Электропривод насоса Д4000-95

4.1 Расчет параметров Т-образной схемы замещения

насос асинхронный двигатель преобразователь

Проведем расчет параметров Т-образной схемы замещения для короткозамкнутого асинхронного двигателя [12].

Определяется ток холостого хода асинхронного двигателя:

Где I_1н - номинальный ток статора двигателя, А;

- номинальное скольжение, о.е.;

щ₀ - синхронная частота вращения, рад/с;

U_1н - номинальное фазное напряжение, В;

I₁₁ - ток статора двигателя при частичной загрузке:

cosц_р* - коэффициент мощности при частичной загрузке, о.е.;

з_р* - КПД при частичной загрузке, о.е.;

р_*= Р/Р_н - коэффициент загрузки двигателя, о.е.;

Р - мощность двигателя при частичной загрузке, кВт.

Коэффициенты мощности и КПД при частичной загрузке в технической литературе приводятся редко, а для целого ряда серий электрических машин такие данные в справочной литературе отсутствуют. Эти параметры можно определить, руководствуясь следующими соображениями:

-современные асинхронные двигатели проектируются таким образом, что наибольший КПД достигается при загрузке на 10-15% меньшей номинальной. Двигатели рассчитываются так потому, что большинство из них в силу стандартной дискретной шкалы мощностей работают с некоторой недогрузкой. Поэтому КПД при номинальной нагрузке и нагрузке р_* = 0,75 практически равны между собой, т.е. з_н = з_0,75.

- коэффициент мощности при той же нагрузке р_* = 0,75 сильно отличается от коэффициента мощности при номинальной нагрузке, причем это отличие в значительной степени зависит от мощности двигателя и для известных серий асинхронных двигателей с достаточной для практики точностью подчиняется зависимости, приведенной на рис. (4).

Из формулы Клосса определим выражение для расчета критического скольжения

где

Значение коэффициента в находится в диапазоне 0,6 - 2,5(примем в=2).

Рисунок (4). Зависимость cosц_0,75/ cosц_н от мощности асинхронного двигателя

Определим коэффициент

Тогда активное сопротивление ротора, приведенное к обмотке статора асинхронного двигателя:

Активное сопротивление статорной обмотки можно найти по следующему выражению:

.

Определим параметр г, который позволяет найти индуктивное сопротивление короткого замыкания Х_кн:

Очевидно, что при отрицательном подкоренном выражении первоначально принятое значение в необходимо изменить.

Тогда индуктивное сопротивление короткого замыкания

Для того чтобы выделить из индуктивного сопротивления короткого замыкания Х_кн сопротивления рассеяния фаз статора Х_1ун и ротора Х'_2ун, воспользуемся соотношениями, которые справедливы для серийных асинхронных двигателей.

Индуктивное сопротивление рассеяния фазы роторной обмотки, приведенное к статорной, может быть рассчитано по уравнению

Индуктивное сопротивление рассеяния фазы статорной обмотки может быть определено по следующему выражению:

Согласно векторной диаграмме, ЭДС ветви намагничивания Е_т, наведенная потоком воздушного зазора в обмотке статора в номинальном режиме, равна:

тогда индуктивное сопротивление контура намагничивания

В результате расчетов были получены следующие параметры (табл.3).

Таблица № 3. Параметры двигателя для Т-образной схемы замещения.

Построим характеристики асинхронного двигателя [4].

Определим синхронную угловую скорость двигателя:

4.2 Расчет и построение естественной механической характеристики АД

Расчет естественной механической характеристики асинхронного двигателя произведем в соответствии с выражением:

Рис. 5. Естественные механические характеристики АД.

Принимая с допущением получим:

=2.24

Рассчитанные значения для механической характеристики приведены в таблице ниже:

Таблица № 4.

Определим дополнительные параметры двигателя.

• Момент критический двигательного режима

• Критическое скольжение

• Номинальная скорость двигателя

• Номинальный момент двигателя

• Максимальный момент двигателя

= k_max•M_н

Таблица № 5. Рассчитанные значения дополнительных значений двигателя:

4.3 Расчет и построение электромеханической характеристики АД

Определим зависимость тока ротора I₂' , приведенного к обмотке статора, от скольжения s:

График электромеханической характеристики I₂'(w)

Рис. 6. График электромеханической характеристики I₂'(w)

Номинальный ток ротора двигателя при номинальном скольжении

Таким образом, анализ расчетов показывает, что контрольные точки, найденные в соответствии с каталожными данными двигателя, практически совпадают с рассчитанным графиком механической характеристики асинхронного двигателя, поэтому методику определения параметров схемы замещения асинхронного двигателя по его каталожным данным можно считать приемлемой.

Рассчитанные значения для электромеханических характеристик приведены в таблице ниже:

Таблица № 6.

5. Выбор и технические характеристики преобразователя частоты

Преобразователь частоты выбираем по параметрам двигателя, а именно по номинальному току статора, напряжению и мощности. Ниже выбран преобразователь частоты ABS-DRIVE с соответствующими нам техническими характеристиками.

5.1 Основные преимущества преобразователей частоты

· лучшее соотношения цена/качество;

· многоуровневая схема формирования выходного напряжения обеспечивает синусоидальную форму выходного тока при минимальном уровне высших гармоник, поэтому отсутствует необходимость установки выходных фильтров электродвигателя для улучшения формы выходного тока;

· интегрированный силовой многообмоточный трансформатор в составе единого щита и новейшая схема построения преобразовательной части обеспечивают синусоидальность потребляемого тока и минимальное влияние на питающую сеть высших гармоник;

· повышенная надежность работы, так как даже в случае отказа силовой ячееки продолжится регулирование электродвигателя со снижением выходной мощности до планового ремонта преобразователя;

· длина кабеля подключаемого электродвигателя до 1000 м (на заказ).

5.2 Наличие в базовой комплектации

· встроенного многофункционального пульта управления с сенсорным дисплеем;

· отдельной световой и звуковой сигнализации на дверях щита;

· полного комплекта эксплуатационной, конструкторской и испытательной документации, оформленной в соответствии со стандартами РФ;

· отдельного комплекта проектной документации, индивидуально адаптированной к объекту применения преобразователя частоты ABS-DRIVE;

· функции автоматического шунтирования преобразователя частоты при срабатывании защит, вызывающих его отключение, и перевод электродвигателя на работу напрямую от сети 6 (10) кВ.

· эффективная система защит и система самодиагностики неисправностей:

- от коротких замыканий внутри и на выходе преобразователя частоты;

- время - токовая защита;

- максимально-токовая защита;

- от перегрева преобразователя частоты, в том числе при исчезновении принудительной вентиляции;

- от перегрева двигателя (при наличии встроенного термодатчика);

- от перенапряжений;

- от исчезновения напряжения сети;

- от недопустимого повышения и понижения напряжения сети;

- защита при отказе силовой ячейки с одновременным ее шунтированием, понижением выходной мощности и сохранением регулирования электродвигателя;

- от открытия дверей щита;

· встроенный многофункциональный ПИД - регулятор, обеспечивающий эффективное автоматическое регулирование технологического параметра (давления, расхода, температуры);

· встроенная функция работы на группу насосов с подхватом резервных насосов и их переводом на работу от сети 6 (10) кВ;

· возможность комплектования и согласованной работы широкой гаммы дополнительного оборудования.

Функциональная схема преобразователя частоты ABS-DRIVE.

Рис. 7. Функциональная схема преобразователя частоты ABS-DRIVE

Технические характеристики преобразователя частоты ABS-DRIVE.

Таблица № 7.

Устройство и принцип работы ПЧ.

В течение ряда последних лет ОАО "Электровыпрямитель" совместно с НТЦ Электротехники и транспорта (Москва) ведет работы по освоению промышленного производства преобразователей для высоковольтного асинхронного электропривода переменного тока. Преобразователи разрабатываются на основе отечественных материалов и комплектующих, в том числе на силовых приборах, выпускаемых ОАО "Электровыпрямитель" тиристорах, силовых диодах, ограничителях напряжения, полупроводниковых резисторах, IGBT силовых транзисторах.

Преобразователи частоты для асинхронного электропривода (ВПЧА) предназначены для установки на действующих объектах с асинхронными и синхронными электродвигателями класса напряжений 6 и 10 кВ для обеспечения энергосбережения и повышения эффективности применения за счет плавного регулирования скорости, а также для установки на новых объектах. Кроме энергосбережения использование преобразователей частоты обеспечивает также оптимизацию технологических процессов и ресурсосбережение, устранение пусковых токов двигателей, механических ударов в нагрузке, гидравлических ударов в трубопроводах, увеличение срока службы оборудования.

Состав серии преобразователей для высоковольтного асинхронного электропривода входят преобразователи с выходной мощностью от 500 до 2000 кВт (возможна разработка и более мощных преобразователей).

Преобразователи для высоковольтного асинхронного электропривода выполнены по структуре прямого бестрансформаторного преобразования электрической энергии трехфазной сети 6,3 (10) кВ, 50 Гц в трехфазное напряжение регулируемой частоты 0-55 Гц и содержат следующие основные узлы:

· узел ввода с ограничением перенапряжений;>

· тиристорный выпрямитель;

· фильтр звена постоянного тока;

· ШИМ-инвертор на IGBT-приборах;

· фильтр выходного переменного тока.

Преобразователи для высоковольтного асинхронного электропривода обеспечивают плавное регулирование выходной частоты с одновременным регулированием выходного напряжения в диапазоне от 5% до 105% номинальной частоты. Система регулирования преобразователей для асинхронного электропривода осуществляет векторное бездатчиковое управление двигателем и обеспечивает устойчивую работу электропривода при работе на вентиляторы (воздуходувки, насосы и компрессоры)

В ВПЧА асинхронного электропривода предусмотрены следующие защиты:

· защита от внешних коротких замыканий и перегрузок, при этом мгновенное значение тока короткого замыкания ограничивается допустимым значением;

· защита от внутренних повреждений (электронная защита путем отключения инвертора; отключение от питающей сети выключением внешнего коммутационного аппарата);

· защита от нарушений входной сети (защита от неполнофазных режимов; защита от импульсных перенапряжений — варисторы; защита от длительных перенапряжений — электронная и отключение входного напряжения);

· защита от нарушений функционирования (защита от исчезновения или изменения параметров сети собственных нужд; защита от пропадания сигнала задания частоты через вход 4-20 мА; защита от перегрева, вызванного нарушениями в системе охлаждения); • защита электродвигателя (максимальная токовая защита; защита от перегрузки; защита от работы при обрыве фазы двигателя; защита от работы при

6. Эффективность применения ЧРЭП по сравнению с задвижкой

Основными достоинствами ЧРЭП являются:

- плавность регулирования и высокая жесткость механических характеристик, что позволяет регулировать частоту вращения в широком диапазоне;

- экономичность регулирования, обусловлена тем, что двигатель работает с малым значением абсолютного скольжения;

- возможность снижения пусковых токов. эффективная защита электродвигателей насосных агрегатов , работа электродвигателей и коммутационной аппаратуры с пониженной динамической нагрузкой, что значительно увеличивает срок службы электротехнического оборудования;

- значительная экономия за счет оптимизации давления в сетях и уменьшения разрывов трубопроводов;

- возможность полностью автоматизировать технологический процесс.

Недостатками являются:

- Сложность и высокая стоимость (особенно высоковольтных) преобразователей частоты.

При использовании ЧРЭП потери мощности определяются только значениями КПД насоса, двигателя и преобразователя частоты.

Регулирование задвижкой:

Где - К.П.Д. насоса;

- К.П.Д. двигателя;

Частотное регулирование преобразователем частоты:

Где - К.П.Д. насоса;

- К.П.Д. двигателя;

- К.П.Д. преобразователя частоты.

Таблица № 8.

Рис. 8 . Сравнительные зависимости потребляемой из сети мощности от подачи ПЧ и задвижки.

7. Определение потерь скольжения