АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ РАЗЛИЧНЫХ СТРУКТУР В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ БУРОВЫХ УСТАНОВОК

Минерально-сырьевая промышленность – одна из важнейших и наиболее быстро развивающихся отраслей промышленности Российской Федерации, однако, большое количество месторождений страны находится в районах со сложными условиями их разработки и эксплуатации. В большинстве случаев, такие районы расположены сравнительно далеко от промышленных линий электропередач, поэтому к буровым установкам (рис. 1), разрабатывающим скважины в указанных условиях, предъявляются повышенные требования к автономности и энергоэффективности.

Современный электропривод буровых установок, как правило, представляет собой многодвигательную электромеханическую систему, которая должна быть полностью регулируемой. Характерными особенностями таких ЭП являются: большая энерговооруженность; обеспечение главных технологических операций; высокая степень автоматизации; высокие требования к надежности; высокий потенциал в энергосбережении; высокие требования к массогабаритным характеристикам [3].

Рисунок 1. Буровая установка

Основой многодвигательных ЭП главных механизмов буровых установок являются бесконтактные электродвигатели, как правило, асинхронные (АД). Широкое распространение АД получили благодаря простой конструкции, высокой надежности, низкой стоимости и возможности обеспечить регулирование частоты вращения в переходных и установившихся режимах с помощью простых технических средств.

При разработке многодвигательных ЭП перед коллективом разработчиков стоит важная задача выбора структуры преобразователя частоты (ПЧ). Именно от решения этой задачи зависит возможность обеспечения высокого уровня энергосбережения и совместимости электромеханической системы, её надежности.

Рассмотрим различные способы построения структуры ПЧ многодвигательного ЭП, их недостатки и преимущества.

Большинство компаний-производителей приводной техники строят ПЧ по двухзвенной схеме. В состав такого ПЧ входят: диодный выпрямитель и автономный инвертор.

Рассмотрим возможность управления группой АД буровой установки с использованием общего ПЧ, структурная схема такого ЭП представлена на рис. 2. На рис. 2. приняты следующие обозначения: СЭС – сеть электроснабжения, Т – трансформатор, ДВ – диодный выпрямитель, ЗПН -звено постоянного напряжения, ТУ – тормозное устройство, АИ – автономный инвертор, ДР – дроссель, АД Н – асинхронный двигатель бурового насоса,  АД Р – асинхронный двигатель бурового ротора, АД Л - асинхронный двигатель буровой лебедки.

Электропривод с общим ПЧ обладает следующими недостатками: невозможно осуществлять индивидуальное управление двигателями, низкий коэффициент мощности, высокое негативное влияние на качество электроэнергии сети, неэффективное использование тормозной мощности (утилизация в виде тепла на тормозное устройство). К тому же, его использование возможно только в технологических комплексах, исполнительные механизмы которых работают одновременно и в идентичных режимах, а условия работы буровой установки характеризуются большой неравномерностью нагрузки, вызванной изменением свойств забоя, характером процесса разрушения, возникновением значительных вибраций при работе станка и т.д. Таким образом, использование ЭП с общим ПЧ для энергообеспечения и управления главных механизмов буровой установки является нецелесообразным и неэффективным.

Рисунок 2. Структурная схема многодвигательного ЭП с общим ПЧ

В условиях, когда работа исполнительных механизмов характеризуется неравномерностью нагрузки и происходит в различных режимах, как в случае с буровой установкой, могут использоваться индивидуальные ПЧ (рис. 3). Главное преимущество электропривода с индивидуальными ПЧ заключается в возможности независимого раздельного управления приводными двигателями. Однако такой ЭП характеризуется низким уровнем электромагнитной совместимости и коэффициентом мощности, к тому же, весомыми недостатками такого структурного решения являются большие габариты и высокая стоимость. Также значительно усложняется процесс модернизации такого ЭП, реализация энергосберегающих мероприятий и других мер повышения его эффективности.

Рисунок 3. Структурная схема многодвигательного ЭП с индивидуальным ПЧ

Формирование группового ЭП, в котором используются индивидуальные ПЧ, как правило, происходит при последовательной модернизации устаревших электроприводов буровых установок с внедрением преобразователей. Во многих случаях это происходит без учета их электромагнитной совместимости, влияния ПЧ на качество электроэнергии в сетях предприятия и других факторов их эффективного использования [1].

При комплексном решении задач управления и энергоэффективности ЭП может использоваться многоинверторный ПЧ (рис. 4). Такой ПЧ имеет ряд преимуществ, а именно: возможность индивидуального управления электродвигателями, меньшее количество полупроводниковых модулей, использование общей шины постоянного тока, использование общего тормозного устройства, простота монтажа на буровой площадке, улучшенные массогабаритные характеристики, сниженные потери и энергопотребление.

Несмотря на многочисленные преимущества использования многоинверторного ПЧ, он имеет ряд недостатков, обусловленных использованием в его структуре диодного выпрямителя (ДВ), который, как правило, устанавливается на входе такого ПЧ. К этим недостаткам относятся: низкий коэффициент мощности электропривода, высокие искажения напряжения и тока, потребляемого электроприводом, отсутствие возможности рекуперации электроэнергии, завышенное энергопотребление. Распространенное использование ДВ в структуре многоинверторного ПЧ обусловлено его низкой стоимостью.

Рисунок 4. Структурная схема многодвигательного ЭП с многоинверторным ПЧ и ДВ

Для устранения перечисленных недостатков и комплексного решения проблем энергоэффективности буровой установки, в структуре многоинверторного ПЧ целесообразно  использовать активный выпрямитель (АВ) на полностью управляемых тиристорах (транзисторах). Структурная схема такого ЭП представлена на рис. 5. На рис. 5. приняты следующие обозначения: СДР – сетевой дроссель, АВ – активный выпрямитель.

При использовании АВ обеспечивается высокий уровень электромагнитной совместимости ЭП с сетью и другими нагрузками. Также, к преимуществам данного решения относятся: коэффициент мощности на уровне единицы, рекуперация тормозной энергии, автономизация при перебоях электроснабжения или значительном снижении амплитуды напряжения в сети (за счет обеспечение энергетической развязки сети и приводных двигателей) [2].

Необходимо отметить, что использование активного выпрямителя позволяет заменить входной трансформатор на сетевые дроссели, если уровни напряжения сети и двигателей соответствуют друг другу. Одновременно с этим повышение массогабаритных характеристик достигается исключением тормозного устройства. При этом тормозная энергия приводных электродвигателей рекуперируется в сеть (при ее наличии). Таким образом, массогабаритные характеристики многоинверторного ПЧ с использованием в его структуре АВ выше, чем с использованием ДВ.

Рисунок 5. Структурная схема многодвигательного ЭП с многоинверторным ПЧ и АВ

Заметим, что мощность активного выпрямителя ПЧ должна соответствовать мощности всех подключенных электродвигателей. Стоимость активного выпрямителя значительно больше, чем стоимость диодного, однако, высокая стоимость активного выпрямителя на этапе внедрения компенсируется заменой диодных выпрямителей каждого инвертора на один общий (активный выпрямитель), исключением трансформатора и тормозного устройства. В период эксплуатации основной экономический эффект достигается за счет обеспечения единичного коэффициента мощности и высокого качества электроэнергии в сети [4].

Исследование эффективности внедрения АВ в силовой части преобразователя частоты и его воздействие на качество электрической энергии в электроэнергетической системе буровой установки производилось путем имитационного моделирования в среде MatLab. Результатом таких исследований стали осциллограммы входных и выходных токов и напряжений, изображенные на рис. 6 и рис. 7.

Из осциллограмм, представленных на рис. 6 видно: напряжение и ток на входе активного выпрямителя совпадают по форме и фазе и имеют синусоидальную форму - это обеспечивает работу элементов сети в номинальных режимах и позволяет электроприводу функционировать с коэффициентом мощности приближенным к единице. Как следствие, происходит разгрузка электроэнергетического оборудования сети электроснабжения буровой от реактивной мощности.

На рис. 7 представлена осциллограмма, показывающая изменение напряжения в звене постоянного напряжения при подключении нагрузки.  Из нее видно, что активный выпрямитель обеспечивает постоянство напряжения, имея незначительные просадки напряжения при набросе нагрузки.

Таким образом, использование АВ обеспечивает работу многодвигательного ЭП без негативного влияния на форму напряжения сети электроснабжения и потребление электроприводом синусоидальных токов. Этот фактор позволяет электроприводу работать практически с единичным коэффициентом мощности, благодаря чему снижается энергопотребление буровой установки.

Рисунок 6. Изменение напряжения и тока на входе активного выпрямителя при включении нагрузки в цепи постоянного напряжения

Рисунок 7. Изменение напряжения в звене постоянного напряжения при подключении нагрузки

Необходимо отметить, что использование АВ обеспечивает высокий уровень электромагнитной совместимости электропривода с сетью и нагрузкой, в результате чего возникает энергетическая развязка сети и двигателей. Из этого следует, что многоинверторный ПЧ с АВ может обеспечить энергопотребление двигателей буровой установки не только в установившихся, но и в переходных режимах с целью формирования заданных технологических операций и процессов. Все это говорит о том, что использование АВ в структуре многоинверторного ПЧ электропривода главных механизмов буровой установки значительно увеличивает ее энергоэффективность и технические возможности. Таким образом, данная структура электропривода полностью отвечает современным требованиям и обеспечивает высокую экономическую эффективность.

Список литературы:

1. Васильев Б.Ю. Автоматизированный электропривод объектов минерально-сырьевого комплекса (применение, моделирование, исследование). СПб.: Национальный минерально-сырьевой ун-т «Горный», 2014. – 139 с.
2. Васильев Б.Ю. Энергосберегающий многодвигательный электропривод с индивидуальным управлением приводными двигателями и активной коррекцией коэффициента мощности // Автоматизация в промышленности. – 2016. – № 11. – С. 48 – 54.
3. Поликашов С.А., Васильев Б.Ю. Преобразователь частоты многодвигательного электропривода с активной коррекцией коэффициента мощности и энергосберегающей системой управления // Вестник Череповецкого государственного университета. 2015. 4 (65). С. 37-41.
4. Тергемес К.Т., Каримсаков Т.К. Энергосберегающий многодвигательный асинхронный электропривод с активным выпрямителем и индивидуальными инверторами напряжения // Электротехнические системы и комплексы. 2012. 20. С. 164-167.