Применение контроллеров частоты при нефтедобыче-1
.pdf
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
T |
|
9554 P |
|
9554 5,5 |
70 Н м |
H |
|
||||
|
|
|
|
|
|
H |
|
N |
|
750 |
|
|
|
|
|
(2.1)
где РН - мощность нагрузки в кВт;
N - число оборотов двигателя, об/мин;
ТН - крутящий момент на валу двигателя, (н·м) или (кгс·м).
Необходимо проверять мощность на валу с учетом момента нагрузки и условий окружающей среды. Обычно когда температура уменьшается,
мощность на валу увеличивается.
2.2 Предварительный выбор двигателя/преобразователя на основе
данных и расчетов
а) Выбор мощности двигателя: РДВ. > РНАГРУЗКИ, (кВт). Мощность двигателя должна быть больше мощности нагрузки.
б) Выбор мощности преобразователя частоты.
Мощность преобразователя частоты выбирается так, чтобы номинальный ток двигателя (IДВ) был меньше или равен току на выходе преобразователя частоты (IПЧ)
Дан асинхронный двигатель (таблица 2.1) с короткозамкнутым ротором типа 4А100L4У3, с моментом статической нагрузки Мс=26,7 Н·м и моментом инерции Jрм=0,1 кг·м2. Определить параметры и составить структурную схему силовой части.
Таблица 2.1 Технические данные двигателя 4А100L4У3
Наименование |
Размерность |
Значение |
|
|
|
Номинальная мощность, Рном |
кВт |
4 |
|
|
|
Номинальное напряжение сети, U1л |
В |
380 |
|
|
|
Номинальная частота питающей сети, fc |
Гц |
50 |
|
|
|
Синхронная частота вращения, nо |
об/мин |
1500 |
|
|
|
Номинальное скольжение, sном |
% |
4,6 |
|
|
|
Скольжение критическое, sкр |
% |
31,5 |
|
|
|
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
Отношение Мпуск /Мном |
- |
2,0 |
|
|
|
Отношение Ммин/Мном |
- |
1,6 |
|
|
|
Отношение Мкр /Мном |
- |
2,4 |
|
|
|
Отношение Iпуск /Iном |
- |
6,0 |
|
|
|
Момент инерции, Jдв |
кг*м2 |
0,011 |
|
|
|
КПД, cosφном |
% |
87 |
|
|
|
Коэффициент мощности, cosφном |
- |
0,83 |
|
|
|
Таблица 2.2 Параметры схемы замещения в относительных единицах
Параметры |
Хμ |
В номинальном режиме |
При коротком замыкании |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Статора |
Ротора |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R1 |
X1 |
R2 |
|
X2 |
R2п |
Rкп |
X2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В отн. единицах |
2,4 |
0,067 |
0,079 |
0,053 |
|
0,14 |
0,058 |
0,13 |
0,15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Номинальный фазный ток статора определяется по формуле:
I1ф.ном. |
P2ном. |
|
4000 |
|
8,9 А |
(2.2) |
|
3U1ф. cos |
3 220 0,82 0,83 |
||||||
|
|
|
|
||||
Значение параметров схемы замещения в именованных единицах определяются по формулам:
x X |
U |
1ф. |
24,7 X |
|||
|
|
|||||
I |
|
|
|
|||
|
|
1ф.ном |
|
|||
|
|
|
|
|||
r R |
|
U1ф. |
|
24,7R |
||
|
I1ф.ном |
|||||
|
|
|
||||
, (2.3)
(2.4)
где x, r – сопротивление, Ом
X, R – сопротивление, отн. ед.
Результаты расчета сопротивлений в именованных единицах представлены в таблице 2.3.
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
Таблица 2.3 Параметры схемы замещения в именованных единицах
Параметры |
Хμ |
В номинальном режиме |
При коротком замыкании |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Статора |
Ротора |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R1 |
X1 |
R2 |
X2 |
R2п |
Rкп |
X2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сопротивление в Ом |
59,28 |
1,64 |
1,95 |
1,31 |
3,46 |
1,43 |
3,21 |
3,71 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В силовую часть электропривода входят асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и комплектный преобразователь частоты.
Условием выбора преобразователя частоты является соответствие номинального напряжения и тока тиристорного преобразователя номинальным параметрам двигателя, т.е.
UТПном > U1ном, IТПном > I1ном.
Для питания двигателя выбран комплектный электропривод типа АТО4
5,5 (рисунок 2.2.1). Данный преобразователь является тиристорным электроприводом с автономным инвертором напряжения.
Параметры тиристорного преобразователя представлены в таблице 2.4.
Таблица 2.4 Данные комплектного электропривода АТО4 5,5
Наименование |
Размерность |
Значение |
|
|
|
Напряжение питающей сети, Ucном |
В |
380 |
|
|
|
Частота питающей сети, fном |
Гц |
50±2% |
|
|
|
Число фаз, m |
- |
3 |
|
|
|
Номинальное напряжение |
В |
0±380, ±2% |
выходное, линейное U1 |
|
|
|
|
|
Номинальный ток, I1 |
А |
11 |
|
|
|
Выходная частота, f1 |
Гц |
0±400, ±0,05% |
|
|
|
Ток перегрузки, Iдоп |
% |
150 |
|
|
|
Длительность перегрузки, t |
с |
60 |
|
|
|
Электропривод АТО4 5,5 предназначен для высокодинамичных электроприводов механизмов с высокими требованиями к регулированию параметров при четырехквадрантном управлении.
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
Рис. 2.1 Комплектный электропривод АТО4 5,5
B – силовой полууправляемый выпрямитель
ФС – силовой LC-фильтр звена постоянного напряжения;
ТК – тиристорный ключ реостатного торможения (тормозной ключ);
БТР – блок тормозного резистора.
АД асинхронный электродвигатель;
ИП 
источник питания (конвертор);
ДН 
датчик напряжения;
ФИ 
формирователь управляющих сигналов тиристоров (драйвер);
МК 
микропроцессорный контроллер.
Силовой канал В ФС АИН осуществляет двухступенчатое преобразование электрической энергии 
выпрямление сетевого напряжения с помощью нерегулируемого выпрямителя В и последующее инвертирование выпрямленного постоянного по величине напряжения посредством автономного инвертора напряжения АИН. Алгоритм ШИМ обеспечивает взаимосвязанное регулирование частоты F и величины U выходного напряжения по заданному закону, а также формирует синусоидальную форму кривой тока приводного АД.
Для реализации режима динамического (реостатного) торможения в звено постоянного тока электропривода включён тормозной тиристорный
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
(IGBT), ключ ТК и внешний блок тормозного резистора БТР. Датчики тока ДТ и напряжения ДН в силовом канале электропривода служат для контроля,
регулирования и измерения электрических параметров электропривода, в т.ч.
для защиты от токов перегрузки и короткого замыкания, недопустимых отклонений напряжения.
Многоканальный источник питания ИП преобразует сетевое переменное напряжение или выпрямленное напряжение звена постоянного тока в систему напряжений постоянного тока требуемых уровней и степени стабильности,
гальванически связанных и не связанных между собой, для питания устройств управления.
Микропроцессорный контроллер МК осуществляет формирование режимов работы электропривода с заданными параметрами с помощью сигналов управления: сигналов ШИМ – управления тиристорами АИН,
сигналов защиты и аварийного отключения электропривода, приёма и передачи внешних управляющих, задающих и информационных сигналов.
2.3 Расчет и выбор элементов выходного фильтра
На выходе с автономного инвертора напряжения расположен фильтр.
Наиболее распространенным видом выходного фильтра является LC – фильтр.
Основным требованием, предъявляемым к фильтру, является обеспечение заданного коэффициента гармоник переменного напряжения в стационарном режиме.
Индуктивность фильтра определяется по формуле:
L |
|
0,25 Е |
max |
|
|||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|||
ф2 |
|
(0,4...0,6) |
f |
|
I |
|
|
|
|
k |
1ном. |
||||
|
|
|
|
|
|
||
(2.5)
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
где Емакс – максимальное напряжение источника постоянного напряжения, В. В данном случае это напряжение в звене постоянного тока с учетом возможного превышения напряжения сети на 10%.
E |
max |
1,1 U |
d |
1,1 515 566,5 В |
|
|
|
(2.6)
fк – несущая частота, так называемая коммутации ШИМ.
В электроприводе типа АТО несущая частота меняется программно. В
данном случае fк=8 кГц. Предельная частота ограничена допустимой частотой переключения тиристоров, она составляет 10 кГц. Численное значение индуктивности фильтра определится:
L |
|
0,25 515 |
0,003 Гн |
|
|
|
|||
ф2 |
|
0,6 |
8000 8,9 |
|
|
|
|
||
(2.7)
К установке принимает реактор типа РТСТ – 20,5-2,02У3, параметры которого приведены в таблице 2.5
Таблица 2.5 Техническая характеристика реактора РТСТ – 20,5-2,02У3
Наименование |
Размерность |
Значение |
|
|
|
Номинальное линейное напряжение питающей сети, Uсном |
В |
410 |
|
|
|
Номинальный фазный ток, I1ном |
А |
20,5 |
|
|
|
Номинальная индуктивность фазы, Lр |
мГн |
2,02 |
|
|
|
Активное сопротивление обмотки, Rp |
мОм |
265 |
|
|
|
Емкость фильтра определится по формуле:
|
|
|
Т |
|
2 |
C |
|
|
к |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
ф2 |
64 |
k |
|
L |
|
|
r |
|||
|
|
|
|
ф2 |
(2.8)
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
где Тк – период несущей частоты, с;
T |
|
1 |
|
1 |
0,000125 с |
|
|
|
|
||||
к |
|
f |
|
|
8000 |
|
|
|
к |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
(2.9)
kr – коэффициент высших гармоник; kr=0,05;
Численное значение емкости фильтра:
|
|
|
0,000125 |
2 |
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
2,47 |
мкФ |
||
ф2 |
0,05 2,02 |
10 |
3 |
|||||
|
64 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
(2.10)
К установке принимается конденсатор типа МБГО–1-400В–
2,4мкФ%. Дроссели включают в каждую фазу, последовательно с асинхронным двигателем, а конденсаторы соединяют в треугольник и включают параллельно двигателю. Соответственно конденсаторы существенно не влияют на общее сопротивление статорной цепи, поэтому сопротивлением фильтра при расчетах можно пренебречь.
2.4 Расчет и выбор элементов сглаживающего фильтра
Сглаживающие дроссели устанавливаются в звене постоянного тока низковольтных агрегатов и служат для снижения переменной составляющей тока через конденсаторы фильтра и уменьшения зоны прерывистых токов при работе электропривода. Конденсатор предназначен для замыкания реактивной составляющей тока статора.
Качество фильтра определяется коэффициентом сглаживания, который определяется:
q
SLC q вх. (2.11)
вых
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
где qвх – коэффициент пульсаций на входе фильтра;
qвых 
коэффициент пульсаций на выходе фильтра принимается в пределах 0,01…0,1; выберем qвых=0,01.
Коэффициент пульсаций на входе фильтра определяется по формуле:
q |
|
|
|
2 |
1 |
n |
2 |
tg |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
в х |
n |
2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.12)
где n – число пульсаций выпрямителя; для трехфазной мостовой схемы
n=6;
угол управления вентилей выпрямителя; =0 , так как напряжение регулируется в АИН.
q |
|
|
|
2 |
1 6 |
2 |
tg |
2 |
0 |
0,057 |
|
|
|
||||||||
в х |
2 |
1 |
|
|
||||||
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.13)
Численное значение коэффициента сглаживания:
0,057
SLC 0,01 5,7
Емкость фильтра принимается из расчета 100 мкФ на 1 кВт мощности двигателя. Расчетная мощность фильтра определится:
Cф1 |
100 Pдв. 100 4 400 мкФ |
(2.14) |
К |
установке выбирается |
конденсатор типа МБГО–1-400 В– |
390мкФ%.
Индуктивность фильтра определяется по формуле:
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
LФТ LФТ
2
|
|
S |
LC |
|
1 |
n |
|
|
|
C |
|
2 |
|
2 |
|||
|
|
|
|
||
|
f |
c |
2 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5,7 |
||
6 |
2 |
314 |
2 |
|
||
|
|
|||||
(2.15)
ф1
3,14 50 314 Гц |
|
|||
1 |
|
|
4,84 10 |
3 |
|
|
|
||
390 |
10 |
6 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
||
(2.16)
Гн
К установке принимает реактор типа ФРОС–250/0,5У3 параметры,
которого представлены в таблице 2.6.
Таблица 2.6 Техническая характеристика реактора ФРОС– 250/0,5У3
Наименование |
Размерность |
Значение |
|
|
|
Номинальный постоянный ток, I1ном |
А |
320 |
|
|
|
Номинальная индуктивность фазы, Lр |
мГн |
4,2 |
|
|
|
Активное сопротивление обмотки, Rp |
мОм |
11,5 |
|
|
|
Разработка структурной схемы силовой части.
Силовая часть электропривода состоит из преобразователя частоты и электродвигателя. Структурная схема силовой части представлена на рисунке
2.1
Рис. 2.1 Структурная схема силовой части электропривода
Динамические свойства преобразователя частоты совместно с блоками измерения и преобразования координат могут быть упрощенно учтены апериодическим звеном с передаточной функцией:
W ( p)ТП |
|
|
k |
пч |
|
(2.17) |
|
Tпч |
|
р 1 |
|||||
|
|
|
|||||
СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru/i03/contacts
где |
|
|
KПЧ |
эквивалентный |
передаточный |
коэффициент |
|||||
преобразователя. |
|
|
|
|
|
||||||
K ПЧ |
|
U |
dм акс |
(2.18) |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
U |
упр.м акс |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где |
|
Udмакс |
номинальное |
фазное напряжение |
на |
выходе |
|||||
преобразователя, В; |
Uупр макс |
максимальное напряжение |
системы |
||||||||
управления, В. |
|
|
|
|
|
|
|||||
Численное значение коэффициента передачи преобразователя частоты: |
|||||||||||
K |
|
|
220 |
22. |
|
|
|
|
|
||
ПЧ |
10 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ТТЧ 
эквивалентная постоянная времени преобразователя, с. Она складывается из времени задержки включения ШИМ и времени,
затрачиваемого процессором на преобразование и вычисление сигналов (Тпр=1
мс).
Время задержки ШИМ определится:
T |
|
1 |
|
1 |
0,000125 с |
|
|
|
|
||||
k |
|
f |
|
|
8000 |
|
|
|
k |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
(2.19)
Численное значение постоянной времени преобразователя:
T |
Т |
ПР |
Т |
К |
0,001 0,000125 0,0011 с |
ТЧ |
|
|
|
(2.20)
Электродвигатель представляется передаточными функциями электромагнитной и механической частей, представленных апериодическим и интегрирующим звеньями, соединенными последовательно.