Введение (стр. 2 )

,

(1.8)

где ρ – плотность жидкости (возьмём максимальную плотность для перекачиваемой нефти), ρ = 850 кг/м3;

Qmax – максимальная производительность нефтепровода, 1250 м3/с;

НQmax – напор, развиваемый насосом при подаче Qmax, НQmax = 260 м;

("7") hн – КПД насоса;

ωн – номинальная скорость вращения насоса.

Н. м.

Момент на валу насоса при максимальной скорости, учитывая уравнение (1.7), можно найти следующим образом:

.

(1.9)

Н. м.

1.4.3. Выбор электродвигателя

Рассчитаем мощность электродвигателя при номинальной скорости в режиме максимальной подачи для рассматриваемого нефтепровода:

	.	(1.10)
	кВт.

Приведём также полученную мощность электродвигателя к максимальной скорости вращения насоса по следующей формуле, учитывая формулу (1.7):

.

(1.11)

кВт.

Учитывая перечисленные в подразделах 1.2 и 1.3 требования, выберем электродвигатель по мощности из каталога. Тип и технические характеристики двигателя согласно [10] приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Технические характеристики электродвигателя

Тип двигателя	Pн, кВт	Uн, кВ	Скольжение, %	n, об/мин	ηн, %	cosφн	λ	Iпуск/ Iн	J, кг. м2
4АЗМП	1250	10	0,9	2973	96,4	0,88	2,1	5,5	11,3

("8") Электродвигатель 4АЗМП-1250/10000 – короткозамкнутый взрывозащищённый АД привода механизмов с нормальными условиями пуска. Изготовлен с учётом ТУ16-528.285-84. Имеет замкнутый тип вентиляции. Масса двигателя составляет 4380 кг.

Номинальный момент электродвигателя найдём по следующей формуле:

,

(1.12)

где ω0 – скорость вращения холостого хода электродвигателя, ω0 = 314 рад/с.

Н. м.

Следовательно, максимально допустимый момент при частоте не больше номинальной равен:

Н. м.

При регулировании скорости вверх от номинальной при постоянном напряжении критический момент АД падает пропорционально квадрату относительной частоты [11]. Следовательно, максимально допустимый момент при максимальной рабочей скорости насоса будет равен:

Н. м.

То есть больше чем максимальный момент на валу насоса при перегрузочной способности λ = 2,0.

1.4.4. Выбор и описание преобразователя частоты

Выбор преобразователя частоты также необходимо осуществлять, учитывая требования к системе электропривода. Из всего спектра ПЧ этим требованиям соответствуют следующие:

ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока с автономным инвертором тока (АИТ); ПЧ промежуточным звеном постоянного тока с автономным инвертором напряжения (АИН).

Минусом непосредственных преобразователей частоты является то, что частота выходного напряжения преобразователя всегда ниже частоты входного, из-за чего их применяют только в тихоходных машинах.

ПЧ на основе АИТ используются в основном в системах электропривода, в которых необходим реверс мощности, так как они имеют ряд недостатков:

несинусоидальный выходной ток (увеличиваются потери в двигателе и, как следствие, требуется разгрузка по мощности); наличие коммутационных перенапряжений и бросков тока (необходимо использовать сглаживающий фильтр на выходе ПЧ или специальный двигатель с демпферной обмоткой); ("9") большее влияние на сеть вследствие генерации высших гармоник управляемым выпрямителем (требуется фильтр на входе ПЧ); значительные массу и габаритные размеры.

Среди недостатков ПЧ с АИН – проблема “длинного кабеля”.

Одним из важнейших критериев при оценке эффективности ПЧ является обеспечение их электромагнитной совместимости со стандартными асинхронными двигателями. Являясь источником высших гармоник, они оказывают влияние как на потери в двигателе и его допустимую нагрузку, так и на изоляцию статора. Это обстоятельство является особенно важным, и его нужно учитывать при выборе типа инвертора и соответственно ПЧ для стандартных высоковольтных асинхронных двигателей, имеющих ограниченные запасы по изоляционной прочности.

В системе «ПЧ – асинхронный двигатель» можно использовать любой стандартный двигатель, но необходимо учитывать снижение допустимого момента вследствие дополнительных потерь из-за высших гармоник в токе автономного инвертора и ухудшения условий охлаждения самовентилируемых двигателей при работе в диапазоне регулирования частоты вращения. Последний фактор для электроприводов насосов несущественен, так как со снижением скорости ток электродвигателя, а, следовательно, и потери, быстро уменьшается.

Радикальное решение, наиболее эффективно обеспечивающее электромагнитную совместимость ПЧ и электродвигателя без разгрузки последнего, – применение специальных алгоритмов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) при управлении трёхфазным инвертором с фиксацией нейтральной точки. Силовая схема таких инверторов несколько усложняется, однако позволяет формировать три уровня напряжения на выходе каждой фазы инвертора (+E, 0, - E), и таким образом существенно снизить содержание высших гармоник в выходном напряжении до THD = 1-3% и, следовательно, уменьшить требования к выходному фильтру преобразователя [12].

Подобные преобразователи выпускают такие компании как Siemens (Simovert), Alstom (Alspa VDM), ABB. В России такое схемное решение взято за основу следующими компаниями: "Ансальдо-ВЭИ", ВНИИЭ и ОАО "Электровыпрямитель". В настоящее время качественные показатели подобных ПЧ российских компаний ниже зарубежных аналогов, поэтому, несмотря на большую стоимость, последние являются более предпочтительным вариантом.

Чтобы обеспечить оптимальный режим работы АД при всех значениях частоты и нагрузки, относительное напряжение двигателя, согласно закону Костенко, изменяют пропорционально произведению относительной частоты на корень квадратный из относительного момента двигателя. Для вентиляторного момента нагрузки данный закон принимает следующий вид:

U* = α2,

(1.13)

где U* – относительное напряжение;

α – относительная частота.

Повышение частоты при постоянном, в частности номинальном, напряжении на выводах двигателя даёт возможность расширить диапазон регулирования скорости вверх от её номинального значения для электродвигателей стандартного исполнения, которые не допускают повышение напряжения выше номинального в течение продолжительного времени работы. Однако стоит учитывать, что при данном способе регулирования скорости происходит уменьшение магнитного потока и возрастает индуктивное сопротивление рассеяния статора. Следовательно, уменьшается максимально допустимый момент двигателя. Снижением же КПД при небольших изменениях частоты можно пренебречь [12].

Рассчитаем мощность ПЧ, с учётом КПД электродвигателя.

,

(1.14)

где Pmax – мощность электродвигателя в режиме максимальной подачи нефтепровода при максимальной скорости вращения насоса, Вт;

ηдв. – КПД электродвигателя.

кВт.

Требуемую полную мощность ПЧ найдём по следующей формуле:

.

(1.15)

("10")  

кВА.

Из каталога наиболее близкий схемному решению, рассмотренному в подразделе 1.3, преобразователь частоты – это Siemens Simovert MV 6SE8015-1DA01, основные характеристики которого, согласно [13], вынесены в табл. 1.3, где Tо – средняя наработка на отказ, Tсл. ср. сп. – полный средний срок службы до списания согласно [14].

Таблица 1.3

Технические характеристики преобразователя частоты

Uн, В (выходное)	Uном, В (входное)	Sном, кВА	Iном, А	Tсл. ср. сп, г	Tо, ч	ηн, %	Вес, кг
10000	10000	1500	145	10	24000	97,5	5600

("11") Диапазон изменения выходной частоты: 0 – 66 Гц. Охлаждение – воздушное с расходом воздуха 2,2 м3/с.

Принципиальная схема ПЧ представлена на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Принципиальная схема преобразователя частоты

   

5.  Пуск и останов магистрального насосного агрегата

Пуск и останов асинхронного двигателя с заданным темпом можно обеспечить, используя возможность ПЧ плавно регулировать частоту напряжения и его величину.

Схема подключения электродвигателей МНА к преобразователю частоты изображена на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Схема подключения электродвигателей магистральных насосных агрегатов к преобразователю частоты

Так как требуется небольшой диапазон регулирования давления, с целью снижения капитальных затрат на станции используется только один ПЧ, к которому присоединяется регулируемый электропривод. От этого же преобразователя производится последовательный пуск и останов всех остальных АД. При этом электродвигатели подключаются через высоковольтные выключатели как к секции шин ПЧ, так и к секции шин 10 кВ электроснабжения НПС. Прямой пуск используется в качестве резервного при отказе преобразователя частоты. Для регулирования давления в качестве резерва предусматривается дросселирование.

В случае необходимости остановки или пуска магистрального насосного агрегата, не подключенного в данный момент к преобразователю частоты, регулируемый асинхронный электродвигатель останавливается, либо выводится на номинальную частоту напряжения и переключается на секцию шин 10 кВ электроснабжения НПС, после чего выполняется операция пуска или останова требуемого МНА.

2. РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ РАЗОМКНУТОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАГИСТРАЛЬНОГО НАСОСНОГО АГРЕГАТА

Одними из требований, предъявляемых к разрабатываемой системе электропривода, как уже указывалось выше, являются обеспечение мягкого пуска с моментом, незначительно превышающим номинальный, плавное регулирование скорости с постоянным ускорением, стабильность давления на нагнетании и всасывании станции, с ограничением соответственно максимального и минимального давления. Реализацией данных требований занимается система управления электропривода.

Для синтеза системы управления электропривода с требуемыми параметрами рассмотрим вначале переходные процессы в разомкнутой системе ПЧ – АД – ЦН – МН при ρmax:

пуск МНА (при одном работающем ЦН) до максимальной скорости при выводе НПС на максимальную производительность; повышение давления на нагнетании выше значения уставки при остановке МНА на следующей по ходу нефти НПС, САР должна компенсировать такое повышение давления согласно [15]; снижение давления на всасывании ниже значения уставки на 20%; плавный останов МНА.

Для описания работы системы ПЧ-АД воспользуемся следующим выводом из [16]: при условии работы системы ПЧ-АД со статическим моментом меньше критического можно пренебречь электромагнитными процессами.

Для удобства математические расчёты и построение графиков будем проводить в относительных единицах. В качестве базовых величин возьмём следующие: Mн – номинальный момент электродвигателя, ω0н – скорость холостого хода электродвигателя при номинальной частоте напряжения, fн – номинальная частота напряжения, pmax – максимальное рабочее давление на выходе станции, pmin – минимальное рабочее давление на всасывании НПС.

("12") Структурная схема разомкнутой системы управления электропривода изображена на рис. 2.1, где FH(p) – передаточная функция звена ЦН.

Рис. 2.1. Структурная схема разомкнутой системы управления электропривода

Согласно структурной схеме имеем следующие уравнения:

,

(2.1)

где ω* = ω/ω0н – относительная скорость вращения АД;

M* = M/Mн – относительный момент АД;

= Mc/Mн – относительный статический момент нагрузки;

λ – перегрузочная способность АД;

TM – электромеханическая постоянная времени, с.

,

(2.2)

где sн – номинальное скольжение АД;

α = f/fн – относительная частота напряжения питания.

,

(2.3)

где - относительное напряжение задания ПЧ;

Tп – постоянная времени ПЧ, Tп = 0,01 с, согласно [15].

,

(2.4)

("13") где J = Jдв. + Jн. – суммарный момент инерции АД и насоса, кг. м2;

Mкр. н = Mmax/0,8 – номинальный критический момент АД.

с.

Так как мы увеличиваем скорость АД относительно номинальной на 11% (скорость ЦН – на 10%), то относительное напряжение задания при этой частоте будет равно = 1,11. С другой стороны необходимо осуществлять плавное линейное изменение частоты при пуске, поэтому напряжение задания будем менять следующим образом:

,

(2.6)

где t – время, прошедшее с начала пуска, с;

kз – коэффициент задания.

,

(2.7)

где tп – время пуска электродвигателя, tп = 5,5 с.

При данных требованиях tп задаётся из условия, чтобы момент электродвигателя при пуске незначительно превышал номинальный.

Давление на нагнетании станции pнс при регулировании частоты вращения ЦН изменяется в соответствии с уравнением (1.4). Давление на всасывании НПС pвс изменяется в соответствии с (Q – H)-характеристикам центробежных насосов и гидравлической сети до станции по ходу нефти.

Графики зависимостей относительной частоты напряжения, момента АД, скорости вращения и давления от времени при переходных процессах построены в среде MathCAD 2000 Professional с использованием подпрограммы rkfixed (метод Рунге-Кутта). Графики динамических процессов при пуске приведены на рис. 2.2.