Реальні високовольтні двигуни вже працюють - Control Engineering Ukrainian
Високовольтний двигун «Моторформер» (на передньому плані) підключається безпосередньо до електричної мережі на відміну від інших стандартних високовольтних двигунів, які потребують проміжного трансформатора.
Далека мрія, скажете ви? Насправді, один із виробників уже виготовив такі двигуни та встановив їх у двох місцях у досить складних умовах експлуатації. А це означає, що й інші виробники двигунів також можуть брати до уваги пропозиції щодо роботи з високою напругою.
Спираючись на свій попередній досвід, який привів до розробки та випуску генераторів, що виробляють високу напругу для прямої передачі в мережу, компанія ABB Automatation Technologies (Швеція) представила новий синхронний двигун змінного струму „дуже високої напруги“ (ОВН). Цей двигун здатний працювати при напрузі від 20 до 70 кВ.
ОВН „Моторформер“, торгова марка ABB, поєднує функції трансформатора та двигуна, виключаючи потребу у проміжному трансформаторі. Конструкція застосовується як для чотирьох-, так і шестиполюсних машин. Якщо швидкість не регулюється, то четирехполюсний двигун має синхронну частоту обертання 1500/1800 оборотів за хвилину при частоті мережі 50/60 Гц. (На сьогодні технологія генерації ABB, звана „Пауерформер“ ліцензована компанією Alstom. Ця компанія виготовила та встановила кілька генераторних блоків).
Вперше Моторформер був застосований для управління компресором на установці для очищення повітря на західному узбережжі Швеції. Синхронна машина з вихідною активною потужністю 6.5 МВт підключена прямо до шини 42 кВ, що, за даними ABB, зменшує втрати енергії в установці приблизно на 25%. З 2001 р. не булозареєстровано жодних незапланованих перерв, пов'язаних із роботою двигуна ОВН.
Запатентована конструкція статора обмотки робить «Моторформер» унікальним. Показано обмотування статора двигуна ОВН, встановленого в компресорі заводу з відділення повітря в Stenungsund, Швеція.
Друге застосування Моторформера включає два блоки на 40 МВт, встановлених для роботи з напругою живлення 56 кВ у модулі компресора на норвезькій платформі видобутку газу 'Troll A' компанії Statoil у Північному морі. Ця програма включає управління швидкістю обертання двигунів. Проведення випробувань двигунів відбулося взимку 2004/2005 р., а запуск у виробництво 2005 р.
ОВН двигун компанії ABB є унікальною розробкою і досі не має аналогів на ринку. Звичайні великі машини змінного струму (синхронні та індукційні) виробляються кількома виробниками, включаючи ABB, але вони працюють при напрузі до 15 кВ.
Синхронний замість індукційного
Для розробки Моторформера був обраний синхронний тип двигуна замість індукційного через більш високі величини потужності (більше 100 МВт замість 20 МВт), більш високу ефективність, ширший повітряний зазор, який спрощує конструкцію, і здатність регулювати реактивну потужність, пояснює Джохейннс Ахліндер, фахівець з розвитку бізнесу AC-Machines у ABB. „Індукційний двигун завжди споживає реактивну потужність“, – каже він. Регулювання реактивної потужності – значна проблема для стабілізації та захисту електричної мережі, в якій під час роботи великих промислових ділянок запускається багато великих двигунів.
Може бути несподіваним, що конструкція Моторформера ґрунтується на стандартній технології синхронних двигунів. Уїї включено багато апробованих елементів, таких як ротор з ідентичними опуклими полюсами та звичайні опори. На думку Ахліндера, такий підхід ґрунтується на великому досвіді роботи та впевненості в продукті. Головною відмінністю є статор.
Конструкція обмотки-ключовий фактор
Компанія ABB застосувала унікальну конструкцію обмоток та пазів статора Моторформера. Всебічний аналіз, моделювання та тестування використовувалися при виборі конструкції провідників, включаючи кінцево-елементний аналіз електромагнітного поля, моделювання теплових потоків та обчислювальне моделювання гідроаеродинаміки. Крім цього, критерії, що використовуються для оцінки щільності потоку магнітної індукції всередині статора, ідентичні критеріям для звичайного двигуна, що обмежує невизначеність у розробці цього продукту.
Ахліндер зазначає, що гранична напруга типової системи ізоляції, яка застосовується у звичайному двигуні, не перевищує 15 кВ, доходячи до 22-25 кВ при використанні спеціально розроблених технологій. „Вище цієї точки неможливо створити статорну обмотку за допомогою стандартних технологій, – продовжує він. – Кабелі для Моторформера мають циліндричну намотування, яка створює електричне поле з однорідною напруженістю та дозволяє збільшити рівні напруги порівняно зі стандартною прямокутною обмоткою“. Форма стандартних обмоток створює неоднорідність електричних полів та призводить до концентрації поля на згинах провідника, що знаходиться під високою напругою.
Ротор, опори, безщітковий збудник і станина відносяться до перевірених компонентів конструкції ОВН Моторформер. Вона базується на технології синхронних машин
Циліндричний кабель включає твердий діелектричний шар ізоляції із „зшитого“поліетилену (XLPE), але не використовує металевого екранування. В даний час статор може працювати при напрузі 70 кВ. Однак конструкція кабелів може витримати напругу до 150 кВ. "Насправді, нижня межа напруги з економічної точки зору повинна дорівнювати приблизно 20 кВ, залежно також і від навантаження", - стверджує Ахліндер.
Фізичний розмір Моторформера суттєво змінюється залежно від його вихідної потужності. Навіть такий параметр, як висота валу електродвигуна, багато в чому залежить від застосування. У той час як сам двигун більший за стандартний з тією ж номінальною потужністю, повний простір, який займає ОВН система – двигун і вимикач ланцюга – істотно менший від того, що займається звичайною системою з трансформатором і супутнім обладнанням.
Проблеми розробки
Запуск великих високовольтних двигунів супроводжується споживанням великої кількості енергії та може призвести до тимчасового порушення роботи мережі та постачання потужності найближчих споживачів. Компанія ABB розробила спеціальні методи запуску із затримкою, що дозволяють уникнути збою живлення. Для цього використовували апаратуру стабілізації, яка продовжувала час запуску приблизно до 20 секунд, і додавали конденсатори підвищення потужності мережі під час запуску.
Здатність працювати з більш високою напругою також означає, що температурна межа оболонки з "зшитого" поліетилену, використовуваного в статорних обмотках, повинна забезпечуватися повітряним охолодженням при низьких рівнях потужності і водяним охолодженням - при більш високих. У конструкції статора Моторформера використовуються обидва методи охолодження.
Компанія ABB не бачить суттєвих обмежень для високовольтних двигунів. „Всякі межі пов'язані зрозробкою звичайної продукції, наприклад, з конструкцією ротора“, – каже Ахліндер. Проте теплоємність кабелю відзначена як обмежуючий фактор, особливо в риложениях з підвищеною температурою, де водяне охолодження може бути недоступним.
Один із двох блоків «Моторформер» потужністю 40 МВт показаний під час завантаження в модуль компресора для доставки на платформу „Troll A” компанії Statoill у Північному морі
Control Engineering провів опитування кількох великих виробників щодо вивчення ними високовольтних двигунів. Частина з них не дала жодного відгуку. Інші відповіли, що вони оцінили технологію високовольтних двигунів та вирішили, що вона не виявилася „життєво важливим вибором для нашого бізнесу“. І лише компанії TECO Westinghouse та Emerson Motor Technologies звернули увагу на корисні перспективи, пов'язані з використанням високовольтних двигунів.
Додатки сьогодні та завтра
Найбільше зацікавлені у високовольтних двигунах галузі промисловості, пов'язані з прибережними платформами, де існує тенденція заміни газотурбінного обладнання електричним приводом, пояснює Ахліндер. Специфічні програми включають приводи компресорів платформ, так само як і генератори для плавучих систем зберігання та перевантаження продукції (FPSO), інші судна, що використовуються як прибережні електростанції. Ці судна могли б постачати кілька навколишніх прибережних платформ електроенергією через відповідну систему передачі.
За великим рахунком, „технологія високовольтних двигунів підійшла б для будь-якої програми, в якій сьогодні застосовуються стандартні синхронні машини“, – зауважує він. Як приклади можна вказати двигуни насосів, двигуни для очищення продуктів у целюлозно-паперовійпромисловості, двигуни компресорів для відділення повітря, вентилятори, екструдери та парові/газові турбогенератори.
Звичайно, високовольтні двигуни не можуть вирішити всіх завдань, але перспективи їхнього ширшого застосування очевидні. Продовжуються нові розробки щодо підвищення температурного порога обмотки статора. "Ця технологія показала свою здатність створювати нові рішення, подібні до рішення "Troll А" компанії Statoil, в якій двигуни ОВН управляються приводами з регульованою швидкістю", - підсумовує Ахліндер.
Компанія ABB вчинила правильно та передбачливо, взявши на себе ініціативу щодо просування та відстоювання цієї нової захоплюючої технології. Швидше за все, не за горами застосування цієї техніки у Північній Америці та надходження пропозицій від інших виробників.