НИРС Андреев / 140600.68_СДМ.Ф.4_Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации. ч2

мание при выборе электропривода переменного тока на базе асинхронного двигателя.

• Выбор номинальной мощности преобразователя частоты по номиналь-

ной мощности двигателя не является достаточным. При выборе стандартных приводов в общем случае необходимо осуществлять проверку соответствия номинального тока двигателя номинальному выходному току преобразователя,

т.е. соблюдение условия Iдв < Iпр .Выбор мощности привода, предназначенного для механизма с постоянным моментом нагрузки, требует предварительного анализа нагрузочной диаграммы этого механизма в целях проверки способности преобразователя выдерживать ожидаемые перегрузки.

• Учет требуемого рабочего диапазона регулирования скорости двигателя. Работа в области частот выше номинальной (50 Гц), как правило,

возможна только при пониженном моменте двигателя, т.е. при

МДВ < Мдв.ном = (9550Рдв ном)/nдв ном

(где Mдв.ном — номинальный момент двигателя, Н м; Рдв.ном — номинальная мощность двигателя, кВт; nдв.ном - номинальная частота вращения ротора двигателя, об/мин). Необходимо также учитывать, что максимальная частота вращения ротора определяется параметрами механической части двигателя. При работе двигателя в области низких частот с моментом, близким к номиналь-

ному, необходимо учитывать параметры системы охлаждения двигателя. Во избежание перегрева, а следовательно, потерь мощности двигателя в этом режиме требуется использовать принудительную вентиляцию.

• Возможность работы привода в тормозном режиме с отдачей энергии торможения через модуль инвертора на звено постоянного тока. При проектировании приводов подъемно-транспортных машин, устройств размотки материала и прочих механизмов с большим моментом инерции, режим работы которых подразумевает быструю остановку или резкое снижение скорости, необходимо предусматривать тормозные модули (тормозные резисторы) либо модули рекуперации энергии торможения в питающую сеть.

• Учет длины силового кабеля для подключения двигателя. При превышении допустимой длины кабеля требуется предусматривать специализированный фильтр на выходе преобразователя частоты и учитывать дополнительные потери мощности в фильтре и питающем кабеле.

Для надежного функционирования электропривода необходимо обеспечить соответствие параметров питающей сети техническим характеристикам пре-

образователя.

Допустимые отклонения номинальных параметров питающей сети.

Преобразователи частоты, серийно выпускаемые фирмами — производителями приводной техники, предназначены для эксплуатации в сетях с ограниченными значениями напряжения питания и частоты. Так, например, преобразователи частоты Simovert VC фирмы Siemens могут эксплуатироваться в сетях с следу-

ющими рабочими диапазонами трехфазного переменного напряжения: от

200 В -15 % до 230 В +15 %; от 380 В -15 % до 480 В +10 %; от 500 В -15 % до 600 В +10 %; от 660 В -15 % до 690 В +15 %.

Номинальная частота питающего напряжения для данных преобразовате-

лей должна лежать в пределах (50/60 Гц) ±6 %.

В некоторых случаях указанные пределы могут быть превышены. Например,

питающее напряжение может резко возрасти на конечных участках длинных магистральных линий в вечерние часы и выходные дни, когда отключаются мощные потребители. При питании электроприемников от локальных источ-

ников электроэнергии (например, дизель-генераторов) возможно значительное снижение питающего напряжения. При проектировании электропривода необходимо проводить оценку возможных отклонений параметров питающей сети от номинальных.

Искажения в питающей сети. В большинстве случаев частота и напряжение питающей сети находятся в пределах нормы, однако периодически в сети возникают возмущения, которые могут привести к возникновению неисправ-

ностей или выходу из строя преобразователя. Для предотвращения таких ситу-

аций необходимо обращать внимание на следующие факторы: наличие

оборудования для коррекции коэффициента мощности сети (так как,

например, переключение ступеней конденсаторной установки может вызвать большие броски напряжения, которые часто являются причиной выхода из строя преобразователей частоты); наличие мощного сварочного оборудования,

особенно контактных и высокочастотных сварочных аппаратов; наличие других приводов, полупроводниковых преобразователей электротермических систем и т.д. Современные преобразователи частоты способны выдерживать довольно интенсивные возмущения в питающей сети, например броски напряжения до 4

кВ. Однако перечисленное оборудование может вызвать более мощные искажения. При невозможности устранения исходных причин искажений в питающей сети необходимо, как минимум, предусмотреть установку входных сетевых дросселей в цепи питания преобразователей, а также ограничителей перенапряжений на базе варисторов. Необходимо наличие защиты преоб-

разователя от коротких замыканий в сети и устройства грозозащиты.

Сети с изолированной нейтралью. Некоторые промышленные установки предназначены для работы в условиях повышенных требований к электробезопасности. Как правило, питание таких установок осуществляется от сетей с изолированной нейтралью. Использование преобразователей частоты в таких сетях возможно только при отсутствии входных помехоподавляющих фильтров. При наличии в преобразователе встроенного фильтра подавления электромагнитных помех необходимо удалить конденсаторы фильтра, связанные с корпусом преобразователя. Для предотвращения нежелательных отключений преобразователя от замыкания выходной фазы на землю рекомендуется использовать устройство защитного отключения (УЗО).

Ограничения режимов со стороны двигателя. В стандартном исполнении асинхронный двигатель охлаждается с помощью крыльчатки,

вращающейся со скоростью вращения его вала. Этот способ охлаждения эффективен при работе двигателя с номинальным моментом при номинальной скорости (зона 1 на рис. 3.8).

При работе в продолжительном режиме на пониженной скорости

(зона 3) максимальный момент двигателя ограничен значением, равным 75 % номинального момента при нулевой частоте. Допустимый момент увеличивается до уровня номинального при увеличении частоты вращения до 50 % от оминального значения. При работе двигателя в данной зоне требуется применение вентилятора независимого обдува. Работа двигателя с увеличенным моментом (зона 2) обычно не продолжительна, так как ограничена перегрузочной способностью преобразователя (обычно 150 %

номинального тока преобразователя в течение 60 с) и не приводит к перегреву двигателя.

Рис. 3.8. Режимы работы системы ПЧ—АД под нагрузкой:

1— зона работы с номинальным моментом при номинальной скорости; 2 — зона работы с увеличенным моментом двигателя; 3 — зона продолжительной работы на пониженной скорости

Рис. 3.9. Механические характеристики различных нагрузок:

1 — с постоянным моментом, не зависящим от частоты; 2 - с переменным моментом, зависящим от час-

тоты; 3 — с нелинейной зависимостью момента от частоты

Работа стандартных асинхронных двигателей в диапазоне частоты выше номинальной, как правило, ограничена двойной номинальной частотой вращения двухполюсного двигателя (6000 об/мин) вследствие наличия ограничений со стороны подшипников. Однако в данном режиме происходит снижение потока магнитного возбуждения (так как выходное напряжение преобразователя ограничено значением входного напряжения), что влечет за собой уменьшение максимального момента двигателя пропорционально повышению частоты вращения выше номинального значения. Если обмотки стандартного асинхронного двигателя с параметрами А/Д 380/220 В соединить треугольником

(номинальное напряжение двигателя Uдв.ном= 220 В) и питать его через преобразователь частоты с номинальным входным напряжением 400 В,

номинальный момент можно обеспечить на частоте n1 = 1,73nдв.ном.

Тип нагрузки механизма. Выбор системы преобразователь частоты— двигатель определяется требованиями, предъявляемыми к диапазону регулирования скорости, и характеристикой нагрузки приводного механизма. Соотношение между частотой вращения п двигателя и моментом нагрузки Мн различно для разных классов машин и механизмов (рис. 3.9).

Большинство из них могут рассматриваться как нагрузки с постоянным, не зависящим от частоты вращения моментом (прямая /). Типичным примером таких механизмов являются конвейеры, компрессоры и т.д.

Некоторые механизмы следует рассматривать как нагрузки с переменным моментом, зависящим от частоты вращения (кривая 2).

Типичным примером таких нагрузок служат центробежные насосы и вентиляторы. Момент нагрузки этих механизмов пропорционален квадрату частоты вращения, а потребляемая мощность соответственно пропорциональна частоте вращения в третьей степени. Данный факт означает, что снижение частоты вращения двигателя приводит к значительному снижению мощности, потребляемой механизмом, и

соответственно обеспечивает экономию электроэнергии, что является основной причиной применения регулируемых электроприводов вен-

тиляторов и насосов.

Некоторые механизмы имеют нелинейные зависимости момента нагрузки от частоты вращения (кривая 3). Выбор двигателя для таких механизмов требует предварительного анализа их механических характеристик, так как необходимо обеспечить достаточный запас по моменту двигателя для реализации всех требуемых режимов работы механизма. Отдельного рассмотрения требует режим пуска привода, т.е.

выбранный двигатель должен обеспечивать достаточный пусковой момент

имомент, требуемый для ускорения механизма (см. подразд. 3.2.3).

2.Расчет гармоник тока и напряжения

вэлектросети, питающей преобразователь частоты

Как было показано в гл. 2, неуправляемый диодный выпрямительный мост в составе преобразователя частоты, является источником высокочастотных гармоник тока и напряжения. В некоторых случаях необходимо оценивать уровень этих гармоник, так как превышение допустимого уровня их содержания в питающей сети вызывает дополнительные потери в питающем трансформаторе и другом силовом оборудовании. Для расчета уровня гармоник в конкретной питающей сети необходимо знать ее полное сопротивление, значение которого влияет на уровень тока короткого замыкания сети, номинальные параметры питающего трансформатора и установленное полное сопротивление пита-

емых электроприемников. Существуют прикладные программы для определения количественного состава гармоник тока и напряжения в питающей сети в зависимости от нагрузки, типа и числа подключенных преобразователей. Например, программное обеспечение Наппас4,

созданное фирмой Siemens для анализа гармонического состава сети,

питающей преобразователи частоты.

Состав гармоник, поступающих в питающую сеть, зависит от режима работы привода. Рассмотрим двигательный режим работы привода с использованием неуправляемого выпрямителя и генераторный режим с использованием модуля выпрямления/рекуперации, взяв за основу соответствующие эквивалентные схемы (рис. 3.10).

6-пульсный неуправляемый выпрямитель

6- пульсный управляемый выпрямитель

Рис. 3.10. Эквивалентная схема системы питающая сеть —ПЧ:

а — для двигательного режима работы с использованием неуправляемого выпрямителя; б — для генераторного режима работы с использованием модуля выпрямления рекуперации.

Предположим, что ток нагрузки iн остается постоянным и рассчитаем его соответственно для двигательного и генераторного режимов:

где Рдв.ном — номинальная мощность двигателя; ηдв, ηи —

соответственно КПД двигателя и инвертора; UB — выпрямленное напряжение на звене постоянного тока.

В двигательном режиме UB можно оценивать без учета падения напряжения в промежуточных цепях: UB = 1,35 Uс где Uc — напряжение питания сети на входе преобразователя. В генераторном режиме значение UB

задается при настройке контура регулирования напряжения на звене постоянного тока.

Емкость конденсатора С определяется для конкретного преобразователя частоты или инвертора. Индуктивность сетевого фильтра

Lc рассчитывается исходя из мощности короткого замыкания SКЗ на стороне высокого напряжения питающего трансформатора, его номинальной мощности ST.HOM и напряжения короткого замыкания UКЗт( %), а также напряжения короткого замыкания входного сетевого дросселя UКЗд (%) и

номинальной активной или полной мощности инвертора SИ.НОМ. В режиме рекуперации энергии при наличии модуля выпрямления/рекуперации необходимо также учитывать напряжения короткого замыкания согласующего автотрансформатора UКЗАТ ( %). Суммарная индуктивность

сети таким образом складывается из следующих компонентам.

Расчет гармоник, поступающих в питающую сеть, рассмотрим на примере привода мощностью 90 кВт при работе в двигательном и генераторном режимах.

Пример 3.1. Для работы в двигательном режиме используется преобразователь частоты мощностью 90 кВт с входным сетевым дросселем

(UКЗД = 2%). В генераторном режиме используется инвертор с звеном постоянного тока мощностью 90 кВт, питающийся от модуля выпрямления/рекуперации мощностью 90 кВт с входным сетевым дросселем (UКЗД = 4%). Номинальный выходной ток преобразователя/инвертора Iи.ном = 186 А. Инверторный мост модуля выпрямления/рекуперации подключается к питающей сети через согласующий автотрансформатор (UКЗАТ = 2 %). Характеристики питающей сети, одинаковые для обоих режимов: используется трансформатор 2,2/0,4

кВ, SТ.НОМ = 150 кВ · А, UКЗт = 4 %, SКЗ = 10 MB А. КПД двигателя 94,9 %; КПД инвертора 98 %. Емкость конденсатора в звене постоянного тока преобразователя частоты и инвертора С = 12 мФ.

Компоненты для расчета индуктивности питающей сети LС:

Таким образом, в двигательном режиме Ic = L'K3ATB + ZK3T + LK3д2% = 266 мкГн, а в генераторном Lс = L'кзв + Lкзт + Lкзд4%+LКЗАТ2% = 424 мкГн. Ток нагрузки в двигательном режиме при UB = 521 В

Ток нагрузки в генераторном режиме при UB = 521 В

Рис. 3.11. Изменение тока (7) и напряжения (2) питающей сети в двигательном (а) и генераторном (б)

режим.