3. Выбор основных компонентов частотно-регулируемого электропривода переменного тока

Нередко вызывает затруднение у специалистов эксплуатацион­ных служб проблема выбора основных компонентов комплектного частотно-регулируемого асинхронного электропривода, к которым относятся:

• преобразователь частоты (ПЧ);

• асинхронный электродвигатель(АД);

• шкаф управления с поддерживающими необходимый режим работы ЧРЭ элементами электроавтоматики, управления и сигнализации.

Заметим, что наличие шкафа управления определяется требо­ваниями по условиям эксплуатации, принципами управления установки, а также возможностями встроенного в преобразователь частоты управляющего контроллера. Вопрос выбора АД для комп­лектного ЧРЭ очень актуален, поскольку выбор АД прямо связан с уровнем электропотребления, затратами на ремонт и техниче­ское обслуживание. Надлежащий выбор ПЧ внесет весомую лепту в экономию вложенных денежных средств при достаточном для данной задачи управления уровне технологического обеспечения конкретного оборудования. Расчет и выбор электропривода мож­но разбить на три этапа:

1) сбор исходных данных;

2) выбор приводного электродвигателя;

3) выбор конфигурации и типа преобразователя частоты. Процедура сбора исходных данных — важнейший этап работы и носит в какой-то степени характер исследования условий, на­грузки и режимов работы. В качестве исходных данных, как мини­мум, необходимо знать:

• напряжение сети;

• тип нагрузки;

• диапазон частоты вращения двигателя n_min...n_max (об/мин);

• момент нагрузки (T) и характер зависимости от частоты вра­щения;

• требуется ли работа преобразователя на параллельную на­грузку (группа электродвигателей — количество);

• требуется ли поочередный пуск электродвигателей из группы;

• возможно ли переключение обмоток электродвигателя с на Y;

• в целях сохранения преемственности стыковки механических частей приводного механизма (если ранее был установлен электродвигатель постоянного тока), каковы желательные габаритные установочные размеры (высота оси вращения) и способ крепления (лапы, фланец, комбинированное крепле­ние);

• пусковой момент или кратность пускового момента;

• нужен ли режим сушки изоляции;

• какие вынужденные перегрузки могут быть во время работы;

• кратность перегрузок;

• продолжительность перегрузки;

• имеют ли место начальные или повторные пуски под номи­нальной нагрузкой или близкой к ней;

• характер функциональных связей с технологической электро­автоматикой;

• условия эксплуатации электропривода;

• уровень квалификации технического персонала.

Следует заметить, что приведенный перечень нельзя считать счерпывающим, так как область применения частотно-регулируемого электропривода настолько широка, что учесть все особенности конкретного объекта внедрения не представляется возможным.

Известно, что наиболее точными и достоверными являются прямые методы расчета необходимой мощности АД, основанные на определении допустимой температуры нагрева обмоток статора или эксплуатационного ресурса АД. В объем расчета входит состав­ление математического описания «греющих» потерь и тепловых ха­рактеристик в заданном частотном диапазоне работы АД с после­дующим определением:

• превышения температуры корпуса АД над температурой окружающей среды;

• превышения средней температуры обмотки статора над обо­лочкой АД;

• частотной зависимости греющих потерь АД;

• нижней и верхней частот полосы регулирования АД. Данная методика выбора АД производится с использованием непростой вычислительной работы, что часто в условиях обычной производственной фирмы или предприятия выполнить бывает крайне затруднительно. Радикальным выходом в плане использо­вания такой методики является разработка универсальной работо­способной компьютерной программы, позволяющей при задании начальных исходных параметров смоделировать расчетную тепло­вую схему и определить диапазон регулирования АД. Рассмотрим альтернативную и более доступную для практического использо­вания методику выбора электродвигателя, которая осуществляется в следующей последовательности.

Выбирается число пар полюсов или синхронная частота вра­щения п_с, которая должна быть больше или равна п_max привода.

п_с>п_max (3.1)

Для приводов с постоянным моментом, возможно использова­ние электродвигателя на частоте вращения не больше синхронной. Окончательный выбор электродвигателя производится с помощью номограммы (рис. 3.1) и усредненной типовой характеристики

Рис. 3.1

нагрузочной способности электродвигателя по стандарту МЭК (МВТ 160М). Номограмма составлена с учетом уменьшения ох­лаждения и нагрева электродвигателя при применении ПЧ. Выбор производится в следующей последовательности:

• в секторе 1 выбирают п_max соответствующую выбранному числу пар полюсов р (1, 2, 3, 4);

• переходят горизонтально в сектор 2, до кривой М;

• переходят вертикально вниз до сектора 3, до прямой, соот­ветствующей нагрузочной способности Т;

• переходят налево, горизонтально, в сектор 4, на шкалу мощ­ности, соответствующей первоначально выбранному числу пар полюсов в точке пересечения горизонтали и шкалы мощ­ности показана требуемая мощность электродвигателя.

Приведенная номограмма может быть использована для выбо­ра электродвигателя в приводе с моментом нагрузки от 25 и выше. Для менее мощных электроприводов выбор электродвигате­ля можно производить исходя из типовой характеристики нагру­зочной способности электродвигателя (рис. 3.2).

Рис.3.2

Следует отметить, что для приводов насосов и вентиляторов приведенный порядок выбора на основе n_min достаточен, но для привода с постоянным моментом требуемую мощность нужно определять также для n_min, придерживаясь той же последователь­ности. При этом окончательный выбор мощности основывается на максимально достигнутой для n_min и п_max

Как известно, для приводов насосов или вентиляторов требуе­мая мощность указывается при номинальной скорости, поэтому

для возможности работы с номограммой требуемый момент опре­деляется по выражению:

(3.1)

где Р — мощность, кВт; п — частота вращения, об/мин.

Последовательность выбора электродвигателя с использовани­ем нагрузочной характеристики начинается с задания требуемого диапазона регулирования n_min и n_mах. Для привода с постоянным моментом на валу последовательность выбора следующая:

• по заданию определяется момент нагрузки на валу М₃ (или заданная мощность);

• выбирается число пар полюсов исходя из заданного диапазо­на регулирования;

• проверяется нагрузочная способность в % к М_НОМ для

и (3.2)

• вычисляется требуемый момент на валу М_т исходя из наи­меньшей нагрузочной способности:

(3.3)

(3.4)

• определяется требуемая мощность электродвигателя

(3.5)

где п_с — синхронная частота вращения электродвигателя.

• выбирается ближайший (в сторону увеличения) стандартный электродвигатель.

Для привода с квадратичным моментом нагрузки выбор следу­ет производить в следующей последовательности:

• из задания определяются: мощность вентилятора на заданной технологической частоте вращения и п_З соответственно, максимальная частота вращения п_тах и минимальная n_min;

• выбирается число пар полюсов электродвигателя;

• определяется синхронная скорость п_с на частоте 50 Гц;

• так как момент вентилятора пропорционален квадрату ско­рости, а мощность пропорциональна кубу скорости, выбира­ется электродвигатель исходя из значения n_mах;

• при скорости n_mах требуемая мощность электродвигателя

(3.6)

• определяется q на скорости n_mах в относительных единицах;

• определяется требуемый момент двигателя:

(3.7)

• определяется номинальная мощность электродвигателя:

(3.8)

• выбирается стандартный электродвигатель на ближайшую большую мощность.

Как уже было показано в предыдущих разделах настоящей главы, существует достаточно обширный ряд моделей ПЧ, отличающихся техническими характеристиками и возможностями «вживления» в существующую или проектируемую структуру технологической ав­томатики. Поэтому, когда заходит речь о приобретении и установке ПЧ на конкретное оборудование, необходимо собрать исходные данные, указанные выше и определиться с выбором модели ПЧ.

Выбор преобразователя частоты вращения производится исхо­дя из:

• напряжения сети;

• вида привода (постоянный момент/квадратичный момент);

• расчетного тока /_р преобразователя частоты.

Вид привода уже был определен при проведении процедуры выбора электродвигателя. Поэтому исходя из задания определяет­ся напряжение питания сети и определяется расчетный ток

(3.9)

где — кратность максимального момента, определяется из спецификации электродвигателя; — номинальный ток электро­двигателя.

После определения /_р выбирается преобразователь частоты ис­ходя из следующего условия

(3.10)

где — номинальный ток преобразователя частоты.

Стоит подчеркнуть особую важность правильного выбора основных компонентов электропривода, если иметь в виду неко­торые особенности электропотребления ПЧ, нагруженных АД с короткозамкнутым ротором. По обмотке АД протекает перемен­ный ток, содержащий высшие гармоники, кратные частоте сети и несущей частоте ШИМ. Это вызывает увеличение добавочных по­терь, что в свою очередь негативно сказывается на энергетических характеристиках АД, таких, как КПД, коэффициент мощности, номинальная мощность и вызывает перегрев его отдельных час­тей. Испытания показывают, что в случае питания АД от ПЧ но­минальная мощность и номинальный момент снижаются в сред­нем на 18—20 % по причине возникновения добавочных потерь. Это обстоятельство необходимо учитывать при окончательном вы­боре АД и ПЧ независимо от принятой методики.

В случае если к приводу предъявляются специальные требова­ния, то выбор электродвигателя и преобразователя частоты про­изводится при участии специалистов предприятия-изготовителя либо специализированной фирмы, занимающейся внедрением, техническим обслуживанием и ремонтом электроприводов пере­менного тока.