Тиристорный преобразователь частоты для непрерывного регулирования синхронных двигателей - ТПЧ

ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ на ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 3 - 20 кВ

1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
1.1. Тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ) предназначен для плавного пуска и непрерывного регулирования частоты вращения синхронного электродвигателя, обеспечивающего привод таких агрегатов, как компрессор, вентилятор (дымосос), насос, шаровая мельница и т.п.
При этом двигатель должен иметь щеточное возбуждение от статического тиристорного возбудителя.
1.2. Применение ТПЧ позволяет:

• осуществлять плавный частотный пуск ненагруженного или нагруженного двигателя с ограничением пускового тока до уровня, не превышающего номинального значения;
• вести плавное регулирование частоты вращения двигателя в диапазоне 10…105% от номинального значения либо по внешнему заданию, либо по сигналу от собственного регулятора, обеспечивающего поддержание регулируемого параметра (давления, расхода, момента) в соответствии с уставкой;
• ограничивать работу приводного механизма по скорости, моменту, мощности и т.д.;

1.3. Экономическая эффективность от использования ТПЧ определяется:

• экономией электроэнергии, тепла, пара за счет оптимизации работы электродвигателя и приводного агрегата в соответствии с графиком нагрузки;
• повышением срока службы двигателя и приводного агрегата и снижением эксплуатационных затрат на их ремонт и обслуживание за счет ликвидации ударных воздействий при прямых пусках;
• снижением затрат на ремонт трубопроводов за счет стабилизации давления в магистрали.

1.4. Оборудование ТПЧ предназначено для установки в закрытом отапливаемом помещении и соответствует климатическому исполнению УХЛ категории размещения 4.2 по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70.

2. СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
В зависимости от технологического цикла и графика нагрузки может требоваться разный диапазон изменения скорости вращения регулируемого двигателя, поэтому конструктивно ТПЧ могут быть выполнены по 6-ти или 12-ти пульсной схеме преобразователя выпрямитель-инвертор со звеном постоянного тока.
Использование 6-пульсной схемы ТПЧ (рис 1):
При работе ТПЧ наличие высших гармоник в токе статора вызывает дополнительный нагрев обмоток двигателя, что требует ограничения его мощности. Поэтому применение данной схемы возможно в следующих случаях:
1. Максимальная мощность на валу двигателя в длительном режиме не превышает 80% от номинала.
2. При необходимости использовать двигатель на 100% мощности возможно построение 2-х ступенчатой схемы регулирования:

• I-ступень: плавное регулирование частоты вращения двигателя в диапазоне 10…80% от номинала.
• II-ступень: переключение на питающую сеть – 100% номинальной мощности, с возможностью последующего обратного перехода в режим плавного регулирования.

3. Для специальных вентильных двигателей, допускающих загрузку обмоток статора высшими гармониками, эта схема обеспечивает их использование на 100% мощности.



Рис.1. Однолинейная схема ТПЧ-6п

Использование 12-пульсной схемы ТПЧ:):
При необходимости обеспечения длительной работы и плавного регулирования частоты вращения обычного двигателя с номинальной мощностью в диапазоне 10…105% от номинального значения, ТПЧ выполняется по 12-пульсной схеме выпрямитель-инвертор с двумя трехобмоточными трансформаторами на входе и выходе (рис.2). Эта схема имеет пониженное содержание высших гармоник в токе статора и сетевом токе, но требует установки выходного трехобмоточного трансформатора. При этом преобразовательные мосты (выпрямитель и инвертор) выполняются на низкое напряжение (1200…3000 В), что обеспечивает лучшее использование тиристоров по току и уменьшает количество последовательно соединенных приборов.



Рис.2. Однолинейная схема ТПЧ-12п

В обоих случаях подключение ТПЧ к питающей сети осуществляется через выключатель S1 и входной трансформатор ТП1 (двух или трехобмоточный), который может быть выполнен, в зависимости от требований Заказчика, как с масляным охлаждением для установки на открытой площадке, так и сухим.
Для обоих вариантов ТПЧ применяется охлаждение преобразователя деионизованной водой.
В зависимости от требований заказчика управление ТПЧ может осуществляется либо от его шкафа управления (ШУ) по командам от пульта дистанционного управления (ПДУ), либо непосредственно от командоаппаратов, расположенных на лицевой панели ШУ.

3. ОБЪЕМ ПОСТАВКИ
3.1. В объем поставки ТПЧ входит оборудование, приведенное в таблице 1.

№ п/п Наименование оборудования ТПЧ-6п ТПЧ-12п 1 Входной трансформатор (масляный или сухой) 1 1 2 Выходной трансформатор (масляный или сухой) - 1 3 Высоковольтное тиристорное устройство (ВТУ) 1 1 4 Сглаживающий реактор (СР) 1 1 5 Шкаф управления (ШУ) 1 1 6 Устройство сопряжения ШУ с ТВ (УС) 1 1 7 Система водяного охлаждения 1 1 8 Пульт дистанционного управления 1 1
3.2. В объем поставки ТПЧ входит также:

• комплект приспособлений и проверочного оборудования, необходимый для выявления возможных дефектов в процессе эксплуатации и проведения ремонтных работ;
• комплект эксплуатационной и ремонтной документации на ТПЧ в целом и составляющее его оборудование по п.4.1 в соответствии с ГОСТ 2601-68 и ГОСТ 2609-69.

3.3. В объем поставки не входят:

• силовая коммутационная аппаратура;
• силовые шины и кабели, контрольные кабели;
• оборудование релейных защит силового ввода ТПЧ.

4. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ЕГО КОНСТРУКЦИИ
4.1.Высоковольтное тиристорное устройство
ВТУ содержит два/четыре преобразовательных моста, а также ограничители перенапряжения, предохранители, измерительные датчики тока и напряжения и устройства системы светового управления. В основу ВТУ положен модульный принцип построения с питанием собственных нужд ячеек управления с потенциала земли по кабельному каналу и световой системой управления и контроля. Для достижения оптимальных конструктивных решений тиристорный модуль включает в себя два/четыре плеча преобразовательного моста, а каждое плечо состоит из нескольких последовательно соединенных тиристорных ячеек, причем одна является избыточной.
Охлаждение тепловыделяющих элементов: тиристоров, дросселей насыщения и резисторов демпфирующих цепочек производится деионизованной водой.
Система светового управления тиристоров
Система светового управления ТПЧ состоит из платы светового управления (ПСУ), расположенной в шкафу ШУ ТПЧ на потенциале земли, ячеек управления (ЯУ), расположенных в ВТУ и имеющих потенциал управляемого ими тиристора, и световодов управления и контроля между ПСУ и ЯУ, обеспечивающих гальваническую развязку цепей.
Управление и контроль тиристоров осуществляют индивидуальные ячейки управления, питающиеся с потенциала земли по кабельным каналам от двух импульсных блоков питания ячеек (БПЯ).
4.2. Шкаф управления
Шкаф системы управления (ШУ ТПЧ), содержит плату светового управления вентилями (см. выше) и систему управления, регулирования, защиты и автоматики (СУРЗА).
СУРЗА - цифровая, на основе специализированного контроллера, содержащего основной сигнальный процессор ADSP-2181 (время операции 10-30 нс), сопроцессор ADSP-21061 и программируемую логическую матрицу Xilinx "Spartan" ХСS40 (244 вывода, 30 000 логических вентилей).
Система регулирования осуществляет плавный синхронный пуск двигателя без использования датчика положения ротора и регулирование скорости его вращения для поддержания контролируемого технологического параметра в соответствии с уставкой по ПИД-закону. Задание текущего значения тока возбуждения передается через устройство сопряжения ШУ с ТВ (УС), устанавливаемое в стандартном тиристорном возбудителе типа ТЕ или ВТЕ, в регулятор возбудителя. Работа возбудителя контролируется по сигналам тока и напряжения ротора, передаваемым от УС в ШУ.
Система защиты реализует 16 основных видов защит, обеспечивающих надежное отключение ТПЧ в аварийных ситуациях и при отказах оборудования.
Система контроля, диагностики и индикации позволяет:

• на ранней стадии выявлять неисправные резервированные элементы;
• индицировать на дисплее тип сработавшей защиты и номер отказавшего устройства;
• вести протокол зафиксированных неисправностей и отказов.

Встроенная система аварийного осциллографирования обеспечивает непрерывную запись в память контроллера основных сигналов и параметров силовой схемы с возможностью последующей передачи в ПК накопленных данных и вывода на дисплей требуемых осциллограмм до- и послеаварийных процессов. ШУ имеет два встроенных интерфейса типа RS-232. Один из них используется для подключения ПК, второй – для связи с АСУ ТП через дополнительный преобразователь ADAM-4520, реализующий интерфейс RS-485 с протоколом обмена типа MODBUS или любым другим по требованию Заказчика.
Все задачи по обработке входной информации, реализация алгоритмов управления, регулирования и защиты преобразователя, задачи контроля и диагностики оборудования, вывода любой информации на встроенный дисплей, решаются на программном уровне.
Система содержит большой объем сервисного программного обеспечения, организованного в виде иерархического меню, которое выводится на жидко-кристаллический графический дисплей.
Главные ветви меню включают:

• автоматический вывод событий, приводящих к изменению режима системы (срабатывание защит, действия оператора и т.п.),
• просмотр параметров объекта и системы управления,
• изменение параметров системы управления и защиты,
• аварийный осциллограф.

Конструктивно СУРЗА и ПСУ выполнены в виде двух плат, размещенных в шкафу управления ШУ ТПЧ. Дублированный источник питания, выходные реле и клеммники располагаются на боковых стенках шкафа. Обслуживание шкафа - двухстороннее.
4.3. Система водяного охлаждения
Система охлаждения ТПЧ содержит два насоса (один - резервный), теплообменник, напорный бак, ионно-обменный фильтр, запорную арматуру и контрольно-измерительные приборы. Система охлаждения содержит пульт управления, обеспечивающий ее включение, отключение, защиту и сигнализацию. Изготавливается и поставляется комплектно.
Основные технические параметры:

• Первичный контур, связанный непосредственно с ВТУ - жидкостный (деионизованная вода);
• Вторичный контур – техническая вода или воздух (по желанию Заказчика);
• Суммарные отводимые потери – до 100 кВт;
• Максимально-допустимая температура охлаждающей жидкости на входе ВТУ - 55°С;
• Удельное электрическое сопротивление жидкости - не менее 2,0 МОм · см

4.4. СР представляет собой двухсекционный сухой реактор, включаемый в цепь постоянного тока, выполнен в шкафном исполнении внутренней установки.
4.5. Внешние электрические выводы ВТУ и СР выполнены в виде разъемных болтовых соединений, допускающих подключение шин (подвод верхний).
4.6. ВТУ выполняется в шкафном исполнении, имеет блочно-модульную конструкцию, обеспечивающую минимальные сроки технического обслуживания, замены блоков и восстановления работоспособности. Время, необходимое для замены одного тиристора или ячейки управления не превышает 10 минут.
4.7. Ориентировочные габаритные размеры оборудования ТПЧ:

• ВТУ: ширина - 2000 мм, глубина - 800 мм, высота - 2200 мм;
• СР: диаметр - 900 мм, высота - 2100 мм;
• ШУ: ширина - 600 мм, глубина - 600 мм, высота - 1800 мм;
• СО: ширина - 600 мм, глубина - 600 мм, высота - 2100 мм.