Для вентиляторного характера момента это соотношение имеет вид: .

Распространенной системой частотно–регулируемого асинхронного привода является система со статическим преобразователем частоты с автономным инвертором. Наибольшее применение для промышленных приводов может иметь статический преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока (ПЗПТ).

Преобразователь состоит из трех силовых элементов – выпрямителя (управляемого или неуправляемого), фильтра (Ф) и автономного инвертора (АИ). На вход выпрямителя (В) подается нерегулируемое напряжение переменного тока промышленной частоты (U_П); на выходе выпрямителя постоянное пульсирующее напряжение с постоянными значениями U_d и I_d (в случае неуправляемого выпрямителя) или изменяющимися (в случае управляемого). С выхода выпрямителя постоянное напряжение через сглаживающий фильтр (Ф) подается на вход инвертора (чаще АИН), который преобразует постоянное напряжение в переменное регулируемой амплитуды и частоты (U₂=var, f₂=var). В качестве сглаживающего фильтра в данной схеме обычно используется катушка индуктивности с сердечником. Кроме силовых элементов, преобразователь содержит систему управления (рисунок 8.2), состоящую из блока управления выпрямителя (БУВ) и блока управления инвертором (БУИ). Выходная частота регулируется в широких пределах и определяется частотой коммутации тиристоров инвертора, которая задается блоком управления инвертором. В такой схеме производится раздельное регулирование амплитуды и частоты выходного напряжения, что позволяет осуществить при помощи блока задания скорости (БЗС) требуемое соотношение между действующим значением напряжения и частотой на зажимах асинхронного двигателя.

Промежуточное звено постоянного тока позволяет регулировать частоту как вверх, так и вниз от частоты питающей сети; он отличается высоким КПД (около 0,96), значительным быстродействием, малыми габаритами, сравнительно высокой надежностью и бесшумен в работе [3].

9. Технико–экономическое сравнение вариантов подключения преобразователей частоты

Возможны два варианта подключения преобразователей частоты:

– использование высоковольтных преобразователей частоты;

– использование низковольтных преобразователей частоты по схеме: понижающий трансформатор – низковольтный преобразователь частоты – повышающий трансформатор – высоковольтный ЭД (рис. 9.1). Наиболее экономичную схему частотного преобразователя определим по наименьшим потерям мощности в элементах схемы.

Данная схема подключения обеспечивает возможность использования низковольтного преобразователя частоты с высоковольтным электродвигателем.

Трансформатор Т1 – понижает напряжение питания до 690В (380В) и обеспечивает гальваническую развязку электропривода с питающей сетью.

Преобразователь частоты – осуществляет управление частотой вращения электродвигателя, его плавный запуск и останов, а также обеспечивает функции защиты.

Выходной дроссель улучшает синусоидальность выходного напряжения.

Трансформатор Т2 – повышает выходное напряжение преобразователя частоты до 6кВ и обеспечивает гальваническую развязку преобразователя частоты с электродвигателем.

Входной трансформатор

Назначение

Входной трансформатор служит для преобразования входного напряжения (3 фазы, 6 кВ) в выходное напряжение (18 фаз, 578 В), которое после выпрямления питает ячейки инвертирования.

Устройство

Основной особенностью данного трансформатора является то, что вторичные обмотки разделены на три группы – по шесть обмоток в группе. Фазовый сдвиг между соседними обмотками в группе составляет 10°. Фазовый сдвиг между первой и шестой обмотками группы составляет 50°. Каждая выходная обмотка трансформатора нагружена на выпрямитель своей ячейки инвертирования.

Данная серия преобразователей частоты обладает следующими основными свойствами:

1. Высокий КПД (около 98%) и высокий коэффициент мощности (около 95%).

2. Регулирование выходного напряжения и частоты.

3. Управление преобразователем от пульта управления, внешними командами, с помощью персонального компьютера и контроллера.

4. Возможность подключения к общепромышленным сетям со стандартными протоколами (Device NET, Profibus DP, Modbus Plus).

5. Большой ряд мощностей преобразователей (8250 В, 6600 В)

6. Использование IGBT-ключей в силовой цепи преобразователей частоты.

7. Способ управления – многоуровневая широтно-импульсная модуляция.

8. Преобразователи частоты данной конструкции не требуют дополнительных сетевых фильтров для защиты сети от помех генерируемых преобразователем

Инвертор

Инвертор на каждую фазу состоит из шести ячеек инвертирования, что позволяет осуществлять на обмотке двигателя амплитудную модуляцию по 13 уровням, в сочетании с широтно-импульсной модуляции. Подобная многоуровневая ШИМ позволяет получать практически синусоидальные токи в обмотках и снижает потери в двигателе.

Рассчитаем КПД высоковольтного частотного преобразователя:

(9.1)

Потери мощности в высоковольтном частотном преобразователе вычисляются по формуле:

, (9.2)

где ΔP_тр – потери мощности в трансформаторе;

ΔP_в – потери мощности в вентилях;

ΔP_ф – потери мощности в фильтре (дросселе);

ΔP_всп =0,5÷3% ΔP_d – потери мощности во вспомогательных устройствах;

Выбираем трансформатор по справочнику [9] ТМГ-630.

Таблица 9.1 – Технические характеристики трансформатора ТМГ-630

Мощность, кВА

Схема и группа соединения

Ток х. х., % от номинального

Напряжение к. з., %

Потери, Вт

Шумовые характеристики, дБА

Габаритные размеры, мм

Стоимость включая НДС=18%, руб.

К. з.

Х. х.

LА

LPА

L

B

H

130862

630

У/Ун-0

2

5,5

1240

7600

59

68

1300

860

1350

Д/Ун-11

Найдём потери мощности в трансформаторе [10]

Потери активной мощности в трансформаторе:

(9.3)

Потери мощности в вентилях в современных выпрямительных устройствах представляют собой очень малую величину, т.е. ΔP_в≈0. Потери мощности в фильтре вычисляются по формуле: где R_др≈ 0 – активное сопротивление дросселя, следовательно, потерями мощности в фильтре можно также пренебречь. Таким образом, КПД высоковольтного частотного преобразователя будет равен:

Коэффициент мощности χ можно подсчитать по следующей формуле:

где ν=0,99 – коэффициент искажения формы для неуправляемых выпрямителей. Отсюда .

Таблица 9.2 – Преобразователи частоты серии FDU40–500 кВт

Тип FDU40	900
Номинальная мощность, кВт	500
Номинальный выходной ток, А	900
Ограничение тока ICL, 120 с, А	1080
Пиковый ток двигателя, А	2547
Входной ток А	865
Окружающая температура при номинальной мощности IP20, IP54,оС	0–40 0–35
Частота коммутации fS,кГц	1.5 кГц
К.п.д. (Рном при fS = 1,5 кГц), %	98
Потери (Рном при fS = 1,5 кГц), кВт	10
Снижение мощности, %/ оС	-2.5 до +10 оС
Степень защиты	IP20
Размеры, ВхШхГIP20 IP23/54 мм	3x1100 (1145) x500x420 2150x1800x500
Вес IP20 (IP23/IP54) кг	480

Таблица 9.3 – Общие данные серии FDU40

Напряжение питания	В	380–415 +10% / -15% (Возможно перепрограммирование на 230 В +10% / -15%)
Частота сети	Гц	50 / 60
Выходная частота	Гц	0–400
Выходное напряжение	В	0 – Напряжение сети
Уровень шума	dB(A)	<=70
Относительная влажность	%	0 – 90 (без конденсата)
Атмосферное давление	кПа	86 – 106
Вибрация		EN60068–2–6 Fc: 10–150 Гц; 0,075 мм /1g
Охлаждение		Принудительное, автоматическое
Коэффициент мощности по входу		0,95
Время разгона / торможения	с	0,01–3600

Таблица 9.4 – Технические характеристики преобразователя частоты MELTRAC-F500HV-500

	Модель	PMT-F560HV-500
Выходные параметры	Номинальная мощность	500
	Номинальный ток	49
	Токовая перегрузка	Стандартная – 120% 60 сек, опционно – 150% 60 сек
	Напряжение	3 фазы 6000 В 50 / 60 Гц
Входные параметры	Номинальное входное напряжение	3 фазы 6000 В 50/60 Гц
	Пределы изменения входного напряжения	5100 ~ 6600 В
	Пределы изменения входной частоты	± 5%
	Входная мощность	500
	Тип охлаждения	Принудительное охлаждение