(декабрь 2012 года)
На главных приводах печей обжига клинкера большинства цементных заводов России установлены однодвигательные и двухдвигательные электроприводы с высоковольтными (6 кВ) асинхронными электродвигателями с фазным ротором (АД ФР) мощностью
а б
Рисунок 1 - Однолинейные структурные схемы главного привода печей обжига с АД ФР и ПРКС
а — однодвигательный электропривод; б — двухдвигательный электропривод.
Управление моментом и скоростью АД ФР с помощью ПРКС осуществляется за счет регулирования активного тока ротора путем ступенчатого изменения омических сопротивлений в цепи обмотки ротора. При этом активная мощность скольжения ротора (Рр) потребляется из питающей сети и расходуется на нагревание сопротивлений ПРКС. При пуске печи с нулевой скорости активная мощность скольжения Рр определяется пусковым током и максимальна, а мощность на валу Рв=0. По мере увеличения скорости вала АД ФР активная мощность вала Рв растет, а мощность скольжения ротора Рр падает, т.е происходит перераспределение активной мощности между валом и ротором. При этом активная мощность, потребляемая из питающей сети (Рс), остается практически постоянной, поскольку момент сопротивления нагрузки мало изменяется при увеличении скорости вала.
Основным достоинством электропривода с АД ФР и ПРКС является надежность и простота используемого оборудования, которое может обслуживать персонал относительно низкой квалификации.
Электроприводы печей обжига клинкера с АД ФР и роторными ПРКС имеют недостатки:
- Ступенчатое изменение сопротивления в цепи ротора при пусках печей приводит к скачкам момента электродвигателя, возникновению ударных механических нагрузок в механических передачах и в самой печи. Ударные механические нагрузки разрушают редукторы и футеровку печей, что приводит к значительным затратам на ремонт печей и приводного оборудования.
- Нет возможности плавного регулирования скорости печей обжига клинкера.
- Нет возможности длительной работы печей с оборотами, отличными от номинальных оборотов, из-за перегрева роторных сопротивлений.
- При пусках и регулировании скорости печей обжига в роторных сопротивлениях ПРКС рассеивается большая мощность, что увеличивает затраты электроэнергии и себестоимость продукции
Альтернативой традиционному электроприводу печей обжига с АД ФР и ПРКС является регулируемый асинхронный электропривод с полупроводниковыми преобразователями электрической энергии, который позволяет устранить все перечисленные выше недостатки.
В настоящее время наметилось четыре направления модернизации главных приводов печей обжига клинкера с применением полупроводниковых преобразователей, получивших практическое использование на цементных заводах:
- Применение схемы асинхронного вентильного каскада (АВК) с сохранением высоковольтного АД ФР и заменой ПРКС на роторный вентильно-тиристорный преобразователь.
- Применение частотно-регулируемого электропривода по схеме машины двойного питания (МДП) с сохранением высокольтного АД ФР и заменой ПРКС на роторный транзисторный преобразователь частоты.
- Применение высоковольтного частотно-регулируемого электропривода с заменой АД ФР на высоковольтный короткозамкнутый асинхронный электродвигатель с высоковольтным преобразователем частоты в статоре электродвигателя.
- Применение низковольтного частотно-регулируемого электропривода с заменой АД ФР на низковольтный короткозамкнутый асинхронный электродвигатель с низковольтным транзисторным преобразователем частоты в статоре электродвигателя.
Кратко охарактеризуем каждое направление модернизации главного привода печей обжига.
1. Асинхронный вентильный каскад (АВК)
АВК является техническим решением, позволяющим осуществлять плавный пуск и регулировать скорость печи с приводными высоковольтными АД ФР от нуля до номинальной скорости. АВК устанавливается между относительно низковольтной обмоткой ротора и высоковольтным статором АД ФР, как показано на рисунке 2, и содержит роторный неуправляемый выпрямитель (В), сглаживающий реактор (Р), сетевой тиристорный инвертор (И), согласующий трансформатор (Тр). Управление моментом и скоростью АД ФР с помощью АВК осуществляется за счет регулирования тока ротора и активной мощности скольжения ротора (Рр), которая циркулирует в контуре: статор АД ФР, зазор, ротор АД ФР, АВК. Активная мощность скольжения ротора Рр не затрачивается на нагрев сопротивлений ПРКС и не потребляется из питающей сети. Из питающей сети потребляется активная мощность Рс, которая поступает на вал электродвигателя для выполнения полезной работы, и мощность потерь в АД ФР, АВК, механических передачах.
Рисунок 2 - Однолинейная структурная схема главного привода печи обжига с тиристорным АВК
Основным достоинством электропривода по схеме АВК (рисунок 2) является относительно низкая стоимость добавляемого при модернизации оборудования, определяемая сравнительно малой стоимостью неуправляемого выпрямителя и тиристорного инвертора, а также возможность сохранения работающих электродвигателей.
К основным недостаткам АВК следует отнести:
- Потребление тиристорным преобразователем из сети дополнительной реактивной мощности, которая поступает от подстанции по силовому кабелю и загружает подстанцию и кабель дополнительным реактивным током. Потребляемая АВК реактивная мощность минимальна при малых оборотах вала АД ФР и увеличивается с ростом оборотов вала. Максимальное потребление из сети реактивной мощности и активной мощности происходит при номинальных оборотах печи. В этом режиме ток в силовом кабеле возрастает ориентировочно на 150% по ставнению с исходной схемой с ПРКС (рисунок 1). Если кабель до установки АВК не имел запаса по току, потребуется прокладка более мощного силового кабеля, либо прокладка дополнительного кабеля для питания АВК, либо установка компенсаторов реактивной мощности, что может привести к существенным затратам в условиях действующего предприятия.
- Возможность возникновения аварийных режимов опрокидывания тиристорного инвертора АВК, ведомого сетью, при просадках напряжения питающей сети в условиях действующего цементного производства, например, при прямых пусках мощных высоковольтных электродвигателей цементных мельниц и др.
Несмотря на перечисленные недостатки тиристорные АВК нашли применение на главных приводах печей обжига клинкера ряда цементных заводов России из-за относительной простоты и низкой стоимости.
2. Частотно-регулируемый электропривод (ЧРЭП) с машиной двойного питания
Специалисты ЗАО «ЭРАСИБ» разработали частотно-регулируемый электропривод (ЧРЭП) для регулирования скорости высоковольтных АД ФР по схеме машины двойного питания (МДП) с роторным рекуперативным транзистотрным преобразователем частоты типа «ЭРАТОН-ФР». Преобразователь частоты «ЭРАТОН-ФР» устанавливается между обмоткой ротора электродвигателя и высоковольтным статором АД ФР взамен роторной станции ПРКС аналогично схеме электропривода с АВК. Упрощенная однолинейная структурная схема силовых цепей такого электропривода показана на рисунке 3.
Рисунок 3 - Однолинейная структурная схема электропривода печи обжига на базе МДП
Роторный преобразователь частоты «ЭРАТОН-ФР» содержит два транзисторных мостовых преобразователя — сетевой и роторный, которые соединены последовательно. Трехфазный ввод сетевого преобразователя (СП) подключен к низковольтным обмоткам согласующего трансформатора (Тр), а трехфазный ввод роторного преобразователя (РП) — через контактные кольца к относительно низковольтным обмоткам ротора АД ФР. Вводы постоянного тока мостовых схем объединены и подключены к накопительному конденсатору С. В результате такого соединения образуется рекуперативный транзисторный преобразователь напряжения, обеспечивающий двухсторонний обмен активной мощностью между ротором АД ФР, статором и сетью с минимальными потерями передаваемой мощности скольжения.
Роторный транзисторный преобразователь должен обеспечить формирование напряжения на обмотке ротора не менее напряжения холостого хода между кольцами ротора, которое не превышает 600 В для АД ФР мощностью 320 кВт. То есть роторный преобразователь является относительно низковольтным, что позволяет использовать относительно недорогие транзисторные преобразователи (РП и СП) и стандартный согласующий трансформатор 6/0,69 кВ.
За счет регулирования амплитуды и частоты активного тока вращающейся части электрической машины роторным преобразователем (РП) регулируется момент и скорость вала АД ФР. Сетевой инвертор (СП) преобразователя «ЭРАТОН-ФР» стабилизирует напряжение в звене постоянного тока независимо от изменений напряжения питающей сети и рекуперирует активную мощность ротора в цепь статора АД ФР.
При регулировании скорости вала до синхронной скорости активная мощность Рв поступает на вал через обмотку статора АД ФР, а мощность скольжения ротора Рр циркулирует в контуре: статор, зазор, ротор, ПЧ «ЭРАТОН-ФР», статор и не потребляется из питающей сети (аналогично АВК).
МДП с преобразователем «ЭРАТОН-ФР» позволяет регулировать скорость вала выше синхронной и уменьшить до нуля потребление реактивной мощности из питающей сети. Еще одним достоинством МДП с ПЧ «ЭРАТОН-ФР» по сравнению с АВК является малая зависимость работоспособности электропривода от колебаний и искажений напряжения питающей сети за счет стабилизации напряжения в звене постоянного тока и за счет применения полупроводниковых ключей с полной управляемостью.
Таким образом, электропривод по схеме МДП (рисунок 3) с роторным преобразователем «ЭРАТОН-ФР» обеспечивает плавный пуск и регулирование скорости печи обжига от нуля до номинальной скорости с минимальными потерями активной мощности скольжения ротора АД ФР аналогично АВК. Дополнительно по сравнению с АВК электропривод «ЭРАТОН-ФР» обеспечивает регулирование скорости выше синхронной, полную компенсацию реактивной мощности и малую зависимость от колебаний напряжения питающей сети. За счет этого во всех режимах работы электропривода по схеме МДП из питающей сети потребляется только минимальная активная мощность, поступающая на вал электродвигателя для выполнения полезной работы, и незначительная мощность потерь в элементах привода.
Электропривод с преобразователем «ЭРАТОН-ФР» имеет несомненные достоинства перед традиционным электроприводом печи обжига с пусковой резисторно-контакторной станцией, но ему присущи и определенные недостатки. Так для достижения близкой к синхронной скорости вала необходима установка датчика положения вала (энкодера), что практически не реализуемо при модернизации действующих приводов с электродвигателями, не имеющими встроенных энкодеров. В диапазоне от 96% до 104% синхронной скорости плавное регулирование скорости преобразователем «ЭРАТОН-ФР» без энкодера невозможно.
Недостатком электропривода по схеме МДП с преобразователем «ЭРАТОН-ФР» также является высокая сложность схемотехнических решений. Преобразователь «ЭРАТОН-ФР» содержит два автономных инвертора напряжения, имеющих большое число электронных защит, что снижает возможности продолжительной непрерывной работы оборудования без отключения электропривода.
Недостатком МДП с ПЧ «ЭРАТОН-ФР» является относительно высокая стоимость рекуперативного транзисторного преобразователя, которая определяется наличием двух преобразователей в роторе АД ФР (сетевого и роторного) на полную пусковую мощность электродвигателя АД ФР.
3. Высоковольтный частотно-регулируемый электропривод
Известен опыт применения высоковольтного частотно-регулируемого электропривода (ЧРЭП) на цементном заводе «Невьянский цементник» холдинга ОАО «ЕВРОЦЕМЕНТгруп». В 2009 году проведена модернизация главного привода цементной печи с заменой низковольтного привода постоянного тока с электродвигателем мощностью 400 кВт на высоковольтный (6 кВ) частотно-регулируемый электропривод с высоковольтным короткозамкнутым асинхронным электродвигателем (ВВ АД) типа ДАЗО мощностью 800 кВт и высоковольтным статорным инвертором (ВВ СП) производства Rockwell Automation. Однолинейная структурная схема такого электропривода показана на рисунке 4.
Рисунок 4 - Однолинейная структурная схема высоковольтного частотно-регулируемого электропривода печи обжига
Высоковольтный частотно-регулируемый электропривод (рисунок 4) позволяет устанить все недостатки главного привода цементных печей с АД ФР и роторной ПРКС и обеспечить плавный безударный пуск и плавное регулирование скорости печи обжига от нуля до синхронной скорости с постоянным моментом на валу. При частотном пуске и частотном регулировании скорости ВВ АД из сети потребляется только активная мощность, поступающая на вал электродвигателя для выполнения полезной работы, что обеспечивает высокую энергоэффективность главного привода печи с высоковольтным ЧРЭП.
Единственным серьезным ограничением в использовании высоковольтного ЧРЭП является высокая стоимость высоковольтного статорного инвертора (ВВ СП). Например, стоимость оборудования для модернизации главного привода печи на заводе «Невьянский цементник» составила сумму порядка 12000 тыс. руб., из которых стоимость ВВ СП производства Rockwell Automation составила сумму порядка 10000 тыс. руб.
4. Низковольтный частотно-регулируемый электропривод
На ряде цементных заводов РФ проведена модернизация главного привода цементных печей с заменой высоковольтных АД ФР на низковольтные (0,4 кВ и 0,66 кВ) асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором (НВ АД) и установкой низковольтных статорных транзисторных инверторов (НВ СИ) иностранного производства (АВВ, Simens и др.). Упрощенная структурная схема низковольтного частотно-регулируемого электропривода с НВ АД и НВ СП показана на рисунке 5.
Рисунок 5 - Однолинейная структурная схема низковольтного частотно-регулируемого электропривода печи обжига
Низковольтный частотно-регулируемый электропривод с низковольтным асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором (НВ АД) и низковольтным статорным инвертором (НВ СП) обеспечивает высокие регулировочные свойства главного привода печи, высокую энергоэффективность аналологично высоковольтному электроприводу при существенно меньших затратах на замену оборудования при модернизации. Например, стоимость низковольтного электродвигателя производства Сафоновского электромашиностроительного завода типа АДПМ мощностью 315 кВт не превышает 1500 тыс. руб. Стоимость низковольтного статорного инвертора для ЧРЭП с электродвигателем мощностью 315 кВт на номинальное напряжение 690В также не превышает стоимость 1500 тыс. руб. С учетом стоимости согласующего «сухого» трансформатора (500 тыс. руб.) общая стоимость оборудования низковольтного ЧРЭП (рисунок 5) не превышает 3500 тыс. руб., что существенно ниже стоимости высоковольтного ЧРЭП (п.п. 3, рисунок 4).
Промышленная эксплуатация низковольтных ЧРЭП с низковольтными транзисторными преобразователями иностранного производства на главных приводах вращающихся печей цементных заводов выявила ряд недостатков, связанных с невозможностью продолжительной работы преобразователей в условиях повышенной загрязненности и высокой температуры окружающей среды в местах установки оборудования. Например, на заводе «Липецкцемент» из-за быстрого загрязнения, частого перегрева и отключения импортного преобразователя было применено резервирование преобразователя частоты, т.е. используется два преобразователя на одном главном приводе печи обжига — один работает, второй в резерве. На Новотроицком цементном заводе по аналогичным причинам для резервирования низковольтного ЧРЭП с импортными электродвигателем и преобразователем на главном приводе цементной печи планируют использовать старые высоковольтные электродвигатели с фазным ротором и тиристорные АВК.
Таким образом, промышленная эксплуатация частотно-регулируемых главных приводов печей обжига выявила необходимость повышения надежности работы преобразователей частоты в условиях повышенного загрязнения, высокой температуры и повышенных отклонений напряжения питающей сети за счет установки оборудования в контейнерные модули с кондиционированием, применением источников бесперебойного питания и «горячим» резервированием оборудования ЧРЭП. Требование повышения надежности ЧРЭП в условиях цементного производства существенно повышает стоимость модернизации главных приводов печей обжига, что делает весьма актуальным поиск технических решений, позволяющих обеспечить высокую надежность работы оборудования и его резервирование при минимальной стоимости.
5. Малозатратная модернизация главного привода цементных печей с применением низковольтных преобразователей частоты без замены высоковольтных асинхронных электродвигателей с фазным ротором
Специалисты ЗАО «ЭРАСИБ» на основе опыта применения МДП на главном приводе печи обжига (п.п. 2) разработали малозатратный частотно-регулируемый электропривод, который обладает всеми достоинствами низковольтного ЧРЭП (п.п. 4), обеспечивает резервирование и минимальную стимость оборудования при модернизации главного привода печи обжига без замены высоковольтных асинхронных электродвигателей с фазным ротором. Упрощенная схема низковольтного частотно-регулируемого электропривода с высоковольтным АД ФР показана на рисунке 6.
Рисунок 6 - Однолинейная структурная схема низковольтного частотно-регулируемого электропривода с высоковольтным АД ФР в обращенном режиме питания со стороны ротора
Низковольтный ЧРЭП на базе высоковольтного асинхронного электродвигателя с фазным ротором (рисунок 6) создается за счет подключения относительно низковольтного ротора АД ФР к питающей сети через низковольтный роторный инвертор напряжения (НВ РИ), отключения высоковольтного статора электродвигателя от сети 6 кВ 50 Гц и его закорачивания. Напряжение ротора высоковольтных АД ФР мощностью 320 кВт, используемых в главном приводе цементных печей, не превышает 620В. Это позволяет использовать относительно низковольтные преобразователи частоты для управления высоковольтными электродвигателями с фазным ротором при закороченном статоре.
Электропривод с АД ФР при короткозамкнутом статоре работает как низковольтный частотно-регулируемый электропривод с векторным управлением моментом короткозамкнутого асинхронного электродвигателя со всеми его достоинствами (п.п. 4). Разница только в использовании обращенного режима, при котором питание на двигатель подается со стороны вращающегося ротора через контактные кольца. Определенным ограничением в использовании такого режима питания АД ФР может явиться необходимость относительно небольшого снижения номинального момента и номинальной мощности электродвигателя из-за загрузки ротора реактивным током, на который обмотка ротора не рассчитана при питании статора АД ФР от сети 6 кВ 50 Гц. Однако это ограничение не существенно и может вообще не проявляться, поскольку мощность электродвигателя выбирается, как правило, с запасом и в обращенном режиме ток статорной обмотки снижается на величину реактивного тока, что в целом сохраняет общий тепловой режим электродвигателя и не требует снижения нагрузки электродвигателя.
Поскольку низковольтный ЧРЭП с высоковольтным АД ФР (рисунок 6) не требует замены электродвигателя, затраты при модернизации главного привода цементной печи снижаются на величину стоимости электродвигателей. Общая стоимость оборудования низковольтного ЧРЭП с одним высоковольтным АД ФР мощностью 320 кВт без стоимости электродвигателя не превышает сумму 2000 тыс. руб., что существенно ниже стоимости высоковольтного ЧРЭП (п.п 3) и почти в два раза ниже стоимости ЧРЭП с заменой АД ФР на низковольтный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (п.п. 4).
Кроме снижения затрат на модернизацию низковольтный ЧРЭП с высоковольтными АД ФР в обращенном режиме питания (рисунок 6) позволяет существенно повысить надежность главного привода цементной печи за счет резервирования оборудования без дополнительных затрат. Повышение надежности главного привода печи обеспечивается за счет сохранения пусковой роторной станции (рисунок 1) в горячем резерве с возможностью быстрого возврата к исходной схеме главного привода в случае отключения преобразователя частоты.
На рисунке 7 показаны однолинейные структурные схемы двухдвигательного электропривода печи обжига до модернизации (а) и после модернизации (б) с использованием низковольтного ЧРЭП и высоковольтного АД ФР обращенном режиме питания с резервированием.
а б
Рисунок 7 - Однолинейные схемы электропривода печи обжига клинкера с двумя АД ФР
а — до модернизации с пусковыми станциями (ПРКС1, ПРКС2);
б — после модернизации с роторными преобразователями «ЭРАТОН-320» в модуле КМ.
Оборудование частотно-регулируемого электропривода (рисунок 7) поставляется полностью смонтированным и готовым к работе в утепленном контейнерном модуле (КМ) с размерами (ДхШхВ) 7500×2500×2500 мм. Контейнерный модуль устанавливается рядом с опорой печи, на которой расположены приводные электродвигатели. В контейнерном модуле установлены: согласующий преобразовательный трансформатор (Тр) «сухого» типа мощностью 630 кВА, высоковольтное коммутационное оборудование (шкаф с механическим высоковольтным разъединителем — ВР и шкаф с высоковольтным реверсивным вакуумным контактором — РВК), шкафы двух преобразователей частоты «ЭРАТОН-320», шкаф низковольтной коммутационной аппаратуры с двумя реверсивными вакуумными контактороми (РНК1, РНК2) и промышленный кондиционер (на рисунке 7 не показан). Пульт дистанционного управления (ПДУ) устанавливается в помещении машиниста печи и соединяется с электроприводом экранированным кабелем.Установка контейнерного модуля и запуск электропривода выполняется в период ремонта печи обжига клинкера. Не требуется замена существующих электродвигателей, кабельного хозяйства и редукторов.Частотно-регулируемый электропривод с двумя преобразователями частоты «ЭРАТОН-320» осуществляет плавный безударный пуск печи обжига клинкера и плавно регулирует обороты печи в требуемом диапазоне. В результате применения ЧРЭП с ПЧ «ЭРАТОН-320» все перечисленные выше недостатки действующего электропривода с ПРКС устраняются. Применение в составе ЧРЭП высоковольтного и низковольтного вакуумного коммутационного оборудования и сохранение ПРКС в горячем резерве позволяет осуществлять быстрый перевод главного привода печи с частотного регулирования скорости на управление от ПРКС и обратно без остановки печи, что существенно повышает надежность главного привода цементной печи.