Статьи / Комплектный выпрямительно-инверторный преобразователь КВИП

Значительное количество производственных механизмов, укомплектованных асинхронными двигателями с фазным ротором (АДФР) нуждаются сегодня в модернизации электропривода. Наиболее распространенный тип такого привода – так называемые резистивные роторные станции – морально и физически устарели. Экономическая выгода от установки новых резистивных станций на первый взгляд очевидна ввиду относительно небольшой стоимости. Однако, короткий срок службы коммутирующих контакторов и необходимость в постоянном обслуживании – это потеря денежных средств в дальнейшем. К.п.д. таких приводов также очень низкий, и для механизмов, требующих постоянного регулирования скорости дополнительные затраты на электроэнергию оказываются значительными.

 

Наиболее перспективным решением на сегодня является установка Асинхронно-Вентильного Каскада (АВК). Такие преобразователи работают в рекуперативном режиме, что обеспечивает высокий коэффициент полезного действия.

 

Область применения преобразователей с асинхронно-вентельным каскадом:

• шахтные вентиляторы, конвейеры;
• дробилки, мельницы;
• вращающиеся печи, воздуходувки, тягодутьевые установки цементных заводов;
• электроприводы механизмов собственных нужд электростанций;
• насосы водоснабжения коммунальных систем;
• лебедки, роторы, насосы буровых установок;
• конвейеры большой производительности и большой длины;
• механизмы приводов ковочно-штамповочных прессов, ножниц, листогибочных машин, волочильных станов, канатных машин и пр.

ООО «НПП «МИКОНТ» совместно с ЧАО «Донецкая инжиниринговая группа» была разработана серия комплектных преобразователей АВК КВИП (Комплектный выпрямительно-инверторный преобразователь) для двигателей мощностью от 10 кВт до 4000 кВт.

 

Принцип действия АВК заключается в следующем. Напряжение, генерируемое ротором асинхронного двигателя, выпрямляется выпрямителем (В), после чего инвертируется обратно в сеть инвертором (И). Роторная станция, изображенная на рисунках 1 и 2, может служить в качестве резерва. Также она может быть использована для начального запуска асинхронного двигателя в случаях, когда диапазон регулирования скорости ограничен 30...60 % от номинального значения. Такая схема позволяет уменьшить установленную мощность трансформатора (Тр) на 30...40 %.

 

Рис. 1. Типовая функциональная схема АВК для АДФР 6(10)кВ

 

 

 

Рис. 2. Типовая функциональная схема АВК для 0,4кВ

 

 

Для сети 0,4 кВ в качестве согласующего с сетью элемента вместо трансформатора (Тр) может использоваться сетевой реактор (Р).

 

Подбор дополнительного оборудования (выключатели, коммутирующие элементы), осуществляется индивидуально для каждого проекта.

 

Асинхронно-вентельный каскад (как и роторные станции) позволяет осуществлять одноквадрантное регулирование. Управление в 3-м квадранте (-ω, -М (рисунок 3)) можно осуществить только путем изменения направления вращения поля статора. Для этой цели используются контакторные или тиристорные реверсоры. Снижение скорости, при этом, обычно осуществляется при помощи устройства динамического торможения. Недостатком такого способа торможения является нелинейность динамической характеристики асинхронного двигателя в этом режиме (зависимость скорости вращения от тока торможения).

 

Рис. 3. Диаграмма управляемости

 

 

Решить данную проблему позволяет использование АВК с тиристорным выпрямителем в роторной цепи. В этом случае для торможения используется энергия сети. Функциональная схема такой установки приведена на рисунке 4.

 

 

Рис. 4. Типовая функциональная схема АВК для сети 6(10) кВ с возможностью торможения

 

 

Как видно из рисунка 4, для возможности осуществления тормознго режима асинхронный двигатель должен быть оснащен датчиком положения, обеспечивающим  синхронизацию выпрямителя с роторным напряжением.

 

Кроме возможности осуществлять тормозной режим, данная схема позволяет работать в определенном диапазоне скорости в 3-м квадранте без переключения направления поля. Данная возможность может быть полезна при выполнении так называемых «посадочных» операций в установках шахтного подъема, так как исключается необходимость переключать высоковольтный реверсор для точного позиционирования клети.

 

Для проверки режимов функционирования и управляемости асинхронно-вентельного каскада ООО «НПП «МИКОНТ» совместно с ЧАО «Донецкая инжиниринговая группа» был изготовлен преобразователь КВИП-800/1050-2-6-50-1100-1-3-П-003-УХЛ4.

 

Данное исполнение КВИП состоит из трех частей:

• шкаф силовой (ШС);
• шкаф с реактором (ШР);
• шкаф управления (ШУ).

Внешний вид силового шкафа и шкафа управления представлен на рисунке 5. Силовой блок показан на рисунке 6.

 

Рис. 5. КВИП шкаф силовой, шкаф управления

 

 

 

Рис. 6. КВИП силовой блок

 

Были проведены испытания на функционирование, подтвердившие управляемость электропривода во всех четырех квадрантах. При испытаниях использовался асинхронный двигатель с фазным ротором мощностью 250 кВт (660 В, 250 А).

 

 

Конструкция

 

Конструктивно КВИП выполнен в виде  металлических  шкафов. Обслуживание шкафов одностороннее. Компоновка свободная.

 

Охлаждение силового шкафа – воздушное  принудительное от встроенных вентиляторов (включение вентиляторов при нагреве силового блока до температуры выше критической).  В силовом шкафу для отвода тепла от полупроводниковых приборов используются охладители на основе тепловых труб.

 

Ввод кабелей в силовой шкаф производится через днище шкафа.

 

На дверях шкафов установлены стрелочные измерительные приборы. Световая индикация положения силовых коммутационных аппаратов, кнопки местного управления силовыми коммутационными аппаратами, ключ выбора режима управления силовыми коммутационными аппаратами «Местное - Дистанционное» и пультовый терминал.

 

 

Силовые цепи

 

Шкаф силовой состоит из выпрямителя, инвертора и вакуумных трехфазных контакторов. Кроме того, в состав силового шкафа входят измерительные шунты и цепи защиты от перенапряжений.

 

Тиристорный выпрямитель предназначен для выпрямления переменного тока ротора в постоянный при разгоне асинхронного двигателя и инвертирования ЭДС сети через ротор асинхронного двигателя при торможении.  Переменный  ток ротора имеет изменяющуюся амплитуду и частоту.

 

Тиристорный инвертор осуществляет инвертирование (рекуперацию) энергии скольжения ротора в сеть при разгоне асинхронного двигателя и стабилизации скорости вращения и работает в режиме выпрямителя при формировании ЭДС для режима торможения асинхронного двигателя.

 

Для защиты тиристоров от перегрузки и сверхтоков при аварийных режимах служат предохранители, включенные в фазные цепи ротора и инвертора. Конструктивно предохранители расположены в нижней части силового шкафа в доступном для их замены месте. Контроль состояния предохранителей осуществляется автоматически системой управления.

 

В цепи  выпрямленного тока АВК для сглаживания пульсаций и обеспечения непрерывности тока последовательно включены два сглаживающих дросселя типа CРОС (L=2  мГн, Idн =600 А).

 

 

Система датчиков

 

В КВИП применены следующие датчики параметров:

• контроль выпрямленного тока осуществляется при помощи модуля датчика тока L0501. В качестве первичного измерителя используется шунт 1000А/75 мВ;
• контроль выпрямленного напряжения осуществляется модулем датчика напряжения S0502. Сигнал на вход датчика поступает с резистивного делителя L0002;
• контроль наличия (уровня) сетевого напряжения на входе инвертора осуществляется модулем L2903;
• контроль режима работы выпрямителя (обнаружение вышедших из строя тиристоров, выявление режима опрокидывания) осуществляется  за счет алгоритмической  обработки  сигналов,  снимаемых с датчиков тока L0501,  получающих сигналы от шунтов 1000А/75 мВ, установленных в фазах «А» и «В» роторной цепи;
• выявление режима опрокидывания инвертора и выпрямителя в режиме инвертора осуществляется путем алгоритмической обработки сигналов, снимаемых с датчиков запирания мостов (ДЗМ);
• синхронизация с питающей сетью осуществляется модулем синхронизации L2903 (установлен в шкафу управления);
• синхронизация с напряжением роторной цепи осуществляется путем обработки сигнала с энкодера (угол поворота);
• контроль температуры тиристоров (корпусов) осуществляется при помощи датчиков, расположенных непосредственно в силовом блоке. Информация о температуре тиристора передается в управляющий контроллер через формирователь импульсов соответствующего тиристора.
• датчик наличия дуги расположен в силовом шкафу.

 

 

Система управления КВИП

 

Система управления, реализованная на базе промышленного контроллера MIK-08. Программное обеспечение контроллера создано с помощью среды разработки встраиваемых приложений EAT-Eсlipse.

 

 

Рис. 7. Фрагмент проекта системы управления КВИП в среде EAT-Eсlipse

 

Функций системы управления:

• прием сигнала управления основным параметром и коммутационными устройствами (оперативное управление) от системы управления верхнего уровня;
• формирование и выдача сигналов состояния  коммутационных аппаратов, состояния (готовности устройств КВИП к работе) в систему управления верхнего уровня;
• управление тиристорными мостами (выпрямителем и инвертором);
• регулирование параметров: скорости, тока ротора;
• выявление аварийных режимов и формирование сигналов отключения вакуумных выключателей;
• диагностика состояния и  управление сигнализацией состояния устройств КВИП и режимов работы;
• организация связи (обмена информацией) между контроллером системы управления и пультовым терминалом;
• организация мониторинга и обеспечение режимов настройки при помощи пультового терминала;
• взаимодействие с средствами управления технологическими процессами верхнего уровня.

В состав управляющего контроллера входят: собственно промышленный контроллер MIK-08, преобразователь напряжения питания 24В/5В с гальванической развязкой, узлы согласования и гальванической развязки входных и выходных дискретных сигналов, узлы нормализации и гальванической развязки входных и выходных аналоговых сигналов, узлы гальванической развязки коммуникационных интерфейсов RS-485. Конструктивно управляющий контроллер с модулем питания Н0701 (220В/24В) и пультовым терминалом Т0601 расположены в шкафу управления.

 

Устройства согласования (промежуточные реле, гальваническая развязка импульсов управления) расположены в шкафу управления. Формирователи импульсов L2901 расположены в силовом блоке, находящемся в силовом шкафу.

 

 

Система защиты

 

Система защиты служит для выявления аварийных внештатных ситуаций, происходящих в КВИП и устранения угрозы развития аварийных токов и напряжений, способных повредить  электрическую машину, силовое оборудование шкафа или причинить увечья обслуживающему персоналу. По средствам выявления и ликвидации аварийных ситуаций система защиты разделена на программную и аппаратную часть. К аппаратным средствам защиты относятся устройства, работа которых не cвязана с управляющим контроллером. Срабатывание таких устройств происходит автоматически, в результате превышения измеряемой величины внутренней аналоговой уставки.

 

К аппаратным устройствам относятся:

• Быстродействующие предохранители силового шкафа;
• Герконовые датчики тока;
• Предохранители, установленные в цепях блоков защит от перенапряжений;
• Реле  контроля напряжения собственных нужд шкафа управления КВИП;
• Датчики  электрической дуги BL1, установленные в силовом шкафу. Работа датчика дуги основана на принципе улавливания световой энергии дуги. В качестве светочувствительного датчика используется фототиристор типа ТФ-132-25, который включает исполнительное реле. Реле воздействует на отключение высоковольтных выключателей;
• Внешние аварийные и предупредительные сигналы механизмов, входящих в состав шахтной подъемной установки.

Программные средства включают в себя:

• измерения аналоговых сигналов и фиксация превышения данными  сигналами «уставки» (порога) срабатывания, задаваемых в контроллере;
• логическую обработку внешних и внутренних сигналов, контролирующих анормальную работу, а также логическое формирования аварийных сигналов на основе собранной информации.

Виды аварийных ситуаций, выделяемы программно или программно-аппаратно:

• Снижение входного напряжения питающей сети 6 кВ - по датчику напряжения через трансформатор напряжения 6000/100 В;
• Наличие синхронизирующего импульса (определяется программно);
• Сбой коммутации вентилей - по датчикам состояния вентилей моста инвертора силового шкафа и пробой диодов по датчикам состояния вентилей выпрямительного моста силового шкафа;
• Превышения выпрямленным током заданной уставки - определяется по датчику выпрямленного тока силового шкафа;
• Превышения выпрямленным напряжением заданной уставки - определяется по датчику выпрямленного напряжения силового шкафа;
• Превышение абсолютной температуры вентилей заданных уставок (1 и 2 ступени) – определяется по датчикам температуры, установленных в охладителях катодов вентилей силового шкафа с дальнейшей обработкой в модулях формирования  импульсов и передачей в контроллер по интерфейсу RS-485;
• Превышение среднеквадратичного значения выпрямленного тока сверх номинального значения (определяется программно).

 

 

Подробные технические характеристики серии изделий КВИП