Применение высоковольтных многоуровневых преобразователей частоты Электротекс для плавного пуска электроприводов насоса

• П. П. Зайцев, главный инженер
• М. Е. Садовников, к.т.н., главный инженер проекта

В 2008 году специалисты ООО «Аметист» разработали и ввели в эксплуатацию автоматизированную систему управления насосной станции хозпитьевого водоснабжения ЕМУП «Водоканал» г. Екатеринбург с частотно-регулируемыми приводами высоковольтных насосных агрегатов 6 кВ., 630 кВт, которая обеспечивает плавный пуск насоса на предприятии.

Насосная станция №3 хозпитьевого водоснабжения (ЕМУП «Водоканал» г. Екатеринбург) включает два насосных агрегата Д2500-62 с высоковольтными асинхронными электродвигателями 6 кВ, 630 кВт, работающие в автоматической системе поддержания давления в напорных трубопроводах.

Рис. Оборудование высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты «Электротекс»

Каждый насосный агрегат имеет набор режимов работы:

• ручной режим управления – ручное управление оборудованием насосного агрегата от шкафа управления насоса без использования комплекса технических средств автоматизации;
• автоматический режим управления – автоматическое управление оборудованием насосного агрегата с целью поддержания давления в напорных трубопроводах насосной станции, обеспечения комплекса защитных функций насосного агрегата. Технологический процесс контролируется с сенсорной панели, расположенной в помещении машиниста насосной станции;
• ручной режим управления с преобразователем частоты – ручное выполнение операций пуск/останов насосного агрегата от преобразователя частоты. Управление преобразователем частоты от пульта дистанционного управления с многострочным жидкокристаллическим дисплеем;
• автоматический режим управления с преобразователем частоты – автоматическое управление преобразователем частоты, операций управления напорной задвижкой, коммутационной аппаратурой с обеспечением защит, блокировок и функциональных возможностей, предусмотренных проектом. Контроль технологического процесса, задание параметров режима осуществляются с сенсорной панели машиниста насосной станции.

Рис. Схема структурного комплекса технических средств автоматизированной системы управления насосной станции

Локальный контроллер управления «Электротекс» каждого насосного агрегата, обеспечивает:

• сбор дискретных сигналов состояния коммутационных аппаратов, сигналов конечных положений напорной задвижки, состояние аппаратов управления напорной задвижкой (открывание/закрывание) для обеспечения блокировок, временных защит исполнения команд.
• сбор аналоговых сигналов фазных токов и напряжений электродвигателя для обеспечения комплекса электрических защит электродвигателя, а также защиты от «сухого хода» насосного агрегата.
• дискретные сигналы управления коммутационной аппаратурой электродвигателя насосного агрегата, электродвигателя напорной задвижки, а также сигнализации аварии «сухого хода» насосного агрегата.
• информационный обмен данными по интерфейсу RS-485 (протокол ModBus_RTU) c центральным контроллером управления насосной станции.
• автоматическое регулирование (ПИД-регулятор) давления в напорных трубопроводах по каналу управления напорными задвижками (для автоматического режима управления без преобразователя частоты).

Рис. Шкафы автоматизированной системы управления насосной станции

Центральный контроллер управления насосной станции обеспечивает:

• комплекс технологических блокировок работы оборудования насосной станции;
• управление насосными агрегатами в автоматическом режиме;
• управление преобразователем частоты в автоматическом режиме;
• анализ работоспособности элементов системы автоматического управления;
• ведение архива событий по каналам управления, по контрольным точкам системы управления, по аварийным событиям системы управления, по аварийным событиям объекта регулирования;
• управление работой насосных агрегатов по интерфейсу RS-485 (протокол ModBus_RTU);
• приём команд управления оборудованием насосной станции по каналу Ethernet от сенсорной панели (от системы управления «верхнего» уровня);
• передачу параметров работы насосной станции по каналу Ethernet на сенсорную панель (в систему управления «верхнего» уровня);
• сбор, обработку и отображение на сенсорной панели информации о системах бесперебойного питания: состояние внешнего питания 220 В.; состояние аккумуляторных батарей и других компонентов.

Рис. Сенсорная панель автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора насосной станции

Преобразователь частоты высоковольтный многоуровневый «Электротекс»

Преобразователь частоты обеспечивает управляемый плавный пуск, а также останов электропривода насоса с выходом на заданный режим, определяемый встроенной системой автоматического регулирования технологического параметра (ПИД-регулятор). Преобразователь частоты оснащён набором технических и программных средств, позволяющих организовать практически любые функциональные возможности автоматического управления.

Преобразователь частоты обеспечивает комплексную защиту двигателя, приводного механизма и внутренних компонентов преобразователя.

Преобразователь частоты высоковольтный многоуровневый «Электротекс» имеет высокий коэффициент полезного действия – 0,98, и высокий стабильный коэффициент мощности – 0,95 во всём диапазоне регулирования.

Для получения высокого коэффициента мощности преобразователя входной трансформатор выполнен по схеме “треугольник-звезда зигзаг“. Применение столь сложной конструкции трансформатора позволило осуществить фазовый поворот питающих напряжений ячеек с шагом 10 электрических градусов. Созданная трансформаторная система позволила создать три группы из шести источников трехфазного напряжения, имеющие фазовые сдвиги минус 25, минус 15, минус 5, плюс 5, плюс 15, плюс 25 электрических градусов по отношению к питающей сети. Использование трансформатора с фазовращением, в сочетании с синтезированным алгоритмом управления инверторными ячейками, позволило получить практически синусоидальную форму входного тока преобразователя даже при использовании шестипульсного входного выпрямителя ячейки. Высокий коэффициент мощности преобразователя по отношению к питающей сети позволяет использовать в качестве источника энергии автономные генераторы, не создавая избыточного запаса по реактивной мощности источника.

Питание ячеек осуществляется с помощью многообмоточного трансформатора. При этом каждая ячейка представляет собой независимый источник переменного управляемого напряжения с возможностью работы с ШИМ. Полученные источники управляемого переменного напряжения соединяются последовательно в звенья, формируя фазу выходного напряжения. Построение трехфазной системы питания асинхронного двигателя производится включением звеньев в “звезду”. Структурная схема преобразователя приведена на рисунке.

Система управления предполагает комбинированное управление мостовыми инверторами, т.е. часть звеньев работает в режиме ШИМ, часть звеньев управляется с выходной частотой преобразователя. Применение многоуровневого звена постоянного тока с комбинированной системой управления позволяет изготовить трехфазный высоковольтный инвертор с использованием полупроводниковых приборов 17 класса. Приборы такого класса широко представлены на рынке полупроводниковых компонентов, имеют высокую надежность и значительно меньшую стоимость по сравнению с компонентами более высокого класса.

Рис. Структурная схема преобразователя частоты высоковольтного многоуровневого

Сравнительно низкое напряжение элементарной ячейки преобразователя в комплексе с комбинированной системой управления, построенной с использованием новейших сигнальных процессоров, позволяет получить форму напряжения на выходе многоуровневого преобразователя близкую к синусоиде, значительно снизить коммутационные нагрузки на полупроводниковые компоненты, улучшить гармонический состав тока, практически исключить коммутационные перенапряжения на обмотках двигателя. Улучшение гармонического состава позволит значительно уменьшить потери в электроприводе, позволит не накладывать ограничения на длину кабеля подключения. Применение сигнальных процессоров дает возможность построить адаптивный алгоритм управления, что позволит расширить рамки применения высоковольтного регулируемого асинхронного электропривода.

Так данная серия высоковольтных преобразователей предполагает создание практически любого закона управления U/f, наличие функции сохранения работоспособности электропривода при глубоких провалах напряжения питающей сети, возможность поиска скорости вращающегося электропривода с последующим “подхватом” и выходом на режим.

Многоуровневые преобразователи частоты «Электротекс» имеют в штатной комплектации отходящую высоковольтную ячейку с приводом линейного разъединителя и приводом заземляющих ножей.

Внедрение системы автоматического управления с высоковольтным многоуровневым преобразователем частоты ЗАО «Электротекс» насосной станции №3 ЕМУП «Водоканал» г. Екатеринбург позволило перейти на качественно новый уровень управления работой насосной станции, а также:

• решить технологические задачи автоматического регулирования давления в напорных трубопроводах посредством частотно-регулируемых электроприводов насосных агрегатов;
• создать систему автоматического регулирования давления в напорных трубопроводах посредством напорных задвижек;
• предоставлять оператору (в АСУ ТП «верхнего» уровня) подробную информацию о состоянии всех компонентов насосной станции в виде мнемосхем, графиков изменения технологических параметров с архивированием данных;
• вести журнал аварийных событий, действий оператора, изменений состояния оборудования системы, мотто-часов работы оборудования;
• предоставлять оператору информацию о необходимости проведения технического обслуживания компонентов системы, например, аккумуляторных батарей систем бесперебойного питания, оборудования насосных агрегатов;
• экономить ежегодно, по предварительным расчётам, до 2014,8 МВт*час электроэнергии, при этом, ориентировочный срок окупаемости проекта составляет 1,5...2 года.