Статический преобразователь частоты для реконструкции систем электропитания электродвигателей рольгангов

ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы» (АСК) имеет большой опыт работ по проектированию, изготовлению и наладке нестандартного оборудования для решения задач в области реконструкции и модернизации систем электропривода в различных отраслях промышленности. Постановка задач реконструкции вытекает из необходимости замены морально и физически устаревшего электрооборудования с целью обеспечения максимальной производительности технологического процесса при минимизации капитальных и эксплуатационных затрат. Как правило, в качестве нового оборудования предлагаются серийные изделия ведущих мировых производителей. Однако в ряде случаев применение таких изделий затруднено в силу специфических свойств объекта реконструкции. Успешный опыт работы предприятия АСК с продукцией одного из лидеров в области изготовления силовых полупроводниковых приборов SEMIKRON, имеющийся научно-технический потенциал позволяют решать такие нестандартные задачи путем изготовления уникальных преобразовательных устройств с нетиповыми решениями в области топологии силовой части преобразователей и алгоритмов управления.

В настоящее время в металлургическом производстве электроприводы транспортных рольгангов некоторых механизмов и технологических участков работают в режиме, когда частота и действующее значение питающего напряжения отличаются от стандартного. В частности, распространенным вариантом является питание секций рольгангов линейным напряжением 190 В при частоте 25 Гц. Номинальный ток нагрузки обычно составляет 1000-1500 А. Источником напряжения в этом случае на многих предприятиях является электромашинный преобразователь частоты, формирующий систему трехфазного напряжения с заданными параметрами. При высоких показателях качества напряжения такие преобразователи имеют два наиболее существенных недостатка:

• большие массогабаритные показатели;
• высокая степень физического износа.

Применение стандартных преобразователей частоты в данном случае ограничивается следующими факторами:

• большой ток через силовые конденсаторы преобразователей частоты, обусловленный низким коэффициентом мощности нагрузки (не более 0,5);
• использование существующих кабельных линий для питания электропривода, что накладывает жесткие требования на амплитуду и скорость изменения напряжения на выходе преобразователя;
• возможность длительной работы преобразователей частоты в режиме холостого хода, когда нагрузка отключена.

В этих условиях замена электромашинного преобразователя частоты на серийный статический преобразователь возможна при завышении мощности последнего и использовании синусоидального фильтра на выходе преобразователя.

Результаты технико-экономического анализа, проведенные с привлечением аппарата имитационного моделирования, показали, что наиболее рациональным вариантом решения задачи реконструкции является замена электромашинного преобразователя частоты на нестандартный полупроводниковый преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения.

Принципиальная схема разработанного преобразователя частоты приведена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема преобразователя частоты

Основные технические характеристики преобразователя частоты.

• Номинальный ток на выходе преобразователя — 1150 А. Перегрузка по току не более 10% в течение 60 с за период не менее 10 мин.
• Устойчивая работа в установившемся режиме в диапазоне частот от 15 до 25 Гц.
• Максимальное действующее значение первой гармонической составляющей линейного напряжения на выходе преобразователя частоты — 190 В.
• Статическая ошибка задания на частоту (среднее значение) не более 0,1% от максимального значения, равного 25 Гц.
• Варианты торможения электропривода:
  — штатный, с использованием режима частотного торможения;
  — аварийный, с использованием режима динамического торможения.
• Время увеличения и снижения частоты при пуске и торможении регулируется и может выбираться из диапазона от 1 до 10 с. При этом темп торможения может автоматически корректироваться для обеспечения безаварийного останова.
• Напряжение на выходе преобразователя частоты формируется в функции частоты по закону, обеспечивающему работоспособность рольгангов во всем возможном диапазоне нагрузок.
• Частота ШИМ:
  — с нагрузкой 1 кГц;
  — на холостом ходу 0,25 кГц.
• Режим работы — круглосуточный, с периодическими плановыми остановками на техническое обслуживание.
  Конструктивно преобразователь частоты состоит из силового трансформатора и трех шкафов:
• шкаф ввода (силовая коммутационная аппаратура, выпрямитель);
• шкаф автономного инвертора (конденсаторная батарея, силовые транзисторные модули, контроллер управления);
• шкаф выходных реакторов (специализированные реакторы для ограничения скорости изменения напряжения на выходе преобразователя частоты).

   На рис. 2 показан внешний вид шкафа автономного инвертора.

Рис. 2. Внешний вид шкафа с автономным инвертором напряжения

Для понижения входного напряжения использован типовой силовой трансформатор серии ТСЗ. Использование пониженного напряжения, наряду с применением выходных специализированных реакторов, позволило существенно снизить абсолютные значения пиковых напряжений и ограничить скорость изменения напряжения на нагрузке. Абсолютное значение пиковых перенапряжений на выходе реакторов не превышает 600 В, скорость изменения напряжения на нагрузке — не более 150 В/мкс. Сказанное иллюстрируется осциллограммой линейного напряжения на нагрузке, приведенной на рис. 3.

Рис. 3. Осциллограмма напряжения на выходе реактора

В качестве силовых полупроводниковых элементов в выпрямителях использованы модули SKKD 700, в автономном инверторе — модули SKiiP 2403 GB 122-4DUL, которые для уменьшения габаритов шкафа расположены горизонтально. Общая емкость конденсаторной батареи составляет 30 000 мкФ, силовые

конденсаторы распределены по трем секциям, их электрические выводы подключены к медным пластинам (применение последних обусловлено необходимостью снижения паразитной индуктивности линий).

Для управления асинхронными электродвигателями рольгангов использован модифицированный вариант скалярного управления. В частности, использованы алгоритмы минимизации тока статора и комбинированной предмодуляции, позволяющей максимально использовать автономный инвертор по напряжению и улучшить форму тока на выходе преобразователя частоты. За счет применения алгоритма минимизация тока статора удалось существенно ограничить токи при пуске электроприводов секции рольгангов, а за счет использования комбинированной предмодуляции — обеспечить значение коэффициента искажения тока в пределах 10-15%. Осциллограммы пускового и установившегося токов нагрузки приведены на рис. 4 и 5.

Рис. 4. Осциллограмма пускового тока нагрузки. Действующее значение установившегося тока — 125 Д

Рис. 5. Осциллограмма установившегося тока нагрузки. Действующее значение тока — 125 Д

Для управления преобразователя частоты использован специализированный контроллер, разработанный и изготовленный АСК на основе DSP-процессора серии TMS320.

Опыт эксплуатации преобразователей частоты подтвердил правильность принятых решений и показал эффективность замены электромашинных преобразователей частоты на современные полупроводниковые в условиях использования существующих кабелей и электроприводов.