Автор: П.В. Митюков, К.А. Чубуков (ООО НПП «ЭКРА»)

Опубликовано в журнале Химическая техника №3/2017

Режим подхвата агрегата на выбеге («самоподхват») является основным способом повышения надежности и безаварийности работы автоматизированного асинхронного электропривода (ЭП) и управляемого им механизма (агрегата) при кратковременных провалах или прерываниях питающего напряжения, т.е. в то время, когда преобразователь частоты (ПЧ) не способен выполнять регулирование агрегата. При восстановлении питающего напряжения ПЧ до номинальных значений (по частоте и амплитуде) начинается автоматический процесс подхвата асинхронного ЭП на выбеге с промежуточной частоты вращения, до которой успел затормозиться агрегат за то время, пока питающее напряжение ПЧ не соответствовало требуемым значениям. Основными критериями режима подхвата агрегата на выбеге являются отсутствие бросков тока и момента, безаварийность работы оборудования, длительность процесса. При затянувшемся процессе подхвата на выбеге опасность представляют отклонения от нормы технологических параметров, так как технологические защиты останавливают технологический процесс при фиксации отклонений, что приводит к аварийным ситуациям и простоям оборудования.
Подхватом на выбеге принято называть процесс автоматического восстановления работы автоматизированного ЭП без вмешательства эксплуатационного персонала после кратковременного (до нескольких секунд) провала или прерывания питающего напряжения, вызванного проблемами в сети или срабатыванием межсекционного АВР. Подхват на выбеге считается успешно завершенным, если после восстановления напряжения питания ПЧ электродвигатель (ЭД) вышел на заданную частоту вращения.
Процесс выполнения подхвата на выбеге представляет собой последовательность выполнения следующих этапов: сохранение работоспособности автоматизированного ЭП, выбег агрегата, восстановление напряжения питания ПЧ, поиск частоты вращения агрегата, формирование напряжения, разгон агрегата до заданной частоты вращения.
При кратковременном (от трех до десяти периодов сети) снижении напряжения питания ПЧ до предельно допустимого значения ЭП переходит в этап торможения и ПЧ начинает использовать кинетическую энергию агрегата для поддержания безопасного напряжения в звене постоянного тока. Это приводит к тому, что при восстановлении напряжения происходит удержание агрегата на промежуточной частоте вращения с поглощением энергии с последующим возвратом к заданным номинальным параметрам регулирования.
При возникновении длительных провалов или прерываний напряжения питания, приводящих к срабатыванию внутренних уставок блокировок, по состоянию питающего напряжения или напряжения звена постоянного тока инвертора ПЧ закрывает силовые ключи и блокирует работу инвертора, при этом агрегат переходит в режим свободного выбега. Максимальная длительность нахождения ПЧ в блокировке определяется в первую очередь особенностями технологического процесса, в котором участвует автоматизированный ЭП, и настраивается соответствующим параметром защиты. ПЧ может находиться в заблокированном состоянии продолжительное время, которое может достигать десятки секунд и зависит от времени саморазряда емкостей звена постоянного тока при условии, что система управления ключами инвертора питается от звена постоянного тока.
Торможение агрегата выбегом представляет собой сложный электромеханический процесс, характер которого зависит от длительности и глубины провала или прерывания питающего напряжения, от нагрузки на валу, его параметров и конструкции. Упрощенно можно говорить о том, что ЭД отделен от питающей сети ПЧ, и в нем происходит процесс затухания ЭДС в обмотке статора. Если пренебречь моментом трения, то выбег может быть описан следующей зависимостью
 
w»1/(1 + t/Tj),
 
где w – угловая частота вращения ротора, рад/с; t – время от момента блокировки ПЧ, с; Tj – механическая постоянная времени агрегата, с.
Восстановления питающего напряжения характеризуется внутренними переходными процессами в ПЧ. В трансформаторе может протекать прерывистый ток, а при длительных прерываниях питающего напряжения и ток прямого пуска трансформатора с броском кратностью 3…10 номинального значения и длительностью затухания, определяемой постоянной времени намагничивания. Преимуществом полууправляемого выпрямителя заключается в возможности осуществить дозаряд конденсаторов звена постоянного тока до уровня входного значения по завершению переходного процесса.
Основной проблемой подхвата агрегата на выбеге является задача точного определения частоты вращения агрегата, находящегося в процессе свободного выбега после восстановления питающего напряжения ПЧ, исключающее перерегулирование частоты и предотвращающее переход ЭД в генераторный режим из-за несоответствия частоты статора в момент подачи управления на силовые ключи ПЧ. Существуют несколько методов поиска частоты вращения агрегата. В ПЧ серии ЭСН реализованы следующие методы: метод поиск по ЭДС; метод с инжекцией энергии в ЭД с поиском по току; метод с инжекцией энергии в ЭД с поиском по ЭДС.
В ПЧ серии ЭСН алгоритм поиска строится на автоматическом выборе системой управления ПЧ метода поиска в зависимости от начальных условий. Приоритетным методом поиска, обеспечивающим наилучшее быстродействие и отсутствие бросков тока, является метод по наведенному напряжению в обмотках статора (поиск по ЭДС). В асинхронных двигателях ЭДС невелико и характеризуется быстрым спадом. В случаях, когда время блокировки инвертора ПЧ было значительным и наведенное напряжение на статоре пренебрежимо мало, поиск частоты вращения осуществляется по методу с инжекцией энергии в ЭД.
После определения частоты вращения агрегата на выбеге необходимо максимально быстро сформировать требуемое напряжение агрегата и выполнить это без перерегулирования частоты для исключения перехода ЭД в генераторный режим. Момент начала формирования напряжения характеризуется перерегулированием тока в обмотке статора, обусловленного необходимостью удержания ЭД на действующей частоте вращения.
Подхват на выбеге асинхронного ЭД 630 кВт:
Uab – входное линейное напряжение ПЧ;Uuv – выходное линейное напряжение ПЧ;
Iv – выходной фазный ток ПЧ
Пример выполнения процесса подхвата на выбеге асинхронного ЭД мощностью 630 кВт ПЧ серии ЭСН показан на рисунке. Предложенная идея использования автоматического выбора метода поиска частоты вращения асинхронного ЭД в процессе подхвата на выбеге, в зависимости от начальных условий, реализована в ПЧ серии ЭСН и позволяет существенно повысить надежность работы автоматизированного ЭП, сократить количество отказов и время простоя оборудования в условиях нестабильных энергосистем (дизель-генераторные, газотурбинные станции и т.д.), в условиях частых замыканий в сетях или в слабых сетях с пусками мощных электрических машин вызывающих кратковременные пропажи и провалы питающего напряжения, а также упрощает и улучшает качество управления технологическим процессом без участия системы автоматизации объекта и обслуживающего персонала.