), соответствующего введенной в регулятор уставки требуемого значения коэффициента мощности сети - cosφ, так как переключение контакторов происходит в течение нескольких миллисекунд [3, 8]. Появление режима перекомпенсации при резком сбросе в сети РМ нагрузки после завершения пуска АД исключается за счет возможного форсированного отключения КБ ступеней снятием сигнала управления - подачей регулятором логического "0" (рис. 3) одновременно на вход всех ранее активированных ключей контакторов.

В устройствах динамической компенсации реактивной мощности между выходами тиристорного контактора и зажимами КБ ступени устанавливается трехфазный токоограничивающий дроссель или, при значительном уровне сетевых гармонических искажений крайне неблагоприятного для теплового режима конденсаторов, специальный фильтрокомпенсирующий дроссель, предотвращающий возникновение резонансных явлений в частотно-расстроенных звеньях "дроссель-КБ" [8]. В системах электроснабжения КС МГ широкое распространение получили трансформаторы мощностью 630 и 1000 кВА. Проведенные расчеты [9] показывают, что режим резонанса токов для этих трансформаторов может возможен на частотах 5-17-й гармоники, особенно при частичной загрузке трансформаторов, так как в КТП АВО газа, как правило, установлены комплектные автоматизированные конденсаторные установки (АКУ) мощностью 150-300 квар (дискретность АКУ составляет обычно 12,5, 25 или 50 квар). Мощность индивидуальных КБ равна 33-36 квар [9]. Таким образом, при любом способе КРМ суммарная реактивная мощность АКУ может оказаться достаточно близкой к той величине, при которой возникает резонанс токов [9].

Специфика работы ДКРМ, связанная с возможностью большого числа коммутаций КБ на протяжении короткого отрезка времени, предъявляет особые требования к надежности конструкции косинусных конденсаторов. Поэтому в системе ДКРМ рекомендуется использовать металлопленочные конденсаторы, обеспечивающие повышенные (> 30% от Iном., допустимого согласно стандарту IEC 831) длительные токовые перегрузки КБ. Например, косинусные конденсаторы, выполненные по запатентованной "Siemens Matsushita Components" GmbH&Co (ныне компания Epcos AG) технологии МКК (Metalized Kunststoff Kompakt) - одновременном усилении напыления торцов обкладок и расширении площади их контактной поверхности, за счет сочетания ровного и волнового среза кромок пленки, укладываемой с небольшим смещением витков [3, 8]. Учитывая высокую скорость переходных процессов, защита ступеней КБ динамических систем от короткого замыкания осуществляется электронными быстродействующими предохранителями [8].

В заключении отметим, что комплексные системы ДКРМ открывают принципиально новые функциональные возможности применения схем безинерционного регулирования РМ компенсации для решения задач электроснабжения в переходных режимах работы отдельных технологических групп промышленного оборудования, в том числе систем АВО газа КС МГ [7]. При этом улучшаются технико-экономические показатели и условия статической устойчивости энергосистемы в целом.