Инженерная компания «Технорос» Россия, г. Санкт-Петербург www.technoros.spb.ru Преобразователи частоты тиристорные серии ПЧИТ 1. НАЗНАЧЕНИЕ ПЧИТ предназначены для плавного пуска, торможения и регулирования частоты вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, управляющих механизмами в различных отраслях промышленности. 2. ПРИНЦИП ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ Силовая схема преобразователя частоты (рис.1) включает в себя следующие устройства. управляемый трехфазный мостовой выпрямитель В. Выпрямитель В подключается к сети 50 Гц через токоограничивающий реактор или согласующий трансформатор. На стороне переменного тока управляемого выпрямителя установлены датчики тока ДТ1; трехфазный мостовой автономный инвертор тока АИ с отсекающими диодами. Отсекающие диоды и коммутирующие конденсаторы предназначены для принудительного выключения тиристоров инвертора. На выходе АИ установлены датчики напряжения ДН и тока ДТ2; сглаживающий дроссель Др в звене постоянного тока между В и АИ. Принцип функционирования: переменный ток частоты 50 Гц выпрямляется с помощью управляемого выпрямителя, а затем преобразуется в переменный ток регулируемой частоты с помощью автономного инвертора тока. Частота переменного тока определяется частотой подачи управляющих импульсов на тиристоры инвертора, а амплитуда переменного тока регулируется изменением угла управления импульсов выпрямителя. И частота управляющих импульсов АИ, и угол управления импульсов В устанавливаются автоматически системой управления и регулирования, содержащей следующие функциональные узлы. Регулятор скорости РС. На входе РС сравниваются сигналы задания частоты вращения / и сигнал фактической частоты вращения . На выходе регулятора скорости получаем сигнал задания амплитуды тока / и задания угла сдвига между вектором тока и потока Ф двигателя - / . 2 Преобразователь (устройство) П1 измерения векторов тока и потока двигателя . По мгновенным значениям фазных токов i , i и напряжений и , и измеряются амплитуда и пространственный угол векторов тока Ī и напряжения Ū, а по Ū и Ī находим Ф . Преобразователь (устройство) П2 измерения амплитуды Ф и частоты вращения вектора потока . Момент, развиваемый двигателем, определяется амплитудами , Ф и углом сдвига между векторами Ī и Ф . Назначение регулятора скорости изменять момент двигателя таким образом, чтобы фактическая скорость была равна заданной / . Именно поэтому на выходе РС получаем два сигнала: задание / и угол /. Изменением соотношений между / и / можно получить различные законы управления асинхронным двигателем, например, режим ослабления потока двигателя, режим управления двигателем по закону М.П. Костенко и др. Система автоматического регулирования величины тока двигателя (он же выходной ток инвертора, он же входной ток выпрямителя), включающая в себя: регулятор тока РТ, на входе которого сравниваются сигналы задания / и фактического тока . система управления выпрямителем СУВ, формирующая управляющие импульсы тиристоров выпрямителя, угол управления которых определяется выходным сигналом РТ управляемый выпрямитель в качестве силового регулятора. Система управления инвертором СУИ формирует управляющие импульсы тиристоров инвертора. Выходная частота переменного тока (или частота вращения вектора ) определяется частотой подачи управляющих импульсов на тиристоры инвертора. Последняя формируется в СУИ таким образом, чтобы фактический угол сдвига между векторами и Ф был равен заданному / . Система управления ПЧИТ реализована в виде программы, установленной в микроконтроллере в составе преобразователя. ДР 0, 0, ; 4 66кV ДТ1 50Гц В ДТ2 А И 6( 10) кВ ДН А, U В U II , B А П 1 ДТ1 I СУ В СУИ Р Т I I П 2 РС Рисунок 1 3. ДОСТОИНСТВА ПЧИТ Данный тип преобразователя частоты обеспечивает частотное управление скоростью двигателя, активное торможение двигателя с рекуперацией энергии в питающую сеть, и все это при неизменном составе силового оборудования (рис. 1). В ПЧИТ используются обыкновенные (не специальные) тиристоры и диоды. 1) 3 2) Элементная простота силовой схемы, отсутствие специальных требований к силовым полупроводниковым приборам обеспечивает данному типу преобразователя частоты повышенную надежность и простоту в эксплуатации. 3) Для надежной работы двигателей не требуется установка силовых фильтров. 4) Высокие вычислительные возможности микропроцессорной системы и оригинальные алгоритмы управления обеспечивают электроприводам на основе ПЧИТ следующие качественные регулировочные характеристики: 5) Рабочий диапазон (длительная работа) регулирования по скорости 20:1 в отсутствие специальных тахометрических устройств на валу двигателя и 50:1 при наличии универсальных тахометрических устройств. Диапазон частот на выходе ПЧИТ 0 50 Гц. 6) ШИМ - управление током двигателя в области выходных частот инвертора 5 Гц и ниже. Данный способ управления существенно снижает пульсации скорости двигателя в области низких частот. 7) Переключаемые в функции частоты вращения оптимальные законы управления двигателем: режим постоянства потока ротора двигателя. Такой режим обеспечивает высокие динамические характеристики привода; режим постоянства абсолютного скольжения двигателя независимо от величины момента двигателя. Такой режим обеспечивает минимизацию потерь в двигателе; двухзонное регулирование скорости: режимы U/f = const и U=const с возможностью увеличения частоты вращения двигателя до значения 1,4 nн, если двигатель допускает такое увеличение скорости; при кратковременном исчезновении и восстановлении напряжения сети автоматический подхват двигателя “на лету”. 8)Микропроцессорная система управления обеспечивает также: автоматическую настройку параметров регуляторов с учетом реальных параметров двигателя и привода; самодиагностику системы управления; запоминание причин аварийного отключения и индикацию данной причины; хранение информации о предаварийном и поставарийном состоянии преобразователя с возможностью вывода данной информации на дисплей компьютера; архивирование задаваемых режимов и событий в процессе эксплуатации; управляющую и информационную связь с устройствами управления более высокого уровня по стандартному последовательному интерфейсу (RS 232, RS 485). 9) Использование серийных асинхронных двигателей в электроприводах с преобразователями частоты ПЧИТ. Мощность двигателя – согласно таблице 1. Для приводов на базе ПЧИТ могут использоваться серийные двигатели. Недостатком преобразователей частоты на основе автономных инверторов тока является зависимость коэффициента мощности в точке подключения преобразователя к сети от степени снижения скорости, потока и момента двигателя в отношении к соответствующим номинальным величинам. 4 4. ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ 4.1 Состав серии ПЧИТ. Мощностный ряд ПЧИТ, номинальное напряжение соответствующего преобразователя частоты приведены в Таблице 1. Таблица 1 № п/п Тип преобразователя частоты (комплекса) Мощность (кВт) 1. ПЧИТ-К-160/0,38 160 2. 3. 4. 5. ПЧИТ-К-200/0,38 ПЧИТ-К-250/0,38 ПЧИТ-К-400/0,38 ПЧИТ-К-400/0,66 200 250 400 400 6. ПЧИТ-К-630/0,66 630 7. ПЧИТ–К-800/0,66 800 8. ПЧИТ-К-1000/1,14 1000 9. ПЧИТ-К-1600/1,14 1600 10. ПЧИТ-К-1600/1,14 1600 11. ПЧИТ-К-2000/1,14 2000 Номинальное напряжение вход-выход комплекса (В) 380 380 380 380 6000 (10000) 6000 (10000) 6000 (10000) 6000 (10000) 6000 (10000) 6000 (10000) 6000 (10000) Номинальное напряжение вход-выход преобразо- Примечание вателя (В) 380 Безтрансформаторное испол380 нение 380 (рис. 2 а) 380 660 660 660 Трансформаторное исполнение (рис. 2 в) 1140 1140 1140 1140 Если напряжение питающей сети и номинальное напряжение двигателя соответствуют напряжению преобразователя частоты, схема частотнорегулируемого электропривода соответствует показанной на рис. 2 а. Если напряжение питающей сети отличается от напряжения преобразователя частоты, на входе преобразователя частоты устанавливается согласующий трансформатор (рис. 2 б.) Если номинальное напряжение двигателя отличается от напряжения преобразователя частоты, на выходе преобразователя частоты устанавливается согласующий трансформатор (рис. 2 в) а ) б ) Т 1 Т 2 в ) Рисунок 2. Возможные схемы частотнорегулируемого электропривода с преобразователями ПЧИТ. 5 Обозначения: Р – токоограничивающий реактор; П2 – преобразователь частоты ПЧИТ; Д – сглаживающий дроссель; Т1 – входной согласующий трансформатор; Т2 – выходной согласующий трансформатор; АД – асинхронный приводной двигатель исполнительного механизма. 4.2 Комплекс (ПЧИТ-К) включает в себя следующие схемно-конструктивные устройства: – Шкаф (шкафы) ПЧИТ с вентильными элементами выпрямителя, автономного инвертора, и микропроцессорной системой управления. – Токоограничивающий ректор (Р) или входной согласующий трансформатор (Т1). Для некоторых исполнений токоограничивающий реактор встраивается в шкаф ПЧИТ. – Сглаживающий дроссель . Для некоторых исполнений сглаживающий дроссель встраивается в шкаф ПЧИТ. – Выходной согласующий трансформатор (при необходимости). В таблице 2 приведены габаритные данные оборудования ПЧИТ. 5 КОНСТРУКЦИЯ ЩИТА ПЧИТ Щит силовой преобразовательный конструктивно выполнен в виде шкафа одностороннего обслуживания габаритами 1100 х 600 х 2850. Сглаживающий дроссель устанавливается отдельно. Степень защиты IP21 по ГОСТ 14254-96. Основной конструктивной единицей силовой схемы является блок в виде одного тиристора с защитными RC цепями. Охлаждение силовой схемы осуществляется с помощью двух всасывающих вентиляторов оформленных в виде блока вентиляторов. Направление движения воздуха – снизу вверх. Ошиновка и дроссельное оборудование силовой схемы расположены за тиристорными блоками в задней части шкафа. Коммутирующие конденсаторы выполнены в виде блоков и расположены под тиристорами. Соединение конденсаторных блоков между собой и с силовой схемой осуществляется шинами. Преобразователи имеют цифровую систему управления. Конструктивно микропроцесорная система управления выполнена в виде печатных плат, расположенных в экранированных отсеках на передних дверях. Силовой ввод выполнен снизу шкафа на расстоянии не менее 300 мм от уровня пола и рассчитан на подсоединение медных кабелей или кабелей с медно-алюминиевым оконцеванием На рисунке 3 приведена зависимость момента двигателя в отношении к номинальному, который допустим по условиям нагрева самовентилируемых двигателей, в функции частоты вращения для длительного режима работы. М Мн 0,9 6 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 f fH Рисунок 3. Рекомендуемая предельная нагрузка двигателя. Штриховкой показана возможная область работы. 7 Таблица 2 № п/п Преобразователь частоты Тип комплекса Тип L Силовой согласующий трансформатор (токоограничивающий реактор) Габариты (мм) B H 500 1200 Тип Вес (кг) 1. ПЧИТ-К160/0.38 ПЧИТ-160 600 2. ПЧИТ-К200/0.38 ПЧИТ-200 600 800 1800 РТСТ-4100.101У3 660 590 565 92 3. ПЧИТ-К250/0.38 ПЧИТ-250 900 600 1800 РТСТ-6600.156У3 660 595 625 145 4. ПЧИТ-К400/0.66 ПЧИТ-400 900 600 1800 2000 990 1740 2450 5. ПЧИТ-К630/0.66 ПЧИТ-630 1100 600 2400 ТСЗП-630/ 10У3 исп. на 660V ТСЗП-1000/ 10У3 2200 990 1900 3500 6. ПЧИТ-К800/0.66 ПЧИТ-800 1100 600 2400 ТСЗП-1000/ 10У3 2200 990 1900 3500 7. ПЧИТ-К1000/1.14 ПЧИТ-1000 1400 800 2400 ТСЗП-1600/ 10У3 2225 1170 2445 5400 8. ПЧИТ-К1250/1.14 ПЧИТ-1250 1400 800 2400 ТСЗП-1600/ 10У3 2225 1170 2445 5400 9. ПЧИТ-К1600/1.14 ПЧИТ-1600 2000 800 2400 ТСЗП-2500/ 10У3 2600 1270 2800 7450 10. ПЧИТ-К2000/1.14 ПЧИТ-2000 2000 800 2400 ТСЗП-2500/ 10У3 2600 1270 2800 7450 где: L- длина по фронту В – глубина Н – высота РТСТ-2650.156У3 Габариты (мм) B H L 515 485 390 56 Сглаживающий дроссель Тип ФРОС 500/ 0.5У3 ФРОС 500/ 0.5У3 ФРОС 1000/ 0.5У3 ФРОС 1000/ 0.5У3 ФРОС 1000/ 0.5У3 ФРОС 1000/ 0.5У3 ФРОС 1000/ 0.5У3 ФРОС 1000/ 0.5У3 ФРОС 1000/ 0.5У3 ФРОС 1000/ 0.5У3 Габариты (мм) Вес (кг) Кол.( шт) 340 2 L B 480 500 H 740 480 500 740 340 1 585 580 740 470 2 630 630 790 510 1 585 580 740 470 2 630 630 790 510 2 630 630 790 510 2 585 580 740 470 4 630 630 790 510 4 630 630 790 510 4 Инженерная компания «Технорос» Россия, г. Санкт-Петербург www.technoros.spb.ru 6 Режимные характеристики ПЧИТ 6.1. Управление ПЧИТ осуществляется по одному из 3-х вариантов. местное, с пульта управления, установленного на шкафу преобразователя частоты; дистанционное, от пульта управления с помощью контактных и аналоговых сигналов; дистанционное, с помощью последовательной интерфейсной связи RS- 422 или RS-485 от АСУ верхнего уровня. Коммуникационный протокол согласовывается дополнительно. 6.2. Перечень основных командных сигналов. работа; останов; задание частоты вращения; аварийный останов с отключением силового питания. 6.3. Управление скоростью двигателя выполняется по одному из следующих вариантов. по частоте внутренних электромагнитных процессов в двигателе с параметрической компенсацией скольжения. Рабочий диапазон изменения скорости 20:1 вниз от номинальной и по согласованию до 1,4 вверх от номинальной. Статическая точность регулирования скорости 2%. По сигналу тахогенератора аналового или импульсного по согласованию. Рабочий диапазон изменения скорости 50:1 вниз от номинальной и по согласованию до 1,4 вверх от номинальной. Статическая точность воспроизведения задания скорости 1 % для импульсного тахогенератора. 6.4. Характеристика момента двигателя. вращающий момент двигателя наряду с постоянной составляющей содержит гармонические составляющие. Частота наиболее существенных гармонических моментов равна 6f и 12f, где f – выходная частота преобразователя. Для уменьшения неравномерности вращения двигателя в области низких выходных частот преобразователя при частотах ниже 5 Гц, вводится ШИМ – управление инвертором, существенно снижающее указанные выше гармонические моменты. Максимальный момент двигателя, как в двигательном, так и тормозном режимах ограничивается на уровне 1,15 Мн (Мн – номинальный момент двигателя), по согласованию возможно увеличение предельного момента до 1,5 Мн. 6.5. Привод с ПЧИТ обеспечивает работу в 4-х квадрантах характеристики момент - скорость, реверс с ходу, работу в режиме постоянного момента и постоянной мощности. 6.6. При пропадании питания двигателя и продолжающемся его вращении ПЧИТ обеспечивает подхват двигателя и выход в режим, предшествующий пропаданию питания. 7 Условия эксплуатации. 9 ─ ПЧИТ (преобразовательная часть) предназначен для эксплуатации в районах с умеренным и холодным климатом (климатическое исполнение и категория размещения УХЛ4 по ГОСТ 15150-69) при температуре от плюс 10С до плюс 400С, относительная влажность не более 80 % при температуре плюс 200С. Климатическое исполнение и категория размещения сглаживающих и токоограничивающих реакторов У3, если они не встраивались в шкаф преобразователя, а поставляются комплектно. ─ Окружающая среда невзрывоопасная. ─ Атмосфера в районах типа II по ГОСТ 15150-69. ─ Группа условий эксплуатации по коррозийной активности атмосферы для металлов и сплавов без покрытий, а также с металлическими и неметаллическими неорганическими покрытиями по ГОСТ 15150-69. 1 - для электрооборудования в климатическом исполнении УХЛ4. 2 – для трансформаторов и сглаживающих реакторов. ─ Высота установки над уровнем моря – до 1000м. ─ Содержание нетокопроводящей пыли в помещениях, в которых устанавливается ПЧИТ и в воздухе для охлаждения не должно быть более 0,5 кг/м3. ─ Группа условий эксплуатации в части воздействий механических факторов внешней среды - М2 по ГОСТ 17516-72. Для приводного двигателя, реакторов, тахометрических устройств группа условий эксплуатации определяется техническими условиями на эти изделия. ─ Рабочее положение шкафов ПЧИТ вертикальное, допускается отклонение от вертикального положения в любую сторону на угол не более 50. ─ Отклонение напряжения питающей сети от номинального значения не должно превышать плюс минус 10%. Отклонение частоты – не более плюс минус 2,5% от номинального значения. ─ Питание системы управления ПЧИТ осуществляется от трехфазной сети 380В, 50 Гц(60) Гц с применением трансформатора. Отклонение напряжения собственных нужд от + 10 % до – 15 %. 8 Конструкция преобразователей частоты серии ПЧИТ 8.1 Конструкция преобразователей частоты на базе автономных инверторов тока мощностью 630 кВт, 800 кВт напряжением 660V Преобразователи частоты конструктивно выполнены в виде шкафа одностороннего обслуживания габаритами 1100 х 600 х 2000 (2400 с вентиляторным блоком). Сглаживающий дроссель устанавливается отдельно. Степень защиты IP21 по ГОСТ 14254-96. Силовая схема выполнена на тиристорах. Основной конструктивной единицей является блок в виде одного тиристора с защитными RC цепями. Охлаждение силовой схемы осуществляется с помощью двух всасывающих вентиляторов оформленных в виде блока вентиляторов. Направление движения воздуха – снизу вверх. Ошиновка и дроссельное оборудование силовой схемы расположены за тиристорными блоками в задней части шкафа. Коммутирующие конденсаторы выполнены в виде блоков и расположены под тиристорами. Соединение конденсаторных блоков между собой и с силовой схемой осуществляется шинами. Преобразователи имеют цифровую систему управления. Конструктивно СУ выполнена в виде печатных плат, расположенных в экранированных отсеках на передних дверях. 9 10 Силовой ввод выполнен снизу шкафа на расстоянии не менее 300 мм от уровня пола и рассчитан на подсоединение медных кабелей или кабелей с медно-алюминиевым оконцеванием. Габаритно-присоединительные размеры приведены в приложении А. 8.2. Конструкция преобразователей частоты на базе автономных инверторов тока мощностью 1000 кВт, 1200 кВт напряжением 1140V Преобразователи частоты конструктивно выполнены в виде щита из двух шкафов одностороннего обслуживания габаритами 1400 х 800 х 2000 (2400 с вентиляторным блоком). Сглаживающий дроссель устанавливается отдельно. Степень защиты IР21 по ГОСТ 14254-96. Силовая схема выполнена на тиристорах. Основной конструктивной единицей является блок в виде одного тиристора с защитными RC цепями. Охлаждение силовой схемы осуществляется с помощью двух всасывающих вентиляторов оформленных в виде блока вентиляторов. Направление движения воздуха – снизу вверх. Ошиновка и дроссельное оборудование силовой схемы расположены за тиристорными блоками в задней части шкафа. Коммутирующие конденсаторы выполнены в виде блоков и расположены под тиристорами. Соединение конденсаторных блоков между собой и с силовой схемой осуществляется шинами. Преобразователи имеют цифровую систему управления. Конструктивно СУ выполнена в виде печатных плат, расположенных в экранированных отсеках на передних дверях. Силовой ввод выполнен снизу шкафа на расстоянии не менее 300 мм от уровня пола и рассчитан на подсоединение медных кабелей или кабелей с медно-алюминиевым оконцеванием. Габаритно-присоединительные размеры приведены в приложении А. 8.3. Преобразователи частоты с автономными инверторами тока мощностью 1600 кВт и 2000 кВт, напряжением 1140 V Конструктивно преобразователи выполнены в виде одного щита, состоящего из трех шкафов двухстороннего обслуживания. Габариты – 2000х800х2000 (2400 с вентиляторами). Степень защиты IP21 по ГОСТ 14254-96. Сглаживающий дроссель в звене постоянного тока конструктивно в состав преобразователя не входит и устанавливается отдельно. Силовая схема выполнена на блоках с испарительным охлаждением на тиристорах. Защитные RC цепи и дроссельное оборудование расположено в шахте позади силовых блоков. Географически силовая схема скомпнована следующим образом – в крайнем левом шкафу расположена анодная группа инвертора, в среднем – управляемый выпрямитель, в правом – катодная группа инвертора. Коммутирующие конденсаторы и линейные дроссели, входящие в их цепь, расположены, соответственно, в правом и левом шкафах. В среднем шкафу, под силовым блоком расположены входные и выходные RC цепи, а также силовой вход и выход. Вводные и выводные шины расположены на высоте 300 мм от уровня поля и рассчитаны на подсоединение модели кабелем, или кабелем с медно-алюминиевым оконцеванием. Блок вентиляторов состоит из двух всасывающих центробежных вентиляторов. Направление движения воздуха через испарительные охладители – горизонтальное. Система управления – процессорная. Конструктивно выполнена в виде печатных плат, расположенных в экранированном отсеке на передней двери среднего шкафа. 10 11 ПРИЛОЖЕНИЕ А 4 0 0 Га б а р ит но - пр ис о е д инит е л ь ны е р а з ме р ы преобраз ователя частоты т ипа П Ч И Т- 6 3 0 / 6 6 0 , П Ч И Т- 8 0 0 / 6 6 0 2 0 0 0 О т с еу кп др ла яв сл ие сн ти ея м ы 1 0 0 вЖае лн ют зи ил дя лц яи и 600 0 1100 0 0 5 5 310 кК л еи ме н ит кс ик и е 350 П р о е мв по л у д л я по д в о д а с и л о в ых к а б е л е й и ц е п е й управления 0 0 5 0 1 0 5 1 0 5 1 0 5 1 0 5 0 5 0 980 6 1 1 3 0 В ыв о д с и л о в о й о ши н о в к и 55 R 3 9 4 9 19 10 0 0 R6 94 11 12 2 0 0 0 4 0 0 Га б а р ит но - пр ис о е д инит е л ь ны е р а з ме р ы преобраз ователя частоты т ипа П Ч И Т- 1 2 5 0 1 0 0 вЖае лн ют зи ил дя лц яи и 1400 800 0 кК л еи ме н ит кс ик и е 350 0 6 9 4 П р о е мв по л у д л я по д в о д а с и л о в ых к а б е л е й и ц е п е й управления 0 7 8 0 1280 5 R 0 R 4 69 0 5 1 0 5 1 0 5 1 100 0 3 0 - А2 В2 С2 + А1 В1 С1 55 R 6 9 4 1 24 90 0 R6 94 12 13 4 0 0 Г а б а р и т н о - п р и с о е д и н и т е л ь н ые р а з м е р ы преобраз ователячастоты т и п а П ЧИ Т- 1 6 0 0 1 0 0 2 0 0 0 Жа л ю з и д л я вентиляции 2000 800 5 2 0 5 4 0 0 Б 08 В 012 01 571 abc АВС БВ 01 0 8 01 0 2 6 0 3 083 07 012 08 6 9 R 4 5 R 9 4 6 9 480 R 5 5 6 95 9 0 4 4 Пр о е м в п о л у д л я п о д в о д а с и л о в ых к а б е л е й и ц е п е й управления 7 0 0 R 5 0 Кл и е н т с к и е кл е мники 8 0 0 5 2 1 0 0 0 5 5 2 А А 0 5 2 0 0 0 0 2 6 52 01 R 6 5 490 5 99 0 9 110 4 110 4 R 2000 13