НИРС Андреев / 140600.68_СДМ.Ф.4_Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации. ч2
.pdfвибраторы, экскаваторы, дробилки); производство проволоки и тонкое вальцевание (приводы проволочно-волочильных станов); силовые установки предприятий энергоснабжения (насосы, вентиляторы, угледробилки); бумажная промышленность (дисковые мельницы, насосы); подземные горные выработки
(транспортерные машины, рудничные вентиляторы).
В отечественной промышленности наибольшее распространение получили асинхронные и синхронные электродвигатели с номинальным напряжением питания 6 и 10 кВ. Программа поставок зарубежных производителей высоко-
вольтных электродвигателей стандартизирована на следующие напряжения: 2,4; 3,3; 4,16; 4,8; 6,0; 6,6; 7,2 кВ.
На рынке регулируемых высоковольтных электроприводов представлены несколько типовых схем реализации системы ПЧ—АД (6,0 кВ). Фирма Siemens
предлагает высоковольтные преобразователи частоты Simovert MV, выполненные по схеме 12-пульсный выпрямитель—промежуточное звено постоянного тока -
трехточечный инвертор напряжения. Выходной инвертор напряжения реализован на базе высоковольтных IGBT -транзисторов. Система включает в себя следующие компоненты: силовой выключатель среднего напряжения,
управляемый от преобразователя частоты; входной согласующий трехобмоточный трансформатор с вторичными обмотками, сдвинутыми друг относительно друга на угол 30 эл. град.; 12-пульсный неуправляемый выпрямитель, состоящий из двух диодных 6-пульсных мостов; звено постоянного напряжения с сглаживающими конденсаторами и измерительным преобразователем постоянного напряжения; трехточечный инвертор с изме-
рительными преобразователями выходного тока и напряжения инвертора;
высоковольтный асинхронный двигатель. В моделях с выходным напряжением до
4,16 кВ возможно непосредственное подключение выходного инвертора к двигателю.
Для управления частотой вращения двигателей на 6,0 и 6,6 кВ с квадратич-
ным моментом нагрузки на валу дополнительно используется повышающий выходной синусоидальный фильтр. Преобразователи Simovert MV выпускаются в
диапазоне мощностей от 660 до 7200 кВ А. Возможны их комплектация 24-
пульсным блоком входного выпрямителя и исполнение с воздушным или водяным охлаждением. Цифровая система управления преобразователя включает в себя алгоритм векторного управления, позволяющий достичь устойчивого регулирования выходной частоты в диапазоне 1:10. В стандартном исполнении максимальная выходная частота преобразователя составляет 100 Гц.
Широкое распространение получили высоковольтные преобразователи ча-
стоты с инверторами напряжения на базе запираемых тиристоров (GTO, IGCT)
фирм ABB, Mitsubishi Electric, Allen-Bradley, Alstom.
Корпорация Mitsubishi Electric предлагает схему построения высоковольт-
ного преобразователя частоты, которая в настоящее время является наиболее современной. Схема состоит из входного трансформатора, многоуровневого инвертора и системы управления. Входной трансформатор служит для преоб-
разования входного напряжения 3 фазы, 6 кВ в выходное напряжение 18 фаз, 578
В, которое после выпрямления питает ячейки инвертирования.
Основной особенностью данного трансформатора является то, что его вто-
ричные обмотки разделены на три группы по шесть обмоток в каждой. Фазовый сдвиг между соседними обмотками в группе составляет 10°, а между первой и шестой обмотками группы — 50°. Каждая выходная обмотка трансформатора нагружена на выпрямитель своей ячейки инвертирования.
По аналогичной схеме построены преобразователи частоты, выпускаемые компаниями General Electric и Robicon.
Существенным недостатком рассмотренных высоковольтных электропри-
водов является их большая стоимость. Снижение стоимости достигается при-
менением двухтрансформаторной схемы, в которой двойная трансформация напряжения осуществляется с помощью понижающего Т1 и повышающего Т2
высоковольтных трансформаторов, что позволяет использовать для регулиро-
вания частоты относительно дешевый низковольтный преобразователь. Такие двухтрансформаторные преобразователи отличают относительная дешевизна и простота практической реализации, поэтому они часто применяются для
управления высоковольтными электродвигателями в диапазоне мощностей до 1,5
МВт. При большей мощности электропривода трансформатор Т2 вносит существенные искажения в процесс управления электродвигателем. Для улуч-
шения формы выходного напряжения низковольные преобразователи комп-
лектуются выходными синусоидальными фильтрами.
Основными недостатками двухтрансформаторных преобразователей явля-
ются высокие массогабаритные характеристики, а также меньшие по сравнению с другими схемами КПД (93...96%) и надежность. Преобразователи, выполненные по такой схеме, имеют ограниченный диапазон регулирования частоты вращения двигателя как сверху, так и снизу от номинального значения. При снижении частоты на выходе преобразователя увеличивается насыщение сердечника и нарушается расчетный режим работы выходного трансформатора Т2, поэтому, как показывает практика, диапазон регулирования ограничен пределами
nном > п > 0,5nном.
2. Электродвигатели и мотор-редукторы
Электродвигатели. Наибольшее распространение в электроприводах пере-
менного тока получили низковольтные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Их массовое применение обусловлено высокой надежностью, простотой эксплуатации, сравнительно низкой стоимостью и хоро-
шими регулировочными свойствами при работе от преобразователя частоты.
Соединение вала двигателя с рабочим органом машины или механизма может выполняться напрямую — безредукторным способом либо через понижающий (а
в некоторых случаях через повышающий) редуктор. Способ механического соединения зависит от конструкции, требуемой скорости вращения и момента приводного механизма, однако предпочтительным является использование безредукторных приводов [54]. При невозможности безре-дукторного исполнения привода в современном машиностроении широко применяются мотор-редукторы
— электродвигатель и понижающий редуктор, образующие единую конструкцию.
Область применения мотор-редукторов, как правило, ограничена мощностью 200
кВт. Более мощные редукторы изготавливаются на заказ. Производство асинхронных электродвигателей широко развито в России и за рубежом.
Отечественные электромашиностроительные предприятия выпускают:
асинхронные двигатели общепромышленного назначения различного конструктивного исполнения (серий 4А, 5А, 6А, АИР и др.) и их модификации специального назначения; взрывозащищенные двигатели (серий ВА, ВРА, 2В,
АИМ и др.); крановые и лифтовые двигатели (серий MTF, MTH, MTKF, МТКН, 4МТМ, 4МТКМ, 5АН, АНП и др.); высоковольтные асинхронные двигатели
(серий А4, ДА304 и др.).
Среди зарубежных производителей наиболее широкую производственную программу низковольтных асинхронных двигателей предлагает компания Siemens
(см. приложение).
Электродвигатели с механическими тормозами. Во многих приводных системах, используемых для позиционирования рабочего органа, двигатель должен быть оснащен дополнительным механическим тормозным устройством.
Двигатели с тормозом применяются и в тех случаях, когда необходима высокая степень безопасности. Например, в подъемных устройствах, когда двигатель электрическим способом останавливается при определенном положении привода,
для его надежной фиксации налагается стояночный тормоз. Подобные требования к безопасности действительны и для систем, чувствительных к отказу электросети. В этом случае механический тормоз двигателя является гарантом экстренной остановки. При подаче напряжения на катушку тормоза он освобождается (отпускается) электромагнитным способом, при снятии напряжения тормоз автоматически налагается усилием пружин. Тормозной момент дисковых тормозов регулируется посредством установки различных комплектов пружин, т.е. в заказе необходимо указывать требуемый тормозной момент двигателя, выбранный по каталогу в соответствии с условиями эксплуатации. Например, для подъемных устройств из соображений безопасности
следует выбирать тормозной момент приблизительно вдвое больше необходимого номинального момента двигателя.
Защита двигателей от перегрева. Условием стабильности вращающего мо-
мента двигателя является сохранение эффективности его охлаждения даже в нижнем диапазоне частоты вращения. Для двигателей с самоохлаждением это невозможно, поскольку при снижении частоты вращения уменьшается и эффективность вентиляции. Если вентилятор принудительного охлаждения не используется, вращающий момент необходимо снизить. Работать с постоянным вращающим моментом и без принудительного охлаждения может только двигатель большего, чем требуется, типоразмера. В этом случае при той же полезной мощности, но большей площади поверхности двигателя, тепловые потери будут эффективно отводиться даже на низкой частоте вращения. При выборе максимальной частоты вращения следует учитывать условия работы редуктора. При высокой окружной скорости входной ступени увеличиваются потери от перемешивания масла, возрастает трение в подшипниках и манжетах,
повышается уровень шума. Эти факторы ограничивают максимально допустимую частоту вращения двигателя. Нижняя граница диапазона частоты определяется параметрами самой приводной системы.
Для защиты обмоток двигателя от перегрева используются устройства, дей-
ствующие в зависимости от значений тока и температуры двигателя.
Токозависимыми защитными устройствами являются, например, автоматические выключатели, а термочувствительными — термисторы и биметаллические вык-
лючатели (термостаты). Термисторы и биметаллические выключатели срабатывают при достижении максимально допустимой температуры обмотки,
причем измерение производится непосредственно в месте ее повышения.
Предохранители не защищают двигатель от перегрузок. Они используются ис-
ключительно для защиты подводящих кабелей от короткого замыкания. За-
щитные автоматические выключатели обеспечивают достаточную защиту дви-
гателя от перегрузки при работе в нормальном режиме с малым числом вклю-
чений, недолгими запусками и умеренным пусковым током. Однако их не следует
использовать при работе в режиме с большим числом включений (более 60 в час)
и тяжелом запуске.
Мотор-редукторы. Состоят из электродвигателя и понижающего редуктора, образующих единую конструкцию. Тип редуктора выбирается с учетом монтажного пространства, способа крепления и соединения с приводимым механизмом. Мотор-редукторы производятся российскими и зарубежными компа-
ниями, наиболее крупными из которых являются SEW-Eurodrive, Flender, Sumitomo, Varvel, Motovario и др. Типы выпускаемых мотор-редукторов, прин-
ципы их расчета и выбора наиболее обстоятельно даны в каталогах компании
SEW-Eurodrive.
3. Коммутационная и защитная аппаратура, дроссели и фильтры
Коммутационная и защитная аппаратура, дроссели и фильтры предназна-
чены: для устранения нежелательного влияния преобразователя частоты на двигатель и питающую сеть, защиты преобразователя частоты и питающих кабелей, аварийного отключения преобразователя и двигателя от силового питания. Схема подключения коммутационной и защитной аппаратуры, дрос-
селей и фильтров показана на рис. 3.2.
Выбор аппаратов защиты для преобразователей частоты определяется их номинальным входным током, указанным в каталоге. Причем нет необходимости использовать быстродействующие автоматические выключатели и по-
лупроводниковые предохранители, рекомендуется применять стандартные автоматические выключатели для защиты двигателей. Как правило, рекомен-
дуемые аппараты защиты указаны в каталогах по выбору преобразователей. При отсутствии таких данных выбор автоматического выключателя определяется максимально возможной перегрузкой преобразователя, которая в общем случае составляет около 150 % его номинального входного тока в течение 60 с.
Сетевой контактор КМ1 на рис. 3.2 обеспечивает функцию аварийного ос-
танова электропривода, а также может использоваться для безопасного его
отключения. Выбор сетевого контактора следует производить по номинальному входному току преобразователя. Не рекомендуется использовать контактор для управления пуском/остановкой привода под нагрузкой. Это приведет к нежелательному износу контактора, а также увеличит время запуска привода за счет процедуры его инициализации при подаче силового питания. Для управления пуском/остановкой следует использовать сигнальные цепи преобразователя.
Сетевой коммутационный дроссель L1 снижает гармоники тока, которые вырабатывает в преобразователе блок выпрямления или блок выпрямления/
рекуперации. Эффект применения дросселя зависит от отношения мощности короткого замыкания (КЗ) питающей сети к мощности привода; рекомендуемое значение этого отношения более 33:1. Используется 2%-ный дроссель для блоков выпрямления и 4%-ный дроссель для блоков выпрямления/рекуперации. Сетевой коммутационный дроссель также снижает выбросы тока, вызванные скачками напряжения в сети (например, при работе компенсирующих устройств или замыкании на землю) или переключениями на подстанции.
Согласующий автотрансформатор, предназначенный для повышения на-
пряжения обратного моста блока выпрямления/рекуперации относительно на-
пряжения питания на 20 % во время рекуперации энергии, имеет два типа
исполнения: для работы в режиме рекуперации 25 % времени цикла
(ПВ 25 %) и 100% времени цикла (ПВ 100%).
Помехоподавляющие фильтры (входные) Z1 совместно с коммутационными сетевыми дросселями уменьшают напряжение помех преобразователя, блока выпрямления и блока выпрямления/рекуперации. Существуют помехоподав-
ляющие фильтры с номинальными током до 2500 А и напряжением до 690 В
для разных типов промышленных сетей.
Звено постоянного тока, снабжающее инвертор постоянным напряжением,
питается от блока выпрямления или блока выпрямления/рекуперации,
предохранители на входе которых также защищают его от КЗ и перегрузок.
Возможны три способа подключения инвертора и блоков:
1. Непосредственное подключение инвертора через встроенные предохра-
нители в звене постоянного тока.
2.Электромеханическое подключение инвертора и блоков торможения к звену постоянного тока через разъединитель QS (двухполюсное подключение) с
двумя предохранителями (защищающими инвертор). При таком подключении или отключении на звене постоянного тока не должно быть напряжения.
3.Электрическое подключение инвертора к звену постоянного тока через разъединитель QS (двухполюсное подключение) с двумя предохранителями,
двумя сопротивлениями предварительного заряда R и соединительным кон-
тактором КМ1 (рис. 3.3).
В базовой версии соединительным контактором можно управлять с помо-
щью электроники инвертора, следовательно, можно включить или выключить инвертор, когда звено постоянного тока находится под напряжением. При включении и выключении импульсы инвертора заблокированы, т.е. переключение происходит не под током. При настройке необходимо предусмотреть, чтобы контактор не замыкался при работе, например при аварии питания катушки управления контактором.
Блоки торможения и тормозные сопротивления используются в тех случаях,
когда процессы торможения привода с выделением энергии на звене постоянного тока происходят редко и имеют кратковременный характер, например при аварийном торможении механизма. Блоки торможения в диапазоне мощностей от
5 до 20 кВт состоят из полупроводникового ключа и встроенного нагрузочного резистора (рис. 3.4). Для увеличения мощности торможения подключают внешний нагрузочный резистор. При этом встроенный нагрузочный резистор должен быть отключен. Блоки торможения в диапазоне мощностей от 50 до 200
кВт требуют подключения внешнего нагрузочного сопротивления. Блоки торможения соседнего габарита или одинакового габарита, например, 100 и 170
кВт или 5 и 10 кВт, можно подключать параллельно для увеличения мощности торможения. Однако для каждого блока торможения требуется свое нагрузочное сопротивление. Для инверторов, подключенных к общей шине постоянного тока с блоком торможения, рекомендуется использовать обратные диоды.
Выходные дроссели L2 (см. рис. 3.2) компенсируют емкостные токи в длин-
ных кабелях. Максимальная длина кабеля питания двигателя, подключаемого к стандартному преобразователю без выходного дросселя, и при использовании