книги из ГПНТБ / Мукосеев Ю.Л. Электроснабжение промышленных предприятий учебник

ПНБ-5 (660 В, 300 А) надежно защищают в преобразова­ телях с рабочим напряжением 450 В вентили ВКД-200, работающие с нагрузкой около 70% номинальной.

Для защиты полупроводниковых агрегатов перспек­ тивным следует считать также применение .мощных плав­ ких линейных предохранителей типа ППД-12. Они выпол­ няются на рабочие токи 1 600—3 200—6 300 А и напряже­ ния постоянного тока 150—450—850 В. Отключаемый ток — до 100 и 200 кА. Ампер-секундный интеграл состав­ ляет соответственно (1 100—3 500—8 000) ■ІО3 А2-с, что обеспечивает быстродействие при отключении больших токов короткого замыкания.

Для небольших преобразовательных аТрегатов с полу­ проводниковыми вентилями возможно применение обыч­ ных (не быстродействующих) автоматов, если в цепь посто­ янного тока включить индуктивность. Последняя снижает наклон кривой постоянного тока к. з., благодаря чему время отключения обычного автомата 0,1—0,2 с может оказаться достаточным для защиты вентилей.

Описанные защиты ртутных и полупроводниковых преобразовательных агрегатов касаются только защиты со стороны выпрямленного тока. Кроме того, эти агрегаты снабжаются обычной релейной защитой со стороны выс­ шего напряжения — максимальной токовой от к. з., от токов перегрузки, газовой защитой трансформатора, от повышения температуры, от прекращения охлаждения выпрямителей и др.

8-8. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Для получения различных частот, отличных от 50 Гц, в промышленности применяются следующие преобразо­ ватели частоты: статические ферромагнитные (делители и умножители); асинхронные преобразователи частоты (АПЧ); двигатели-генераторы; ионные преобразователи частоты; полупроводниковые преобразователи частоты.

а. СТАТИЧЕСКИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Ф е р р о м а г н и т н ы е п р е о б р а з о в а т е л и ч а с т о т ы работают на принципе использования нели­ нейных магнитных элементов для получения высших (умнояштели) и низших (делители) гармоник. Так, из час­ тоты 50 Гц можно получить 25, 75, 100, 150, 200, 250, 300,

300

350 л 400 Гц. Умножители частоты применяются для пита­ ния электроприводов повышенной скорости — электро­ инструмент, деревообделочные станки, а также установки индукционного нагрева. Масса преобразователей полу­ чается примерно на 50 % больше массы трансформатора той же мощности, а к. п. д. на 2—3% ниже, чем у послед­ него.

Преобразователи выполняются однофазными и трех­ фазными, последние могут иметь трехфазный и однофазный выход повышенной частоты. Мощности преобразователей колеблются от 1 до 2 000 кВ-А (ФРГ). В СССР серийно выпускаются статические преобразователи на 400 Гц мощ­ ностью 0,2—0,5—1 кВ-А. Кафедра электрических машин и аппаратов Горьковского политехнического института провела большую исследовательскую работу в этой области под руководством доктора техн. наук проф. А. М. Бамдаса. На кафедре разработан утроитель частоты мощностью 1 000 кВ • А для питания установки индукционного на­ грева.

Достоинства статических ферромагнитных преобразо­ вателей частоты: 1) независимость выходной частоты от нагрузки; 2) отсутствие вращающихся частей и высокая надежность в эксплуатации, что позволяет легко выпол­ нить взрывозащищенное исполнение, например, для уголь­ ных шахт; 3) высокий к. п. д. (80—95% в зависимости от мощности и частоты, т. е. выше, чем у вращающихся преобразователей той же мощности); 4) низкие начальные затраты (на 10% нише стоимости вращающегося преобра­ зователя той же мощности); 5) отсутствие шума.

К недостаткам этих преобразователей можно отнести: 1) отсутствие возможности регулировать частоту; 2) нес­ колько увеличенные габариты установки по сравнению с машинными преобразователями, имеющими вертикальный вал.

б. АСИНХРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ (АПЧ)

Асинхронный преобразователь частоты состоит из двух асинхронных машин — приводного двигателя Д с корот­ козамкнутым ротором и генератора Г с контактными коль­ цами (рис. 8-17). Направление вращения поля статора генератора противоположно вращению роторов, в резуль­ тате чего в роторе генератора индуцируется ток частоты

301

где пг, пя — частота вращения поля генератора и ротора двигателя, об/мин; р т— число пар полюсов генератора.

Ток повышенной до 400 Гц частоты снимается с колец генератора. Основное назначение АПЧ — питание мелких приводов — электроинструмент, прядильные центрифуги искусственного волокна, деревообделочные станки и др.

Нашей промышленностью выпускаются АПЧ на 75—400 Гц мощностью 1—125 кВт с к. п. д. 50—85%.

Однако серийное производство одномашинных АПЧ, тре­ бующих специальной формы стали, недостаточно эффек­ тивно, так как в двухмашинных агрегатах используются стандартные элементы асинхронных машин, что удешев­ ляет их производство.

Основные достоинства АПЧ: 1) простота конструкций; 2) сравнительно низкие начальные затраты; 3) малые габа­ риты при вертикальном вале. К недостаткам относятся: 1) необходимость ухода за вращающимися частями; 2) зави­ симость частоты от нагрузки при увеличении скольжения; 3) значительный шум.

Данные выпускаемых в СССР АПЧ приведены в при­ ложении П-ІІ.

в. ДВИГАТЕЛИ-ГЕНЕРАТОРЫ

Генераторы повышенной частоты типа ГСЧ до 500 Гц выполняются трехфазными, а для более высоких частот типа ВГО и ВГВФ — однофазными. Трехфазные гене­ раторы, приводимые двигателями постоянного тока с регу­ лированием частоты вращения, применяются для питания асинхронных двигателей при переменной частоте. Напри­ мер, для частотного регулирования приводов роликов

302

рольгангов прокатных -станов питание двигателей роликов производится от агрегата ГСЧ-12-36-37 + МП170-400. Двигатель постоянного тока имеет регулирование частоты вращения от 1 000 до 400 об/мин, генератор изменяет час­ тоту от 50 до 20 Гц, одновременно — напряжение от 400 до 160 В, а мощность от 200 до 80 кВ-А. Максимальная мощность генератора для частотного регулирования до 500 кВ-А.

Для питания различных электроприводов применяются двигатели-генераторы с постоянной частотой вращения, вырабатывающие трехфазный ток с постоянными часто-

ОВ — обмотка возбуждения; ОВЧ — обмотка высокой частоты; Ф| и Ф" — магнитные потоки; t — зубцовый шаг; разность Ф" — меняет знак при пово­ роте ротора на каждый </2 .

тами 16—500 Гц, при напряжениях 130—3 300 В, с к. п. д. 75-90,5% .

Питание установок индукционных плавильных электро­ печей и сквозного нагрева для ковки, штамповки и про­ катки при частотах 1 000—10 000 Гц производится от однофазных индукторных генераторов. Последние состоят из статора, на котором расположены основная обмотка генератора ОВЧ и обмотка возбуждения OB (рис. 8-18) и ротора с большим количеством зубцов, которые при вра­ щении дают пульсирующее сопротивление в магнитной цепи, вследствие чего в обмотке генератора наводится э. д. с. повышенной частоты. Выполнение генераторов на повышенные частоты затрудняется увеличением нагрева железа при высоких частотах, вследствие чего приходится

303

применять водяное охлаждение бочки ротора с подводом воды через полый вал. Статоры имеют воздушное охлаж­ дение: при мощностях до 100 кВт с продуванием воздуха, при 250 кВт и выше — по замкнутому циклу с использо­ ванием водяных охладителей (рис. 8-19).

В СССР двигатели-генераторы мощностью 12—100 кВт, частотой 2 400 и 8 000 Гц типа ВПЧ на 3 000 об/мин изготовляются Ереванским электромашиностроительным заводом в вертикальном исполнении, что значительно экономит площадь под агрегат. Коэффициент полезного действия преобразователей ВПЧ не ниже 70% (см. прило-

Рис. 8-19. План фундамента с проемами и разрез уста­ новки агрегата ВГО-АТМ с водяным охлаждением типа

ВУП,

жение ГІ-ІІ). В приложении П-ІІ приведены данные агре­ гатов 37,5—1 500 кВт.

Все генераторы ВГО имеют замкнутую систему воздуш­ ного охлаждения с водяными воздухоохладителями. Гене­ ратор ВГО 1500-500 имеет обмотку возбуждения на роторе, остальные — индукторного типа с обмоткой возбуждения на статоре. Напряжение двигателей 6—10 кВ.

Коэффициент полезного действия агрегатов увеличи­ вается с увеличением мощности и падает с повышением частоты.

Один из рекордных генераторов, выпущенный фирмой ДЖИН (США), мощностью 3 МВт, частотой 3 000 Гц имеет водяное охлаждение статора и водородное — ро­ тора.

Трехфазные генераторы повышенной частоты, приво­ димые синхронными двигателями, для синхронизации требуют подгонки векторов напряжения, выполняемой

304

путем сдвига половинок соединительных муфт между гене­ ратором и синхронным двигателем.

Однофазные индукторные генераторы повышенной час­ тоты легко синхронизируются, не требуя никаких устройств для предварительной синхронизации. Приводимые син­ хронными двигателями генераторы могут работать парал­ лельно, при этом нагрузка между ними регулируется воз­ буждением синхронных двигателей. При работе генера­ торов ВГО создается значительный шум повышенного тона, слышимый на расстоянии 50—70 м от стены преоб­ разовательной подстанции.

Припараллельной работе агрегатов повышенной частоты необходимо автоматическое регулирование напряжения в зависимости от нагрузки. Электропромышленность выпус­ кает специальные комплектные панели для управления и регулирования напряжения агрегатов.

Мощность современных преобразовательных подстан­ ций с агрегатами 1 500 кВт достигает 12—15 МВт при числе агрегатов 8—10 шт.

Так как генераторы рассчитаны на коэффициент мощ­ ности 0,95—1, то питаемые от них индукторы должны нодключатьсясконденсаторными батареями. Мощность послед­ них достигает 10-кратной величины мощности генераторов при частотах 8 000—10 000 Гц, когда коэффициент мощ­ ности индукторов падает до 0,Г. В некоторых установках для стабилизации напряжения при резком изменении нагрузок применяется последовательное включение кон­ денсаторов в цепь генераторов (продольная компенса­ ция).

К достоинствам двигателей-генераторов повышенной - частоты относятся: 1) возможность получения больших мощностей агрегатов; 2) повышение коэффициента мощ­ ности сети при использовании синхронных двигателей; 3) возможность регулирования напряжения; 4) отсутствие генерации высших гармоник. Их недостатки, как всех вращающихся преобразователей: 1) наличие вращающихся частей; 2) низкий к. и. д.; 3) сложность системы охлаж­ дения; 4) значительный шум.

г.ИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Вионных преобразователях для получения выходной повышенной частоты применяется сеточное управление вентилями. Величина частоты ограничивается временем восстановления управляемости сотки ионного вентиля,

305

составляющим около 50 мкс, и на современных тиратро­ нах и игнитронах может быть достигнута 2 500 Гц.

Ионные преобразователи частоты выполняются с явно выраженным звеном постоянного тока и со скрытым зве­ ном постоянного тока. В первом случае (рис. 8-20) одна группа вентилей 2 выпрямляет ток нормальной частоты,

нами включен трансформатор повышенной частоты, имею­ щий выходное напряяшние однофазного тока 750 В по­ вышенной частоты.

К числу достоинств ионных преобразователей частоты относятся: 1) отсутствие вращающихся частей; 2) отсут­ ствие фундамента; меньшая масса и габариты; 3) отсутствие

306

шума; 4) высокий к. п. д. (до 92—95%); 5) малые потери холостого хода; 6) возможность плавного регулирования частоты в пределах 30%.

Недостатки ионных преобразователей: 1) ограниченная мощность и необходимость собирать мощные агрегаты из

^ 5 0Гц

Рис. 8-21. Принципиальная схема ионного преобразователя частоты со скрытым звеном постоянного тока.

1 — силовой трансформатор; 2 — выпрямляющие и

инвертирующие вентили; <3 — выходной трансформа­ тор.

мелких единиц; 2) ограниченная возможность повышения частоты до 2 500—3 000 Гц; 3) генерация высших гармоник.

Перспективы ионных преобразователей недостаточно ясны в связи со значительной конкуренцией со стороны полупроводниковых преобразователей.

д. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Развитие управляемых полупроводниковых вентилей — тиристоров, могущих работать в инверторном режиме, привело к созданию полупроводниковых преобразова­ телей частоты, в первую очередь для частотного регулиро­ вания скорости асинхронных двигателей, впоследствии — для питания установок индукционного нагрева и других электроприемников повышенной частоты.

307

Поскольку стоимость тиристоров резко возрастаете уве­ личением класса, т. е. с увеличением напряжения, то для удешевления преобразователя применяются схемы с явно выраженным звеном постоянного тока, при которых полу­ чается меиынее напряжение на тиристорах.

В соответствии с реальным временем восстановления управляемости вентиля, которое для серийных тиристоров типа ВКДУ-150 имеет значительный разброс, практически достижимая частота при инвертировании получается до 2 500 Гц.

Испытание 100-киловаттного преобразователя частоты 50/2 500 Гц на тиристорах показало, что к. и. д. его состав­ ляет 91,5% по сравнению с 78% для машинного преоб­ разователя типа ПВС-100-2500. Кроме того, кривая к. п. д. тиристорного преобразователя при уменьшении загрузки до 25% падает всего до 90%, в то время как у машинного преобразователя — до 54%. Таким образом, при малых нагрузках тиристорный преобразователь рабо­ тает более экономично, чем машинный.

Для питания электроинструмента выпускаются тири­ сторные преобразователи частоты типа ПЧС-4-150/200/400 на частоту 150/200/400 Гц трехфазного тока с напряжением на выходе 36 или 220 В, мощностью 4 кВ-А с к. п. д. до 94%. Аналогичный преобразователь ПЧС-10-150/200/400 мощностью 10 кВ-А имеет к. п. д. 85%. Таллинский электротехнический завод выпускает тиристорные преоб­ разователи частоты для пит-ания индукционных установок мощностью 630 кВт с регулируемой частотой 1000± 200 Гц, типа ТПЧ-1 и 150 — 300 Гц, типа ТПЧ-2.

Фирма Сименс (ФРГ) поставила тиристорный преобра­ зователь частоты для нагрева труб производительностью 30 т/ч, мощностью 12 МВт с регулируемой частотой 500— 1 000 Гц.

ВЭИ разработаны высокочастотные тиристоры типа ВКЧ-50 на 50 кА и 500 В, позволяющие достигнуть часто­ ты 25 кГц при времени восстановления управления 20 мкс. Имеются сообщения о зарубежных тиристорах с временем восстановления до 8 — 10 мкс.

В настоящее время тиристорные преобразователи вытес­ няют все другие преобразователи повышенной частоты, аналогично тому, как в области выпрямительной техники полупроводниковые вентили уже вытеснили остальные преобразователи.

308

8-9. ВЫБОР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ И ИХ РАЗМЕЩЕНИЕ

Электропромышленностью СССР для частот до 500 Гц трехфазного тока выпускаются серийно асинхронные преобразователи частоты, двигатели-генераторы и тири­ сторные преобразователи. Для частот до 1 000—2 500 Гц

Рис. 8-22. Установка восьми агрегатов ВГВФ-1580-2500 + СТМ-2500-2 для индукци­ онного нагрева труб при частоте 2 500 Гц.

серийно выпускаются двигатели-генераторы, ионные и полупроводниковые преобразователи, а на частоты до 10 кГц только двигатели-генераторы однофазного тока. Тиристорные преобразователи повышенной частоты (до 10 кГц) находятся пока в стадии разработок.

309