Данная схема (рисунок 9.1) подключения обеспечивает возможность использования низковольтного преобразователя частоты с высоковольтным электродвигателем.

Трансформатор Т1 - понижает напряжение питания до 690В (380В) и обеспечивает гальваническую развязку преобразователя 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 3кВ и обеспечивает гальваническую развязку преобразователя частоты с электродвигателем.

Рисунок. 6.1.1 - Блок-схема высоковольтного частотно-регулируемого электропривода с использованием трансформаторов и низковольтного преобразователя частоты.

ПЧ-преобразователь частоты FDU40

T1 и T2 - трансформаторы 3кВ/400В

Д - дроссель

М - электродвигатель

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на рисунке 6.2 В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.

Переменное напряжение питающей сети (u_вх.) с постоянной амплитудой и частотой (U_вх = const, f_вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (u_выпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение u_d поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

Рисунок 6.1.2 - Типовая схема низковольтного преобразователя частоты.

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения u_d в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение u_и изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя. Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции. При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения u_и может достигаться регулированием величины постоянного напряжения u_d, а изменение частоты - режимом работы инвертора.

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (U_вых = var, f_вых = var).

Рассчитаем КПД частотного преобразователя, приведённого на рисунке 6.1:

Потери мощности в низковольтном частотном преобразователе вычисляются по формуле:

,

где ДP_тр - потери мощности в трансформаторе;

ДP_в - потери мощности в вентилях;

ДP_ф - потери мощности в фильтре (дросселе);

ДP_всп =0,5ч3% ДP_d - потери мощности во вспомогательных устройствах;

Выбираем трансформатор по справочнику [9] ТМ-250/6.

Таблица 6.1.1 - Технические характеристики трансформатора ТМ-250/6.

Найдём потери мощности в трансформаторе [10]

Потери активной мощности в трансформаторе:

Потери мощности в вентилях в современных выпрямительных устройствах представляют собой очень малую величину, т.е. ДP_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 частотного преобразователя будет равен:

Коэффициент мощности ч можно подсчитать по следующей формуле:

(9.1.12)

где н=0,99 - коэффициент искажения формы для неуправляемых выпрямителей. Отсюда

Таблица 6.1.2 - Преобразователи частоты серии FDU40-160 кВт

Таблица 6.1.3 - Общие данные серии FDU40

Расчёт экономических затрат произведем по методике, изложенной в [11].

Определение капитальных вложений.

Капитальные вложения должны учитывать транспортные и монтажные расходы, которые определяются в процентах от стоимости внедряемого оборудования:

где

Цп=307740 (по прайс-листу ООО "АДЛ Групп") - цена с НДС низковольтного преобразователя частоты,

Ц₂=60000 - цена трансформатора ТМ-250 включая НДС.

Тр=5% - транспортные расходы;

ПН=10% - пуско-наладочные расходы;

М=8% - расходы на монтажные работы.

В капитальные вложения не включена стоимость ЭД, так как нам необходимо подсчитать лишь экономические затраты от внедрения преобразователя

Определение эксплуатационных затрат.

Годовые эксплуатационные затраты, связанные с обслуживанием и эксплуатацией ЭП, рассчитываются по следующей формуле:

где З_вспом - затраты на вспомогательные материалы;

З_рем - затраты на ремонт;

З_обор - затраты на обслуживание оборудования, т.е. на заработную плату работника (работников), занимающегося обслуживанием;

З_ам - амортизационные отчисления по внедряемому оборудованию;

З_пр - прочие затраты.

Затраты на вспомогательные материалы составляют 20% от стоимости капитальных вложений:

Затраты на ремонт оборудования составляют 25% от капитальных вложений:

Затраты на содержание и эксплуатацию оборудования составляют 40% от капитальных вложений:

Затраты на амортизацию составляют 10% от капитальных вложений, так как эксплуатационный срок оборудования 10 лет:

где H_A =0,1 - норма амортизации.

Затраты от потерь электроэнергии рассчитывается по формуле:

(9.1.19)

Величина прочих затрат принимается равной 25% от суммы других затрат:

(9.1.18)

Результаты расчета эксплуатационных затрат приведены в таблице 6.1.4

Общие затраты проекта складываются из капитальных вложений и эксплуатационных затрат:

(9.1.19)

6.2 Высоковольтный преобразователь частоты на IGBT-транзисторах

Структурная схема преобразователей частоты серии MELTRAC-F530HVС (напряжение 3кВ) приведена на рисунке 6.2.1

Рисунок 6.2.1 - Общая схема управляемого электропривода

Схема состоит из входного трансформатора, многоуровневого инвертора и системы управления.

Входной трансформатор

Общая структура электропривода.

Для составления математической модели удобно воспользоваться представлением системы в переменных входы-выходы, которая отличается отражением в модели реальных физических величин, что в свою очередь более удобно при рассмотрении конкретных систем электроприводов различных производственных механизмов.

Общая структура электропривода представляется в виде схемы (рисунок 10.1), где раскрываются входные и выходные переменные каждого звена системы электропривода.

Рисунок 7.1 - Общая структура электропривода

Частотный преобразователь можно разделить на три основные части: неуправляемый выпрямитель, инвертор и систему управления выпрямителем и инвертором. Частотно-регулируемый асинхронный двигатель (ПЭДВ), вращая центробежное колесо насоса ЭЦВ, воздействует на величину давления жидкости в системе трубопроводов. Давление жидкости фиксируется датчиком давления. Преобразованный с помощью измерительного преобразователя сигнал с датчика передается в системы управления ПЧ. Для представления математической модели ЭП необходимо составить систему уравнений описывающих электрическое и электромагнитное состояние ЭП, а также систему уравнений, описывающую механические процессы, протекающие в ЭП. Для составления уравнений, характеризующих электрическое и электромагнитное состояние электродвигателя, удобно воспользоваться Т-образной схемой замещения асинхронного двигателя.

Рисунок 7.2 - Схема замещения асинхронного двигателя

Уравнения, характеризующие электрическое состояние статора и ротора электродвигателя:

U_1ф - U_ab = I₁R₁ + jX₁I₁;

U_ab = (R'₂/s) ·I'₂ + jX'₂I'₂;

где U_1Ф - напряжение фазы обмотки статора;

U_ab - напряжение на "зажимах" ветви намагничивания;

I₁ - ток фазы статорной обмотки;

R₁, X₁ - активное и индуктивное сопротивление фазы обмотки статора;

X₂' - приведенное индуктивное сопротивление ротора;

R₂'/s - приведенное активное сопротивление ротора с учетом механической нагрузки на валу двигателя;

I₂' - приведенный ток ротора.

Уравнения, характеризующие электромагнитное состояние электродвигателя:

U_ab = jX₀I₀;

I₁ + I'₂ = I₀.

где X₀ - индуктивное сопротивление ветви намагничивания;

I₀ - ток холостого хода (ветви намагничивания).

Уравнения, описывающие механику двигателя:

;

где щ₀ - синхронная частота вращения.

;

;

где Мс - статический момент сопротивления, Нм;

J - момент инерции двигателя, кг/м².

После перехода к операторной форме, выражения примут следующий вид:

U_1ф - U_ab = I₁R₁ + pL₁I₁;

U_ab = (R'₂/s) •I'₂ + pL'₂I'₂;

U_ab = pL₀I₀,

;

Выражения 10.4 и 10.6 для дальнейшего анализа удобно представить в виде:

I₀ = I₁ + I'₂;

;

Структурная схема электропривода

Структурная схема выпрямителя соответствует уравнению, описывающему его работу:

U_d=K₁U₂;

Рисунок 7.3 - Структурная схема выпрямителя

Структурная схема инвертора

Из выражения видно, что выходными сигналами системы управления преобразователя частоты являются глубина модуляции и частота модуляции, они же наряду с Ud, будут являться входными для инвертора с широтно-импульсной модуляцией.

Рисунок 10.4 - Структурная схема инвертора

На рисунке 7.4 - К2 = 2р/р - пропорциональное звено перехода к круговой частоте модуляции.

Структурная схема асинхронного двигателя

Структурная схема асинхронного двигателя может быть представлена на основании выражений 10.5,10.8-10.13.

Цепь статора

Преобразуем выражение 10.8 относительно I1.

;

Где К₃=1/R₁ - коэффициент передачи звена;

T₁=L₁/R₁ - постоянная времени фазы статорной обмотки.

Рисунок 10.5 - Структурная схема цепи статора асинхронного двигателя

Цепь ротора

Преобразуем выражение 10.9 относительно I'₂:

;

Где К₅=1/R'₂ - коэффициент передачи звена;

T₂=L₂'/R'₂ - постоянная времени фазы обмотки ротора.

Рисунок 7.6 - Структурная схема цепи ротора асинхронного двигателя

Цепь намагничивания

Используя выражения 10.10 и 10.12 и приняв L₀=K₄, получаем структурную схему:

Рисунок 7.7 - Структурная схема цепи намагничивания

Момент двигателя

Из уравнения 10.5 приняв К₀=3R₂' (коэффициент усиления звена), получаем структурную схему:

Рисунок 7.8 - Структурная схема выражения вращающего момента двигателя

Скольжение

Рисунок 7.10 - Структурная схема выражения скольжения

Классическое уравнение движения привода

Представляет собой интегрирующее звено:

Рисунок 7.11 - Структурная схема интегрирующего звена

Структурная схема статического момента сопротивления производственного механизма

Производственный механизм оказывает влияние на величину угловой скорости вращения двигателя внесением отрицательного момента сопротивления в структурную схему электропривода. Статический момент сопротивления является отрицательным по отношению к моменту двигателя. В общем случае, для подавляющего большинства центробежных насосов механическая характеристика может быть выражена эмпирической формулой [1]:

;

где М_С - момент сопротивления производственного механизма при скорости щ;

М_С0 - момент сопротивления трения в движущихся частях механизма;

М_{С. НОМ -} момент сопротивления при номинальной скорости щ_НОМ.

Рисунок 7.12 - Структурная схема насоса

Общая структурная схема, показанная на рисунке А.1, включает в себя также обратную связь (рисунок 10.13), входной величиной, которой является давление в системе трубопроводов (уровень в наполняемом резервуаре), выходной - изменение электрического параметра (например, напряжения).

Рисунок 7.13 - Структурная схема звена обратной связи

8. Проблема "длинного кабеля" в электроприводах с IGBT (инверторами)

Для анализа динамики системы ПЧ-АД построим ее структурную схему.

Известно, что при питании от преобразователя частоты асинхронный двигатель работает исключительно на прямолинейных участках механических характеристик. Следовательно, в данном случае можно пренебречь электромагнитной постоянной времени и считать переходные процессы электромеханическими. В этом случае момент двигателя определяется выражением. Однако это уравнение описывает механическую характеристику электродвигателя во всем диапазоне скольжений. Так как в системе ПЧ-АД электродвигатель работает только при скольжениях, меньших критического, то является целесообразным использовать математическое описание прямолинейного участка характеристики, которое можно представить следующим образом:

= он - ,

где он - скорость идеального холостого хода при частоте f, равной номинальной частоте fн;

= f / fн - относительная частота напряжения питания;

- статическое падение скорости.

Так как на рабочем участке механические характеристики двигателя в системе ПЧ-АД параллельны, то при данном Мс статическое падение скорости является величиной постоянной, то есть можно представить в виде:

= он - К М, (4.50)

где

К - коэффициент пропорциональности между М и .

Этот коэффициент можно определить, исходя из следующих соображений: он является постоянным для любой точки характеристики, в том числе и для точки номинального режима на естественной характеристике:

н = он - К Мн.

Из (4.51) после алгебраических преобразований получаем:

К = он Sн / Мн.

Подставляем вместо К его значение после алгебраических преобразований получаем математическое описание момента двигателя на линейных участках механических характеристик:

М = ( он - ) Мн / Sн он.

Дальнейшее математическое описание целесообразно вести в относительных единицах (здесь относительные величины обозначаются значком *); в качестве базовых используются: Мн, он, fн.

Тогда принимает вид:

М* = ( - *) / Sн.

Из уравнения движения электропривода получаем:

М = Мс + Тм (Мкн / он) (d / dt),

где Тм = J он / Мкн - электромеханическая постоянная времени;

Мкн - критический момент на характеристике при f = fн.

Представим в относительных единицах:

М* = Мс* + Тм (Мкн / Мн) (d* / dt).

Здесь Мкн / Мн = - перегрузочная способность двигателя. Причем закон совместного изменения частоты и напряжения преобразователя выбирается именно из условия получения постоянной перегрузочной способности при любой форме зависимости от скорости момента статического, то есть для всех реально возможных режимов эта величина остается неизменной. Следовательно можно записать:

М* = Мс* + Тм (d* / dt)

Определим из d* / dt и представим полученное уравнение и в операторной форме:

* (р) = (М* (р) - Мс* (р)

Тмр

М* (р) = ( (р) - * (р)) / Sн.

На основании построена структурная схема асинхронной машины при ее работе на прямолинейных участках механических характеристик, приведенная на рис. 1.20.

Как указывалось выше, преобразователь частоты состоит из выпрямителя и инвертора, соединенных последовательно. Если, согласно 8, представить их апериодическими звеньями с постоянными времени Тв и Ти соответственно, то передаточная функция Wп (p) преобразователя имеет вид:

Wп (p) = Кп / [ (Tв + 1) (Tи p+1)],

где Кп - коэффициент усиления ПЧ.

После алгебраических преобразований (4.60) можно записать

Wп (p) = Кп / (TвТи p²+Tв p+Tи p+1)

Как указывалось выше, постоянная времени выпрямителя Тв = 0,01с, а величина постоянной времени инвертора определяется его конструкцией. Если инвертор построен на базе тиристорных ключей, то его постоянная времени Ти = 0,01, если - на базе транзисторов, то его можно считать безъинерционным звеном с постоянной времени равной нулю.

Если Ти = 0,01, то TвTи = 0,0001с. Этой величиной можно пренебречь и тогда

Wп (p) = Кп / [ (Tв+Tи) p+1)].

Следовательно,

Wп (p) = f (р) / Uз = Кп / [ (Tв+Tи) p+1)].

Представим (4.63) в относительных единицах, где базовым значением Uз является Uзн, при котором на выходе преобразователя имеется напряжение с частотой fн, равной номинальной. Имея в виду, что в установившемся режиме Uзн Кп = fн, получаем:

(р) = U* (р) / [ (Tв+Tи) p+1)]

На основании (4.64) с учетом схемы рис. 1.20 строится структурная схема разомкнутой системы ПЧ-АД, приведенная на рис. 1.21.

Получаем систему дифференциальных уравнений, описывающих эту схему:

d / dt = (М* - Мс*) / Тм;

М* = ( - *) / Sн;

d / dt = (Uз* - ) / (Тв + Ти)

При линейном изменении задающего напряжения вместо Uз* подставляется его функциональная зависимость Uз* = Кзt, где Кз = 1/tп - коэффициент скорости изменения частоты выходного напряжения преобразователя, который, также как и в системе ТП-Д, определяется из условия получения при пуске момента, не превышающнго допустимый.

Так как механические характеристики электродвигателя считаются линейными, то методика поэтапного анализа переходных процессов здесь такая же, как и в системе ТП-Д.

Схема АД с плавным пуском при вентиляторном моменте.

Список использованной литературы