Асинхронные двигатели

Успешная работа электрических станций может быть обеспечена только при надежном функционировании многочисленных механизмов собственных нужд (МСН). Основные видом привода для МСН служат электродвигатели, главным образом асинхронные. Асинхронные двига­тели (АД), часто называемые в зарубежной литературе индукционными, отличаются от синхронных двигателей тем, что частота вращения их роторов непостоянна, т.е. зависит от нагрузки. С возрастанием нагрузки частота вращения АД уменьшается. Предельный допустимый момент механической нагрузки достигает двух- трехкратного номинального зна­чения, частота вращения при этом снижается по сравнению с синхрон­ными двигателями на 10—15 %.

Особенно многочисленными являются двигатели собственных нужд тепловых электростанций (ТЭС), приводящие в движение механизмы подготовки и транспортировки топлива, мельницы, грохоты, дробилки, конвейеры. Обширно хозяйство тягодутьевых механизмов (дымососов, вентиляторов), различных компрессоров, насосов, используемых в систе­мах водоснабжения, смазки и других устройств технологического обеспечения. Следует отметить также приводные устройства клапанов задви­жек, заслонок, подъемно-транспортной техники.

Аналогичное оборудование применяется и на гидроэлектростанциях (ГЭС), хотя и в существенно меньших масштабах, так как на ГЭС, очевидно, нет необходимости в комплексе, отвечающем за подготовку топлива.

Большая часть МСН относится к устройствам высокой ответственно­сти, остановка которых может привести к повреждениям и авариям основного оборудования, производящего энергию, т.е. турбо- и гидро­генераторов. В первую очередь к этой группе относятся питательные и бустерныенасосы, тягодутьевые механизмы. Например, прекращение подачи воды в котел ТЭС требует принятия практически немедленных мер к снижению его нагрузки, а в дальнейшем — к останову.

При остановке дутьевых вентиляторов или дымососов ТЭС требуется снижение производительности котлов. К ответственному оборудованию, непосредственно влияющему на работу блоков ТЭС, относятся также конденсатные, циркуляционные и сетевые насосы, мельницы, вентиля­торы, насосы смазки и системы охлаждения генераторов, трансформато­ров, приводы задвижек и другие устройства.

К условно «неответственным» механизмам относятся такие, прекра­щение которых не приводит к существенному изменению нагрузки основного оборудования, однако основное оборудование ТЭС и ГЭС, а также вспомогательные устройства жестко связаны в едином технологи­ческом цикле. Нарушения работы большинства МСН оказывают воздей­ствие на работу основного оборудования. Взаимосвязь между работой основного оборудования и МСН обеспечивается действием устройств регулирования, реализуемым при сложном характере управления привод­ными двигателями.

Основным видом привода для МСН служат электродвигатели, глав­ным образом асинхронные с короткозамкнутой обмоткой ротора. Относи­тельно небольшую зону занимают синхронные двигатели, а для некото­рых механизмов, в том числе и резервных, применяют и двигатели постоянного тока.

Система питания асинхронных двигателей (АД) включает в себя источники электроснабжения, распределительные устройства (РУ) и сети 6,3—10,5 кВ, понижающие трансформаторы, РУ и сети 0,4 кВ, выпрями­тельные установки, сети постоянного тока.

Применяемые АД для привода ответственных МСН энергоблоков ТЭС мощностью от 200 до 8000 кВт частотой вращения (300—3000) 1/мин напряжением 6 кВ устанавливаются непосредственно на площадке ТЭС, а напряжением 10 кВ — на удаленных объектах (например, на береговых насосных станциях). По мере развития регулируемого по частоте враще­ния привода находят применение и двигатели с фазным ротором, в кото­рых обмотка ротора не короткозамкнутая типа «беличьей клетки», а сходна с трехфазной обмоткой статора. Такие двигатели применяются для привода мельниц-вентиляторов и тягодутьевых механизмов.

До недавнего времени комплектация МСН осуществлялась АД обще­промышленного назначения. Частые пуски, необходимость регулирова­ния частоты вращения, определяемой режимом нагрузки ТЭС, повышен­ные моменты инерции многих механизмов потребовали создания новых вариантов двигателей и качественно иных типов приводов, предназначен­ных для эксплуатации в условиях электростанций. Работа значительного числа энергоблоков при меняющихся и неполных нагрузках, т.е. сущест­венное возрастание доли времени работы станций в регулировании нагрузки приводят к необходимости внедрения регулируемого электро­привода МСН. Применение двухскоростных АД, нередко используемых на станциях, не дает полного решения проблемы.

Частые пуски АД и переключения схем обмоток статоров с целью изменения числа их полюсов снижают уровень надежности как самих приводных двигателей, так и коммутирующей аппаратуры, рассчитанной на ограниченное число прямых пусков.

Регулируемый электропривод представляет собой комплексную систему, состоящую из АД, преобразователя частоты (ПЧ) напряжения и управ­ляющих цепей автоматического управления режимами.

Такой привод получил название частотно-регулируемого, где для раз­личных ПЧ используются тиристорные и транзисторные полупроводни­ковые ключи. Во всем диапазоне нагрузок КПД преобразователя частоты с асинхронными двигателями весьма высок (96-—99 %).

Применение этого типа привода позволяет существенно снизить энер­гопотребление МСН, улучшить условия их эксплуатации, увеличить надежность, снизить расходы на ремонт, облегчить условия весьма тяже­лых пусков мощных механизмов. Расчеты и исследования показывают, что эффективность применения регулируемых приводов переменного тока дает экономию энергии в 8—14 %, а также уменьшает удельный рас­ход топлива на ТЭС.

Опыт практического использования частотно-регулируемого привода представляется весьма перспективным при небольших сроках окупаемо­сти и масштабы его применения будут возрастать, особенно с интенсив­ным внедрением новых элементов силовой полупроводниковой техники, унифицированных систем управления, защиты и диагностики с использо­ванием микропроцессорной техники, а также новых высоконадежных синхронных вентильно-реактивных двигателей.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит принцип обратимости электрических машин?

2. Опишите конструкцию синхронной машины (СМ).

3. Каково чередование полюсов СМ?

4. От чего зависит частота генерируемого напряжения СМ? Назовите частоты вращения СМ в Европе и США.

5. Объясните принцип действия СМ.

6. Что такое угонная частота вращения синхронных генерагоров?

7. Объясните особенности способов охлаждения турбо- и гидрогенераторов.

8. Охарактеризуйте задачи и структуру систем возбуждения СМ.

9. Изобразите характеристики СГ, работающих на автономную нагрузку.

10. Как правильно включить СГ на параллельную работу с сетью?

11. Что означает статическая устойчивость СГ?

12. В чем назначение синхронных компенсаторов?

13. Каковы преимущества и особенности АСТГ?

14. Классифицируйте типы асинхронных двигателей (АД) в системе механизмов собст­венных нужд (МСН).

15. В чем достоинства электропривода, питаемого от преобразователей частоты (ПЧ)?

Литература для самостоятельного изучения

7.1.ТокаревБ.Ф. Электрические машины. Т. 1, 2 : учеб. пособие для вузов. М.: Эперго-атомиздат, 1990.

7.2. Иванов-Смоленский А.В.Электрические машины. Т. 1, 2: учебник для вузов. М.: Издательство МЭИ, 2004.

Глава восьмая