Скачать: kursovaya-po-elektronikem-1.zip [2,28 Mb] (cкачиваний: 24)  

Содержание

Введение. 2

1. Технологическая часть. 3

1.1 Основные аспекты внедрения частотно-регулируемого электропривода на насосные станции водоснабжения. 3

1.2 Техническое обследование трубопроводной сети. 3

1.3 Электроснабжение станции управления ЧРП.. 6

1.4 Оценка влияния ЧРП на качество электроэнергии. 9

2. Техническая часть. Выбор основного оборудования для ЧРП.. 11

2.1 Выбор частотного преобразователя. 11

2.2 Выбор диодов и транзисторов. 13

2.2.1 Выбор диода. 13

2.2.2 Выбор транзистора. 15

2.2.3 Расчет потерь в инверторе. 15

2.2.4 Тепловой расчет инвертора. 17

2.2.5 Тепловой расчет выпрямителя. 19

2.2.6 Расчет фильтра. 20

2.3 Выбор трансформатора. 22

3. Анализ электромагнитной совместимости преобразователя частоты ВЧРП-ТМ и питающей сети. 26

4. Патентная проработка. 31

4.1 Результаты патентного поиска. 31

4.2 Анализ результатов патентного поиска. 32

Заключение. 35

Список использованной литературы.. 36

Введение

Около 70% вырабатываемой электроэнергии потребляют электродвигатели переменного тока.

Большое распространение электродвигателей переменного тока для привода механизмов различных систем обусловлено простотой, надежностью и относительно небольшой стоимостью этих машин.

Основной особенностью синхронных и асинхронных с короткозамкнутым ротором электродвигателей является частота вращения ротора электродвигателя равная частоте питания, практически не зависящая от нагрузки. Однако подавляющее большинство систем, элементами которых являются приводимые электродвигателем механизмы, работают в режимах с переменной нагрузкой. Для регулирования их производительности существуют различные способы, но наиболее распространенным в настоящее время методом регулирования производительности насосов и вентиляторов является уничтожение избыточной мощности при дросселировании расхода посредством клапанов и заслонок. Экономическая эффективность подобных решений крайне неудовлетворительна.

С развитием силовой полупроводниковой и микропроцессорной техники стало возможным создание устройства частотного регулирования электроприводом, которое позволяет точно управлять скоростью и моментом электродвигателя по заданным параметрам в точном соответствии с характером нагрузки. Это в свою очередь, позволяет осуществлять точное регулирование практически любого процесса в наиболее экономичном режиме, без тяжёлых переходных процессов в технологических системах и электрических сетях.

1. Технологическая часть

1.1 Основные аспекты внедрения частотно-регулируемого электропривода на насосные станции водоснабжения

Вышеназванные задачи имеют технический, организационный и финансовый характер, от их решения зависит качество проектирования, монтажа, наладки и эксплуатации ЧРП. Внедрение частотно-регулируемого привода на насосных станциях условно можно разбить на несколько этапов и подразделов, в каждом из них есть свои особенности и очередность. Рассмотрим основные аспекты внедрения ЧРП, выделяя критерии технической и экономической целесообразности. На рисунке 1 приведены последовательные шаги по внедрению частотно-регулируемого привода на объектах водоснабжения.

Рисунок 1 - Аспекты внедрения ЧРП на объектах водоснабжения

1.2 Техническое обследование трубопроводной сети

Подавляющее большинство водоснабжающих насосных станций было спроектировано с использованием принципа дросселирования водного потока, который основан на управлении производительности насосного агрегата с помощью запорной арматуры. Этот способ экономически невыгоден, хотя и довольно удобен с точки зрения эксплуатации. Для технико-экономического обоснования внедрения ЧРП необходимо провести обследование трубопроводной сети с целью выявления фактических энергозатрат при работе насосных агрегатов (рисунок 2). Часто на стациях установлены насосы с характеристиками, превышающими текущие потребности водоснабжения. Этот запас, зарезервированный на возможное расширение трубопроводной сети, гасится посредством задвижек. Переменный характер расхода или давления в трубопроводе также косвенно указывает на необходимость регулирования производительности насоса.

В связи с этим, при наблюдении за работой сети водоснабжения необходимо учесть ряд факторов, возникающих при использовании этого метода:

• количество энергии, теряемое на задвижке

• потребление электроэнергии при работе электродвигателя

• качественное и своевременное измерение рабочих характеристик насоса.

Началом проектирования систем автоматизации и управления насосных станций является определение потребности, временного интервала, а также диапазона регулирования характеристик трубопровода (расход Q, давление Р, температуры T). С этой целью проводят исследование и наблюдение (технический мониторинг) трубопроводной сети: выполняют замеры давления, расхода, в тепловых сетях — температуры. Для получения полноценной картины работы трубопровода замеры рекомендуется выполнять через определенные интервалы в течение заданного промежутка времени, учитывая неравномерный характер пиковых значений водозабора потребителей; также следует измерять активную мощность электродвигателя в те же интервалы времени. Для удобства анализа данных, результаты замеров следует заносить в табличной форме, пример такой таблицы приведен ниже. Согласно замерам, впоследствии несложно построить графики изменения давления, производительности насосе, мощности двигателя; рассчитать потери мощности на запорной арматуре и электродвигателе при дроссельном регулировании.

Рисунок 2 - Функциональная схема работы насосной станции без ЧРП

Следующим этапом проектирования насосных станций должна стать разработка технического задания (ТЗ), включающего в себя технические характеристики частотно-регулируемого привода, показатели качества регулирования, технико-экономические требования, обоснованный выбор оборудования, степень автоматизации и диспетчеризации, влияние ЧРП на электрическую сеть, подготовка нормативно-технической документации и т.д. Основой для разработки ТЗ являются результаты анализа технического обследования трубопроводной сети и насосного парка станции, технических требований и экономических возможностей эксплуатирующей организации.

Выбор комбинации насосов и способа регулирования в зависимости от характеристики объекта определяет индивидуальный расчёт текущей рабочей точки и, соответственно, текущее энергопотребление по каждому насосу и характеристики насосной станции в целом. В подавляющем большинстве на насосных станциях реализован следующий принцип работы насосных агрегатов: один (два) в работе, второй (третий) — в резерве, третий (четвертый) — в ремонте. Для таких вариантов работы насосного оборудования как нельзя лучше подходят станции группового управления частотным электроприводом (СГУ-ЧЭ), работающие в автоматическом режиме. В таких станциях используется один преобразователь частоты для группы насосных агрегатов; регулирование производительности насоса происходит на одном насосе, в случае увеличения водоразбора подключаются резервные насосы (каскадное регулирование давления и расхода). Благодаря преобразователю частоты (ПЧ)происходит плавный пуск насосов, в трубопроводе отсутствуют гидравлические удары, а в сети электроснабжения большие пусковые токи; логический контроллер, входящий в состав СГУ-ЧЭ, позволяет выполнять выдачу управляющих воздействий на объекты станции, а панель управления и сигнализации (видеотерминал) обеспечивает ручное управление и контроль над насосной станцией, визуальный контроль нормальных и аварийных режимов работы станции. Использование ПЧ и контроллера позволяет реализовать необходимые алгоритмы автоматизации и сопряжение СГУ-ЧЭ с информационно-управляющими SCADA-системами предприятия.

По требованиям ТЗ разрабатываются структурные, функциональные и принципиальные электрические схемы; составляется и отрабатывается модель системы управления и регулирования ЧРП, подготавливается нормативная и техническая документация.

1.3 Электроснабжение станции управления ЧРП

При проектировании СГУ-ЧЭ также нужно учитывать необходимость изменения схемы электроснабжения насосной станции для обеспечения надежности питания оборудования. Использование двух независимых питающих линий с устройством автоматического включения резерва (АВР) позволит снизить вероятность полного отключения электрооборудования станции (ПУЭ 1.2.17). Также на базе устройства АВР реализуются защиты от токов короткого замыкания и перегрузок, от повышения/понижения напряжения, небаланса фаз и неправильного чередования фаз.

Мощность питающих трансформаторов должна обеспечивать отклонение напряжения от номинального на величину не более ± 10% и компенсировать воздействие гармонических токов. Схожие требования относятся и к локальным источникам мощности — автономным электростанциям. Полная мощность питающего дизель-генератора должна перекрывать 5 раз мощность преобразователя частоты .

В связи с тем, что электрическая сеть подвержена различным негативным функциональным изменениям (отклонения, колебания, несимметрия напряжений), для работы логического контроллера необходимо предусмотреть наличие электронного стабилизатора напряжения либо источника бесперебойного питания (UРS). Ошибочная выдача управляющих сигналов вследствие колебаний напряжения может привести к серьезной аварии на трубопроводе или недотпуску воды потребителям. Управление преобразователем частоты, электродвигателями, коммутационными аппаратами, запорной арматурой должно быть независимо от качества питающей сети и по возможности должно иметь резервный источник питания. На рисунке 3 приведена совмещенная схема электроснабжения насосной станции, которая отражает типовое построение станции группового управления электродвигателями на базе преобразователя частоты и логического контроллера.

Рисунок 3 - Совмещенная схема электроснабжения насосной станции

Уровень автоматизации и диспетчерское управление ЧРП зависят от реальных требований технологического процесса, удаленности объекта, наличия и количества обслуживающего персонала, финансовых возможностей заказчика и др. При определении объема автоматизации сооружений водоснабжения учтены производительность, режим работы, степень ответственности, требования к надежности, перспектива сокращения численности обслуживающего персонала, улучшение условий труда работающих, а также снижение потребления электроэнергии, расхода воды и реагентов.

Потенциальные решения автоматического управления предусматривают работу СГУ-ЧЭ по заданным алгоритмам регулирования в автоматическом режиме, с возможностью дистанционного управления и контроля над работой комплекса водоснабжения. Эти задачи осуществляются с помощью каналов связи между СГУ-ЧЭ и диспетчерским пунктом, с отображением насосной станции и трубопроводов в виде мнемосхемы на панели или программы управления (ПУ) на ПЭВМ диспетчера, контролирующего и управляющего объекты водоснабжения в режиме реального времени. На ПУ должна быть предусмотрена индикация всех режимов работы (автоматический, ручной, аварийный) СГУ-ЧЭ и параметров технологического процесса, а также сигнализация по электропитанию.

Неотъемлемой частью автоматического управления СГУ-ЧЭ является использование алгоритмов «выживания». Работа таких алгоритмов должна не допускать выход из строя электрических машин, датчиков, электропривода задвижек, трубопроводов, котлов, накопительных емкостей, и другого оборудования. Существует множество вариантов алгоритмов спасения функций электротехнического и технологического оборудования объектов водоснабжения и, несомненно, их обязательно следует учитывать при проектировании систем автоматического управления ЧРП. В качестве примера таких алгоритмов можно предложить следующие решения:

• предохранение запорной арматуры от заклинивания;

• исключение снижения уровня воды в накопительных резервуарах;

• отключение насосных агрегатов при прорывах или закупорки трубопроводов, а также предотвращение «сухого хода»;

• защита от затопления, пожара оборудования или критического снижения температуры на объекте;

• защита от отклонений показателей качества электроэнергии;

• автоматическая защита от обрыва каналов связи с датчиками;

• автоматический перепуск двигателей через заданные интервалы времени;

• защита от перегрева преобразователя частоты и электродвигателя.

Для систем водоснабжения, сооружения которых территориально разобщены, следует предусматривать диспетчерское управление, выполняющее:

• оперативное управление и контроль технологического процесса и оборудования;

• поддержание необходимых режимов работы СГУ-ЧЭ и оптимизацию технологических параметров; • своевременное обнаружение, локализацию и устранение аварий.

1.4 Оценка влияния ЧРП на качество электроэнергии

Исследования и опыт эксплуатации показывают, что частотно-регулируемые асинхронные электроприводы вносят ряд особенностей при построении схем электроснабжения и оказывают влияние на протекание электромагнитных и электромеханических процессов в установившихся и динамических режимах работы энергосети. Преобразователи частоты представляют собой установки, содержащие устройства силовой электроники с нелинейными вольтамперными характеристиками. Процессы высокочастотной коммутации IGBT-транзисторов, сопровождаются скачкообразным изменением параметров цепей, приводят к искажениям форм напряжения и тока, как в сети электроснабжения, так и в электродвигателях. Искажения сопровождаются генерированием высших гармоник, перенапряжениями на статоре двигателя и в кабельных линиях (рисунок 4).

Рисунок 4 - Рис.4. Осциллограммы токов (выход ПЧ) и графики амплитудных спектров напряжений (ввод ПЧ).

Наличие высших гармонических составляющих приводит к перегреву оборудования распределенной сети электропитания, снижению cos ф, снижению электрического и механического КПД, ухудшению характеристик защитных автоматов и завышению требуемой мощности автономных энергетических установок. Несинусоидальность напряжения и тока вызывает в трансформаторах увеличение потерь мощности; сокращается срок службы изоляции электрооборудования. Оптимальным решением по устранению влияния ПЧ на качество электроэнергии является использование пассивных фильтров для сглаживания высших гармоник напряжения и тока. В этой связи, при проектировании СГУ-ЧЭ необходимо детально рассчитать и заложить фильтрующие устройства на входе и выходе с ПЧ.

2. Техническая часть. Выбор основного оборудования для ЧРП

2.1 Выбор частотного преобразователя

В данном курсовой работе приводом центробежного насоса типа X 150-125-400 был выбран двигатель серии СТД-200 2УХЛ с замкнутым циклом вентиляции.

Технические данные насоса X 40-32-125 и двигателя СТД-18000 2УХЛ приведены в таблице 1 и 2 соответственно:

Таблица 1 – Технические данные насосаСТД-18000 2УХЛ

Таблица 2 – Технические данные двигателя СТД-200 2УХЛ

Преобразователь частоты – устройство для изменения частоты электрического напряжения (тока). Частотный асинхронный преобразователь частоты служит для преобразования сетевого трёхфазного или однофазного переменного тока частотой 50 (60) Гц в трёхфазный или однофазный ток, частотой от 1 Гц до 800 Гц.

Промышленностью выпускаются частотные преобразователи электроиндукционного типа, представляющего собой по конструкции асинхронный двигатель с фазным ротором, работающий в режиме генератора-преобразователя, и преобразователи электронного типа.

Частотные преобразователи электронного типа часто применяют для плавного регулирования скорости асинхронного электродвигателя или синхронного двигателя за счет создания на выходе преобразователя электрического напряжения заданной частоты. В простейших случаях регулирование частоты и напряжения происходит в соответствии с заданной характеристикой V/f, в наиболее совершенных преобразователях реализовано так называемое векторное управление.

Для улучшения формы выходного напряжения между преобразователем и двигателем иногда ставят дроссель, а для уменьшения электромагнитных помех — EMC-фильтр.

Данным требованиям удовлетворяет преобразователь частоты ВЧРП-ТМ с многоуровневым IGBT инвертором на напряжение 10,0 кВ (рисунок 3). ВЧРП-ТМ - универсальный частотно-регулируемый электропривод переменного тока для промышленных нагрузок мощностью до 17 500 кВа с номинальным выходным напряжением 3 кВ, 6 кВ и 10 кВ. Благодаря высокому качеству разработки и производства, ВЧРП-ТМ работает как с ранее установленными, так и с асинхронными или синхронными двигателями.

Рисунок 3 - Силовая схема ВЧРП-ТМ

Силовая схема ВЧРП-ТМ состоит из входного трансформатора и однофазных ячеек ШИМ-инверторов. Для 6 кВ три инверторные ячейки соединяются последовательно, формируя выход с 13 ступенями выходного напряжения.

2.2 Выбор диодов и транзисторов

2.2.1 Выбор диода

Основным параметрам преобразователя частоты ABS - DRIVE соответствует супер высоковольтный выпрямительный диод таблеточного исполнения Д453-634 (рисунок 4). Его основные параметры представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Основные параметры диода Д453-634

Диод Д453-634– прибор, предназначенный для высоковольтных схем преобразовательных устройств различного назначения.

Представленный диод имеет высокую стабильность прямых падений напряжений, что гарантирует им точный подбор для параллельной работы и высокую симметрию токов в силовых ветвях преобразователей на весь период эксплуатации.

Рисунок 4 - Диод Д453-634

Супервысоковольтные диоды Д453-634 в преобразовательных устройствах позволяют уменьшить количество последовательно соединенных приборов, существенно упростить конструкцию силовой схемы, снизить издержки монтажа и обслуживания преобразовательного устройства, что позволяет уменьшить вес преобразователя и повысить надежность системы.

2.2.2 Выбор транзистора

Для преобразователя частоты ABS-DRIVE выбран высоковольтный IGBT транзистор серии BiMOSFETs IXBX75N170 фирмы IXYS. Его основные параметры представлены в таблице 2.4.

Таблица 4 – Основные параметры IGBT транзистора IXBX75N170

Рисунок 5 - Транзистор IXBX75N170

2.2.3 Расчет потерь в инверторе

Расчет потерь в инверторе при ШИМ формировании синусоидального тока на выходе заключается в определении составляющих потерь IGBT в проводящем состоянии и при коммутации, а также потерь обратного диода.

Потери в IGBT в проводящем состоянии:

,

где I_ср = I_{c max} /k₁ = 153/1,4 = 109,28 А – максимальная амплитуда тока на входе инвертора, А;

D = t_р /T ≈ 0,95 – максимальная скважность;

cos θ ≈ cos φ – коэффициент мощности;

U_ce(sat) – прямое падение напряжения на IGBT в насыщенном состоянии при I_ср и T_j = 125⁰C.

Потери IGBT при коммутации:

,

где t_c(on), t_c(pff) – продолжительность переходных процессов по цепи коллектора IGBT на открывание t_c(on) и закрывание t_c(pff) транзистора, с (типовое значение t_c(on) = 0,3 – 0,4 мкс; t_c(pff) = 0,6 – 0,7 мкс);

U_ce – напряжение на коллекторе IGBT, В (коммутируемое напряжение, равное напряжению звена постоянного тока для системы АИН - ШИМ);

f_sw – частота коммутаций ключей, Гц (частота ШИМ), обычно от 5000 до 15000 Гц (принимаем f_sw = 10⁴ Гц).

Суммарные потери IGBT:

P_Q = P_SS + P_SW = 51,29 + 62,94 = 114,23 Вт

Потери диода в проводящем состоянии:

,

где I_ер = I_cр – максимальная амплитуда тока через обратный диод, А;

U_ce = U_f – прямое падение напряжения на диоде (в проводящем состоянии) при I_ер, В.

Потери при восстановлении запирающих свойств диода:

,

где I_rr – амплитуда обратного тока через диод, А (I_rr ≈ I_cр );

t_rr – продолжительность импульса обратного тока, с (типовое значение 0,2 мкс).

Суммарные потери диода:

P_D = P_DS + P_DR = 68,39 + 0,04 = 68,43 Вт

Результирующие потери в IGBT с обратным диодом:

P_T = P_Q + P_D = 114,23 + 68,43 = 182,66 Вт

Найденные результирующие потери являются основой для теплового расчета инвертора, в ходе которого определяются тип и геометрические размеры необходимого охладителя, а также проверяется тепловой режим работы кристаллов IGBT и обратного диода.

2.2.4 Тепловой расчет инвертора

Максимально допустимое переходное сопротивление охладитель - окружающая среда R_th(f-a), ⁰C/Вт, в расчете на одну пару IGBT/FWD (транзистор/обратный диод):

,

где Т_а = 45 – 50 ⁰С – температура охлаждающего воздуха;

Т_с = 90 – 110 ⁰С – температура теплопроводящей пластины;

Р_Т – суммарная мощность, Вт, рассеиваемая одной парой IGBT/FWD;

R_th(c-f) – термическое переходное сопротивление корпус – поверхность теплопроводящей пластины модуля в расчете на одну пару IGBT/FWD, ⁰С/Вт.

Температура кристалла IGBT, ⁰С, определяется по формуле:

T_ja= T_c + P_Q∙R_th(j-c)q,

где R_th(j-c)q – термическое переходное сопротивление кристалл – корпус для IGBT части модуля, ⁰C/Вт.

При этом должно выполнятся условие T_ja < 125 ⁰С.

T_ja = 100 + 109,28∙0,16 = 114,48 ⁰С < 125 ⁰С

Температура кристалла обратного диода FWD, ⁰С:

T_jd = T_c + P_D∙R_th(j-c)d,

где R_th(j-c)d – термическое переходное сопротивление кристалл – корпус для FWD части модуля, ⁰С/Вт.

При этом должно выполнятся условие T_jd < 125 ⁰С.

T_jd = 100 + 68,43∙0,18 = 112,31 ⁰С < 125 ⁰С

2.2.3 Расчет и выбор выпрямителя

Среднее выпрямленное напряжение:

U_d = k_с.н∙U_л = 1,35∙10000 = 13500 В

где k_с.н – коэффициент схемы для номинальной нагрузки (k_с.н = 1,35 – для мостовой трехфазной схемы).

Максимальное значение среднего выпрямленного тока:

,

где n – количество пар IGBT/FWD в инверторе.

Максимальный рабочий ток диода:

I_νm = k_cc∙I_dm = 1,045∙128,11 = 132,29 А

где k_сс = 1,045 для мостовой трехфазной схемы при оптимальных параметрах LC-фильтра, установленного на выходе выпрямителя.

Максимальное обратное напряжение диода:

U_νm = k_з.н √2∙U_л∙k_с.н∙k_с + ΔU_n,

где k_c ≥ 1,1 – коэффициент допустимого повышения напряжения сети;

k_з.н ≥ 1,15 – коэффициент запаса по напряжению;

ΔU_n ≈ 100 – 150 В – запас на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока.

U_νm = 1,2∙1,41∙10000∙1,35∙1,2 + 100 = 27510,4 В

Диоды выбираются по постоянному рабочему току (не менее I_νm) и по классу напряжения (не менее U_νm/100). Выбираем диод типа Д161 – 200.

Таблица 4 – Параметры диода выпрямителя

2.2.5 Тепловой расчет выпрямителя

Расчет потерь в выпрямителе для установившегося режима работы электропривода (I_d = I_dm/k₁):

,

где k_cs = 0,577 - для мостовой трехфазной схемы;

R_on – динамическое сопротивление полупроводникового прибора в проводящем состоянии, Ом;

U_j – прямое падение напряжения, В, на полупроводниковом приборе при токе 50 мА (U_j + R_on∙I_dm/k₁ ≤ 1 B для диода);

m_ν – число полупроводниковых приборов в схеме.

Максимальное допустимое переходное сопротивление охладитель – окружающая среда в расчете на выпрямитель:

,

где R_th(c-f) – термическое переходное сопротивление корпус – поверхность теплопроводящей пластины модуля, ⁰С/Вт.

Температура кристалла определяется по формуле:

,

где n_D – количество полупроводниковых приборов в модуле;

R_th(c-f)DV – термическое переходное сопротивление корпус –кристалл для одного полупроводникового прибора модуля, ⁰С/Вт.

Необходимо, чтобы выполнялось условие T_jDV < 140 ⁰C.

< 140 ⁰C

2.2.6 Расчет фильтра

Коэффициент пульсаций на входе фильтра (отношение амплитуды напряжения к среднему значению):

где m – пульсность схемы выпрямления (m = 6 для трехфазной мостовой схемы).

Принимаем LC-фильтр.

Параметр сглаживания LC-фильтра:

,

где S = q_1вх/q_1вых= 10 – коэффициент сглаживания по первой гармонике (значения коэффициента сглаживания S лежат в диапазоне от 3 до 12);

f_s – частота сети, Гц.

Индуктивность дросселя LC-фильтра для обеспечения коэффициента мощности на входе выпрямителя К_М= 0,95 определяется из следующих условий:

L₀ ≥ 3∙L_0min

,

где I_d = I_dm/k₁ = 126,59/1,4 = 91,5 A – номинальный средний ток звена постоянного тока.

L₀ ≥ 3∙L_0min = 3∙45,78∙10^-4= 137,363∙10^-4 Гн

Емкость конденсаторов, необходимая для протекания реактивного тока нагрузки инвертора, находится из выражения:

,

где I_sm1 = I_{c max} – амплитудное значение тока в фазе двигателя, А;

φ₁ – угол сдвига между первой гармоникой фазного напряжения и фазного тока (φ₁= g/2 = 57⁰/2 = 28,5⁰, где g - угол коммутации неуправляемого выпрямителя);

q₁ – коэффициент пульсаций;

f_sw -частота ШИМ, Гц.

Рассчитываем емкость конденсатора С₀₁ и сравниваем с емкостью С₀₃:

Для практической реализации фильтра используют конденсаторы с наибольшим значением емкости С_о1.

Амплитуда тока, протекающего через конденсаторы фильтра на частоте пульсаций выпрямленного тока (по первой гармонике):

I_{C 0m} = q_1вых∙U_d∙2∙π∙m∙f_s∙C_0,

где q_1вых = q_1вх/S = 0,057/10 = 0,0057 - коэффициент пульсаций на выходе фильтра.

I_{C 0m} = 0,0057∙13500∙2∙3,14∙4∙50∙507∙10^-6 = 171,5 А

В зависимости от значения С₀₁ и амплитуды тока формируется батарея конденсаторов с емкостью С₀₁= 1323 мкФ и более, допустимым по амплитуде током I_{C 0m} = 171,5 А и более и напряжением 10 кВ и более для трехфазной мостовой схемы.

Используем конденсаторы типа КС2 – 0,38 – 36 - 3У3 с номинальными параметрами: U_ном = 380 В, С_ном = 800 мкФ, Q = 36 квар.

Для получения емкости С₀₁= 507 мкФ собираем батарею из 2 пар конденсаторов, соединенных между собой параллельно. В каждой паре по 2 последовательно соединенных конденсатора для увеличения напряжения.

2.3 Выбор трансформатора

Силовые трансформаторы с воздушным охлаждением, называются сухими трансформаторами.

В первую очередь сухие трансформаторы применяются в местах, где особое значение имеет высокий уровень безопасности людей, оборудования и окружающей среды. Сухие трансформаторы больших мощностей необходимы в электроустановках промышленных предприятий, в частности нефтехимической, металлургической, машиностроительной, целлюлозно-бумажной отраслей, а также для электроснабжения общественных зданий, сооружений, транспорта.

Сухие трансформаторы с естественным воздушным охлаждением в основном предназначены для установки в сухих закрытых помещениях (с относительной влажностью воздуха не выше 80% и отсутствии в атмосфере агрессивных веществ и пыли).

В данном курсовом проекте был выбран силовой сухой трансформатор типа TR с литой изоляцией из эпоксидной смолы мощностью 18000 кВА напряжением до 36кВ производства Tesar.

Сухие трансформаторы Tesar обладают высокой надежностью, простотой эксплуатации, компактностью, пожарной и экологической безопасностью. Сухие трансформаторы применяются в различных отраслях промышленности с жесткими требованиями пожаро- и взрывобезопасности.

Соответствие сухих трансформаторов Tesar ГОСТ и стандартам CEI и IEC:

- Силовые сухие трансформаторы Tesar соответствуют всем российским и международным стандартам;

- По электромагнитной совместимости сухие трансформаторы Tesarсоответствуют требованиям Директивы Совета европейских сообществ по электромагнитной совместимости 89/336/ЕЕС, что доказано испытаниями, проведенными в специальных лабораториях;

- Завод сухих трансформаторов Tesar Srl является одним из немногих производителейсухих трансформаторов, полностью отвечающих новейшим требованиям стандарта IEC60076-11. Данный стандарт включает требования для испытаний на перегрев, на частичный разряд, на соответствие классам окружающей среды, климатическим и классам пожаробезопасности на одном образце сухого трансформатора;

- Производствосухих трансформаторов Tesar сопровождается типовыми и специальными испытаниями в современных лабораториях завода, оснащенных согласно стандарту IEC60076-11.

Основные характеристики трансформатора представлены в таблице 5.

Рисунок 6 - Общий вид трансформаторовTesar -18000

Таблица 5 - Технические характеристики сухих трансформаторов Tesar-18000

3. Анализ электромагнитной совместимости преобразователя частоты ВЧРП-ТМ и питающей сети

Современный регулируемый электропривод как постоянного, так и переменного тока содержит силовые преобразователи электрической энергии, выполненные на силовых полупроводниковых ключах и являющиеся дискретными устройствами.

Рост установленной мощности преобразовательных агрегатов и связанное с принципом их работы ухудшение электромагнитной обстановки обострили проблему обеспечения нормального функционирования других потребителей, подключенных к общей с преобразователями сети, т.е. электромагнитную совместимость.

Так как в курсовом проекте рассматривается ЧРЭП, то необходимо произвести расчет электромагнитной совместимости преобразователя частоты с питающей сетью.

Индуктивное сопротивление трансформатора Tesar-18000 найдём по формуле, мОм

,

где Uкз – напряжение короткого замыкания, %,

Ркз - мощность короткого замыкания, кВт,

Sном – полная мощность трансформатора, кВ·А,

Uб – базовое напряжение, В.

мОм.

Зная длину и марку кабельной линии, нетрудно найти его индуктивное сопротивление

,

где x0 – индуктивное сопротивление единицы длины кабельной линии, Ом/км;

L – длина кабельной линии, км.

Получим

мОм,

мОм.

Индуктивное сопротивление сети определяется двумя составляющими: индуктивным сопротивлением трансформатора и индуктивным сопротивлением кабельной линии

мОм.

Полная мощность КЗ на шинах подключения преобразователя

Вт,

где Еф – действующее значение фазного напряжения.

Номинальную мощность на выходе звена постоянного тока можно определить исходя из условия, что КПД современных автономных инверторов напряжения приблизительно равен 0,85

,

где Рпч – номинальная мощность преобразователя, Вт.

Вт.

Номинальное напряжение на выходе двухфазного двухполупериодного мостового выпрямителя определяется выражением

,

где m - число фаз;

n – число полупериодов.

Вт.

Ток на выходе выпрямителя

А.

Приведенное значение ЭДС короткого замыкания преобразователя частоты найдем по формуле

В.

Относительное значение ЭДС короткого замыкания, куда входит вся цепь коммутации вентилей выпрямителя преобразователя частоты, определяется по формуле

В.

Относительное значение коммутационного провала определяется параметрами делителя напряжения и рассчитывается по формуле

Угол коммутации найдём из выражения

.

Площадь коммутационного провала в точке подключения преобразователя к сети определяется из выражения

.

Рассчитаем относительное действующее значение импульсов коммутационных провалов по формуле

.

Относительная амплитуда синусной и косинусной составляющей первой гармоники коммутационных провалов

,

.

После определения синусной и косинусной составляющей первой гармоники коммутационных провалов найдём относительное действующее значение первой гармоники коммутационных провалов

.

Относительное действующее значение высших гармоник импульсов коммутационных искажений находится по формуле

.

Коэффициент несинусоидальности

.

Площадь коммутационных провалов, выраженная в процентах и электрических градусах

Как показывают расчеты, выполнение норм на качество электрической энергии по коэффициенту несинусоидальности обеспечивается, т.к. для сети 380В коэффициент искажения несинусоидальности напряжения не должен превышать 0,071. Что касается площади коммутационных провалов, то данная величина не выходит за пределы допустимых норм, которая для сети низкого напряжения составляет 420 % электрических градусов.

4. Патентная проработка

Главной задачей данного курсового проекта является изучение частотно-регулируемого режима работы питательного насоса типа НМ – 10000-210 с помощью регулируемого электропривода.

Для более подробного изучения была проведена патентная проработка. Основное внимание было направлено на поиск частотно-регулируемого электропривода.

4.1 Результаты патентного поиска

Патентный поиск проводился с использованием фонда ФГУ ФИПС (РОСПАТЕНТ) по источникам патентной документации России. В связи с тем, что научные разработки в области ЧРЭП развиваются быстрыми темпами, глубина поиска составила одиннадцать лет с 2005 по 2016 гг.

Результаты поиска сведены в таблицу 6.

Таблица 6 – Результаты патентного поиска

4.2 Анализ результатов патентного поиска

На сегодняшний день имеется множество работ, посвященных частотно – регулируемому электроприводу. По результатам патентного поиска наиболее близким к теме курсового проекта является - патент №112550 «Высоковольтный частотно-регулируемый электропривод».