Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,909

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Магазинник Л.Т. Магазинник Л.М.
education-in-life
everyday life
social situation
emotional experience
co-being
formation
Регулируемые преобразователи частоты, как непосредственные (НПЧ), так и со звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения (ПЧ с АИН) или тока (ПЧ с АИТ) получили широчайшее распространение в электроприводе и электротехнологии, поэтому их совершенствование, минимизация стоимости и повышение надежности имеют большое значение.

В [1-4] предложен ПЧ, силовая схема которого практически идентична трехфазной мостовой схеме ПЧ с АИТ, но как и в НПЧ, коммутация тиристоров инвертора сетевая (естественная) и есть двухсторонняя связь между нагрузкой и сетью, то есть возможен режим рекуперации энергии в сеть, а частотный диапазон примерно такой же, как и в «классическом» НПЧ.

Таким образом, очевидные преимущества предлагаемого ПЧ заключаются в простоте его силовой схемы: два тиристорных моста вместо шести в «классическом» НПЧ аналогичной пульсности.

Однако очевидны и недостатки: как у всех ПЧ со звеном постоянного тока имеет место двойное преобразование энергии (что, учитывая малые потери в тиристорах, не столь существенно), а главное, в цепь питания выпрямителя вводятся три однофазных насыщающихся трансформатора (рис.1).

Следовательно, решение вопроса о конкурентности ПЧ по сравнению с обычным НПЧ возможно лишь с учетом основных параметров упомянутых коммутирующих трансформаторов, рассчитанных для конкретных нагрузок.

В докладе изложена методика расчета основных параметров коммутирующих трансформаторов и определены эти параметры применительно к использованию в качестве нагрузки асинхронных короткозамкнутых двигателей серии «4А», 380 В.

Важнейший параметр коммутирующих трансформаторов - произведение сечения сердечника S на число витков первичной обмотки W1 - можно оценить по отношению интегралов:

f      (1)

где f - относительное значение вольт-секундного интеграла на коммутирующем трансформаторе по отношению к вольтсекундному интегралу сетевого напряжения за один полупериод, α - угол запаздывания включения выпрямителя.

При заданном токе нагрузки приращение магнитного потока dФ за время коммутации постоянно и не зависит от α, что позволяет определить f для любого частного значения α.

Действительно, при α = 0 выражение (1) дает:

f,                       (2)

а при α = π/2

f,                      (3)

где  f                       (4)

(Iн - номинальный ток нагрузки; Кт - коэффициент перегрузки по току; Ха - суммарный реактанс одной фазы в контуре коммутации).

Реактансом рассеяния коммутирующего трансформатора можно пренебречь, так как он значительно меньше реактансов фаз двигателей (нагрузки).

В этом случае при известном реактансе нагрузки выражения (3) и (4) позволяют легко рассчитать вольтсекундный интеграл f.

Например, для асинхронных короткозамкнутых двигателей серии «4А», 380 В во всем диапазоне мощностей до 315 кВт расчеты дают следующие результаты:

(2,3 · Кт) % ≤ f ≤ (5 · Кт) %                                (5)

- для двигателей с синхронными частотами вращения 3000, 1500 и 1000 об/мин и

(4,7 · Кт) % ≤ f ≤ (6,3 · Кт) %                            (6)

- для двигателей с n0 = 750 об/мин. (10) и (11) получены для Ктр = 1,2, то есть для f.

В реальной ситуации f << 20 % Iном, поэтому коэффициент трансформации может быть уменьшен, например, до Ктр = 1,1 и, соответственно, уменьшится f в (10) и (11).

Относительная (реактивная) мощность коммутирующих трансформаторов может быть определена как энергия коммутации в единицу времени, отнесенная к мощности установки. Учитывая, что при заданном токе нагрузки I энергия единичной коммутации равна LI2/2, где L = X:w - индуктивность фазы в контуре коммутации, I ≤ Iном по условиям нагрева, число фаз равно трем, а при f1 = f2 = 50 Гц за Т = 0,01 с в фазе совершается коммутация, реактивная мощность коммутирующих трансформаторов:

Q*  f                           (7)

где Рном - номинальная мощность нагрузки (двигателя); η - КПД; w = 314; Х - фазный реактанс в контуре коммутации.

Расчеты по выражению (7) дают следующие результаты:

- 2 % ≤ Q* ≤ 2,65 % - в группе двигателей 3000, 1500 и 1000 об/мин,

- 2,8 % ≤ Q* ≤ 4,15 % - в группе 750 об/мин.

Сопоставление результатов расчета относительной мощности коммутирующих трансформаторов и вольтсекундного интеграла  позволяют заключить, что последний является определяющим, то есть «установленная мощность» коммутирующих трансформаторов в рассмотренном случае не превышает 5 % мощности установки в целом - при номинальных нагрузках и 10 % - при возможных двукратных перегрузках.

В «классическом» безтрансформаторном НПЧ между сетью и преобразователем устанавливаются токоограничивающие реакторы (воздушные или с сердечником). В исследуемом ПЧ роль токоограничивающих реакторов могут выполнять коммутирующие трансформаторы, вполне соизмеримые с реакторами по массогабаритным показателям. В то же время, как упомянуто выше, число силовых тиристоров в описанном ПЧ втрое меньше. Следовательно, проще конструкция ПЧ и его система управления (меньше каналов управления). Установка в целом получается значительно компактнее, чем обычный НПЧ и ее применение для низковольтных асинхронных двигателей «4А» представляется оправданным, особенно для приводов, работающих в старт-стопном режиме, в режиме переменных частот вращения, сопровождающихся «подтормаживанием» при переходе на меньшую частоту вращения, то есть в тех случаях, когда режим рекуперативного торможения занимает существенную часть времени в рабочем цикле привода (трудности реализации режима рекуперации в ПЧ с автономными инверторами общеизвестны).

Заметим, что как и в известных НПЧ, на низких частотах может быть осуществлена модуляция угла запаздывания включения α с целью получения квазисинусоидального тока в обмотках двигателя.

Применение ПЧ с описанным способом коммутации инвертора может оказаться весьма эффективным и, например, в надсинхронном вентильном каскаде, где коммутирующие трансформаторы используются лишь в окрестности перехода через синхронную частоту вращения двигателя [1], а также в синхронных частотно-регулируемых электроприводах (вентильных двигателях) - для разгона до частоты вращения n ≈ (10-15) % n0, когда уже возможна коммутация за счет ЭДС самого двигателя, однако данная рекомендация требует как схемных проработок, так и дальнейшего количественного анализа, выходящих за рамки данного доклада.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Магазинник Л.Т., Магазинник Г.Г. Надсинхронный вентильный каскад. Патент России № 2073309. Опубл. 10.02.97 г. в Б.И., № 4.
  2. Магазинник Г.Г. Электропривод переменного тока. А.С. СССР № 1280688. Б.И. № 6 от 15.02.90.
  3. Магазинник Л.Т., Магазинник Г.Г. Преобразователь частоты для тихоходных двигателей. Изв. вузов. «Электромеханика», № 1-2, 1996 г.
  4. Магазинник Л.Т. Дискретно-регулируемый преобразователь частоты для электроприводов переменного тока. Изв. вузов «Проблемы энергетики», № 5-6, 2004, с.48...55.

Библиографическая ссылка

Магазинник Л.Т., Магазинник Л.М. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК // Современные наукоемкие технологии. – 2005. – № 8. – С. 27-28;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=23446 (дата обращения: 22.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074