Преобразователь частоты синхронный высоковольтный типа СМП-М-Р

pcsv-main

Назначение СМП-М-Р

Высоковольтные тиристорные преобразователи частоты серии СМП-М-Р (далее СМП-М-Р) предназначены для регулирования частоты вращения механизмов с приводными синхронными двигателями напряжением 6 и 10 кВ и мощностью от 1 до 10 МВт.

Высоковольтные тиристорные преобразователи частоты СМП-М-Р используются для:
  • управления насосами, дымососами, барабанными мельницами, вентиляторами, компрессорами;
  • для частотного пуска с ограничением пускового тока и точной автоматической синхронизацией с питающей сетью крупных синхронных машин (турбо и гидрогенераторов, обратимых генераторов гидроаккумулирующих станций). Многолетний опыт эксплуатации тиристорных преобразователей частоты показывает, что их использование позволяет:
  • повысить производительность и энергетическую эффективность технологических процессов производства за счет экономичного регулирования производственных механизмов;
  • сохранять приводные электродвигатели и механизмы от ударных пусковых моментов;
  • защитить питающие сети от больших пусковых токов;
  • эксплуатировать механизмы в системах со слабыми сетями;
  • существенно экономить электроэнергию.
Состав электропривода на базе СМП-М-Р

Состав комплектного электропривода на базе СМП-М-Р приведен на Рис. 2:

pcsv-1

Где:
ВВ - высоковольтный выключатель ячейки КРУ;
РТ - реактор токоограничивающий;
КВ1 - КВ3 - контакторы высоковольтные;
ЩСП - Щит силовой преобразовательный с системой управления и регулирования;
ДС- дроссель сглаживающий;
ШЗП - Шкаф защиты от перенапряжений;
ШВК - Шкаф высоковольтных контакторов;
ТВ - тиристорный возбудитель;
Тр - трансформатор питания возбудителя;
СД - синхронный двигатель;
ИМ - исполнительный механизм (вентилятор, насос).

Использование ШВК с тремя контакторами позволяет включить СМП-М-Р в рассечку (между имеющейся высоковольтной ячейкой КРУ и синхронным электродвигателем). При этом не требуется дополнительной ячейки КРУ для питания СМП-М-Р, т.к. два контактора включаются на входе и выходе преобразователя, а третий является шунтирующим и включается при переводе двигателя на питание от сети.

Технические характеристики СМП-М-Р

Преобразователи частоты серии СМП-М-Р обеспечивают:

  • плавный частотный пуск приводного двигателя до заданных оборотов;
  • регулирование частоты вращения приводного двигателя в диапазоне 1:10 с автоматическим ограничением величины тока двигателя на уровне (1 - 1,5) Iн;
  • длительную работу с установившейся частотой вращения в пределах указанного диапазона регулирования, стабилизацию установленной частоты вращения с точностью, определяемой тахометрическим устройством, а без применения тахометрического устройства 2 %;
  • торможение приводного двигателя с рекуперацией (возвратом) энергии в питающую сеть;
  • повторное включение электропривода при вращении электродвигателя на выбеге в рабочем диапазоне частот вращения;
  • автоматическую синхронизацию приводного двигателя с питающей сетью по принципу точной синхронизации;
  • ограничение тока и момента приводного двигателя в установившихся и переходных режимах.

СМП-М-Р предназначены для работы в районах с умеренным и холодным климатом (климатическое исполнение и категория размещения УХЛ4 по ГОСТ 15150-69) при температуре +1 ... +40* С, влажности не более 80% при температуре +25*С, а также в районах с тропическим климатом (климатическое исполнение 04 по ГОСТ 15150-69).

Климатическое исполнение и категория размещения сглаживающих реакторов и токоограничивающих реакторов У3 по ГОСТ 15150-69.

Окружающая среда - невзрывоопасная, не содержащая агрессивных газов и паров в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию, не насыщенная токопроводящей пылью и водяными парами.
Содержание нетокопроводящей пыли в помещениях, в которых устанавливаются шкафы и щиты, и в воздухе охлаждения тиристоров, не должно быть более 0,5 мг/м3.

Группа условий эксплуатации в части воздействия механических факторов внешней среды М2 по ГОСТ 17516-72.

Рабочее положение шкафов СМП-М-Р вертикальное, допускается отклонение от вертикального положения в любую сторону не более 5*.

Питание силовых цепей преобразователя осуществляется от трехфазной сети 6,.0 или 10 кВ промышленной частоты 50 Гц.

Питание системы управления осуществляется от трехфазной сети 380 В, 50 Гц с применением индивидуального трансформатора мощностью не более 63 кВА. Напряжение питания должно быть синфазным с силовым напряжением или сдвинуто по отношению к нему на угол 30 электрических градусов. Отклонение напряжения переменного тока 380 В плюс 10% минус 15% от номинального значения.

Питание тиристорного возбудителя, входящего в состав электропривода, должно осуществляться от трехфазной сети 380 В, 50 Гц через трансформатор.

Принцип построения схемы СМП-М-Р

Функциональная схема преобразователя СМП-М-Р приведена на рис. 3. СМП-М-Р построен по схеме вентильного двигателя и включает в себя высоковольтный выпрямитель, инвертор, ведомый сетью, и сглаживающий дроссель (ДС) в звене постоянного тока. Нагрузкой инвертора является приводной двигатель. Электромеханическую систему "инвертор - двигатель" можно рассматривать как эквивалентный двигатель постоянного тока, механический коммутатор которого (коллектор) заменен электрическим коммутатором (инвертором). Такая система обладает всеми достоинствами двигателя постоянного тока, с точки зрения регулировочных характеристик, и достоинствами синхронного двигателя, в смысле конструктивных преимуществ.

pcsv-2

Рис. 3
В- управляемый выпрямитель;
РТ- входной реактор, ограничивающий аварийные токи к.з.;
ДT- датчик тока;
ДС- сглаживающие индуктивности в звене постоянного тока преобразователя;
И - инвертор тока;
СУВ- система управления выпрямителем;
СУИ- система управления инвертора;
СД- синхронный двигатель;
Tн- измерительные трансформаторы напряжения;
ТВ- тиристорный возбудитель;
ОВ- обмотка возбуждения синхронного электродвигателя.

Для симметрирования силовой схемы преобразователя сглаживающие дроссели поставляются с расщепленной обмоткой (с двумя полуобмотками). Обмотки дросселя включаются последовательно в оба полюса звена постоянного тока. Возможно применение двух независимых дросселей. Такое построение позволяет снизить воздействие на изоляцию двигателя по отношению к "земле".

Входной реактор (РТ) предназначен для ограничения аварийных токов короткого замыкания на безопасном для силовых приборов уровне.

Силовые схемы управляемого выпрямителя и инвертора построены на базе трехфазного моста - шестипульсной схеме. Каждая из шести вентильных линий выпрямителя (инвертора) составлена из "n" последовательно включенных тиристоров. Количество тиристоров зависит от класса питающего напряжения. Силовые тиристоры, характеризующиеся разбросом заряда восстановления, шунтируются цепями динамического распределения напряжения по последовательно включенным тиристорам при коммутации. Параметры цепей распределения выбраны с учетом максимальной величины разброса заряда восстановления при максимальной нагрузке, а также с учетом параметров нелинейного токоограничивающего дросселя, включенного в каждую вентильную цепь.

Формирователи импульсов управления, работающие в режиме генераторов тока, обеспечивают скорость нарастания управляющего тока не менее (1,5…2,0) А/мкс., а также одновременность подачи импульсов управляющего тока по последовательно включенным тиристорам. Длительность импульсов управления и алгоритм управления исключает неравномерность распределения напряжения в последовательной цепи. Принятые меры обеспечивают высокую надежность работы силовой схемы.

Для повышения надежности и исключения развития аварии осуществляется контроль целостности индивидуально каждого силового тиристора. При этом кроме автоматического обеспечивается непрерывный визуальный контроль целостности силовых приборов.

Использование современных электроизоляционных материалов и опторазвязки с использованием световодов обеспечивает высокую электроизоляционную прочность и надежность устройства.

Особенности работы инвертора в области низких частот

Инвертор работает в режиме зависимого инвертора тока. Его принцип действия основан на том, что выход инвертора подключен к нагрузке, содержащей источник Э.Д.С. той же частоты, что и выходной ток инвертора. Под действием этой Э.Д.С. осуществляется естественная коммутация тиристоров инвертора (без использования дополнительных узлов коммутации). Для обеспечения процесса коммутации угол опережения инвертора должен быть не менее 30 градусов электрических.

В стационарном режиме осуществляется жесткая связь между частотой выходного тока инвертора и частотой вращения ротора.

Синхронизация инвертора - моментов коммутации тиристоров инвертора - осуществляется с помощью фазных противо-Э.Д.С, подаваемых на вход системы управления и выделяемых из фазных напряжений, измеряемых на зажимах статора двигателя (на выходе инвертора).

Реализация такого принципа синхронизации позволяет оптимизировать энергетические характеристики привода с учетом обеспечения устойчивости инвертора при возможных динамических изменениях режима нагрузки. Импульсы управления подаются на тиристоры инвертора в моменты, обеспечивающие необходимый угол опережения открывания тиристоров, который определяет фазовый сдвиг первых гармонических фазного тока и фазной Э.Д.С.

На низких частотах вращения ниже 5 Гц, максимальная величина коммутируемого тока снижается из-за влияния активных сопротивлений в статорной цепи. Поэтому основной режим работы зависимого инвертора ограничивается снизу значением 5 Гц.

В диапазоне частот вращения (0...5) Гц используется режим искусственной коммутации. Коммутация тиристоров инвертора осуществляется методом гашения тока в силовой цепи с помощью силового управляемого выпрямителя. При снижении тока силовой цепи до нуля, выходящий из работы тиристор закрывается. По истечении времени, необходимого для восстановления его вентильной прочности, подается импульс управления на вступающий в работу тиристор.

Ограничение по частоте сверху в указанном режиме объясняется снижением электромагнитного момента при повышении частоты коммутации. Связано это с тем, что форма тока в звене постоянного тока между двумя моментами коммутации представляется трапециидальной формой. Скорость спада и нарастания тока в силовой цепи при коммутации определяется величиной сглаживающей индуктивности ДС, величину которой для сглаживания тока стремятся увеличить. При этом с повышением частоты коммутации среднее значение тока в звене постоянного тока снижается.

Синхронизация работы инвертора в режиме искусственной коммутации в диапазоне частот вращения (0...5 Гц) может осуществляться одним из способов описанных ниже:
  1. С помощью датчика положения ротора (ДПР), жестко связанным с валом приводного двигателя. При этом ДПР устанавливается таким образом, что фазовый сдвиг первых гармонических фазных значений тока и Э.Д.С. холостого хода двигателя близок к нулю, что обеспечивает максимальный электромагнитный момент вентильного двигателя в этом режиме. Достоинством метода является простота реализации алгоритма управления при отсутствии напряжения синхронизации и большом моменте сопротивления на валу двигателя. Очевидным недостатком этого способа является необходимость дополнительного устройства связанного с валом приводного двигателя.
  2. Асинхронный пуск двигателя, при котором частота коммутации тиристоров осуществляется с заданной частотой, задаваемой системой управления. При этом частота скольжения при изменении частоты вращения поддерживается оптимальной, соответствующей максимальному моменту двигателя.
  3. С помощью сигналов опознавания положения ротора в пространстве. Фазный ток двигателя представляется разнополярными трапецеидальными блоками тока. В течение бестоковой паузы возможно более или менее точно определить противо-Э.Д.С. данной фазы, используемой для синхронизации импульсов тиристоров инвертора. Для определения начального положения ротора при пуске анализируется индуктируемое в роторе (в режиме стоянки) напряжение, при протекании в обмотках статора тестового токового сигнала, формируемого на выходе инвертора. После начала вращения дальнейшая синхронизация осуществляется по сигналам снимаемым с обмоток статора, как указывалось выше. Данный способ в известной мере является аналогом ДПР (способ а). Достоинством его является отсутствие дополнительных внешних устройств.

Выбор способа синхронизации определяется поставщиком на основании технических требований для данного электропривода.

Система автоматического регулирования является многоконтурной подчиненной системой регулирования частоты вращения двигателя, тока статора и тока возбуждения двигателя.

Структура системы управления включает в себя регулятор скорости с подчиненным регулятором тока двигателя. Величина тока двигателя определяется моментом нагрузки на валу двигателя.

Регулирование тока возбуждения при регулировании скорости вентильного двигателя осуществляется так, чтобы обеспечить постоянный магнитный поток в зазоре.

При этом:

pcsv-3

Uн, fн - номинальные значения напряжения двигателя и частоты вращения;
Uf - величина напряжения при частоте вращения равной -f

Для реализации закона регулирования должен использоваться статический возбудитель, обеспечивающий безинерционное регулирование тока возбуждения в функции тока статора двигателя. Возбудитель может быть поставлен заказчику комплектно с преобразователем частоты. При использовании штатного возбудителя проектом должно быть предусмотрена связь управляющего входа возбудителя с выходом системы регулирования преобразователя частоты.

Если предусматривается подключение двигателя к питающей сети, то при достижении подсинхронной скорости включается контур регулирования углового положения ротора в пространстве для обеспечения условий точной автоматической синхронизации двигателя с питающей сетью. Включение двигателя на сеть производится при достижении рассогласования угла между сетевым напряжением и Э.Д.С. двигателя не более десяти электрических градусов. Разность амплитудных значений указанных напряжений не должна превышать 5%. Таким образом, обеспечивается мягкое, безударное подключение двигателя к питающей сети.

Система управления СМП-М-Р

СМП-М-Р комплектуется цифровой микропроцессорной системой управления, выполненной на базе цифрового сигнального процессора семейства ADSP- 210XX. Микропроцессорная система управления предназначена для:

  • реализации оптимального алгоритма управления фазными токами двигателя в процессе пуска и регулирования частоты вращения;
  • реализации тормозного режима с рекуперацией энергии маховых масс в сеть;
  • реализации реверса приводного двигателя (при наличии в заказе);
  • формирования управляющих импульсов тиристоров выпрямителя и инвертора;
  • защиты преобразователя и двигателя при возможных аварийных ситуациях с сохранением в энергонезависимой памяти контроллера вида последней аварии;
  • обеспечения автоматической синхронизации с сетью;
  • обеспечения взаимодействия с АСУ по интерфейсному каналу связи RS-485;
  • формирования команды аварийного отключения.

Пульт управления СМП-М-Р расположен на лицевой панели щита преобразователя. Он содержит двухстрочный жидкокристаллический дисплей, блок клавиатуры, состоящий из десяти герметизированных кнопок, и светодиоды индикации режима работы. Интерфейс с пользователем реализован в виде меню на ЖКИ дисплее.

 Опросный лист на высоковольтный преобразователь частоты, СМП-М-Р (для заполнения нужно сохранить)