Выполнен анализ системы вентиляции камер трансформаторов. Был произведен расчет и выбор преобразователя частоты. Произведен выбор основных силовых элементов системы регулирования электропривода.
Ключевые слова: асинхронный электропривод, преобразователь частоты, электрооборудование, вентиляционная система, схема замещения.
Система вентиляции должна присутствовать в зданиях любого типа, так как чистый воздух требуется не только человеку, но и предметам, находящимся в помещениях. В частности, благодаря регулированию температуры и влажности в помещениях за счёт приточной вентиляции на оборудовании не собирается влага, не окисляются ее металлические детали. Особенно это актуально на предприятиях, где производственные процессы сопровождаются наличием высоких напряжений, выделением тепла и вредных примесей. Поэтому к системам вентиляции производственных помещений предъявляются высокие требования относительно эффективности работы.
Вентиляция в камерах трансформаторов № 1,2 предназначена для удаления избыточных тепловыделений от трансформаторов в теплые время года. Вентиляция камер трансформаторов № 1,2 предусмотрена приточно-вытяжная, обеспечивающая исключение потерь при номинальной мощности трансформаторов, приведена на рисунке 1.
Потери мощности трансформаторов 40 МВА — 230 МВА. Производительность приточных установок и кратности воздухообмена определены из расчета разности температур входящего в помещение и выходящего из него воздуха не более 15 С при номинальной нагрузке трансформаторов и максимальной расчетной температуре наружного воздуха. Вентустановки каждой трансформаторной установки состоят из 2 вентиляторов равной производительности, один из которых должен включатся по наружной температуре воздуха (+25 С -на включение и +20 С- на отключение), и по температуре воздуха в трансформаторной камере (+30С — на включение и на +24С — на отключение), второй для резервирования первого вентилятора.
Забор воздуха для камер трансформаторов № 1,2 осуществляется через жалюзийные решетки в оконных проемах 1-го этажа 4-мя центробежными вентиляторами (по 2 на каждый трансформатор) и подается в нижнюю зону помещений трансформаторов№ 1и № 2. Нагретый воздух удаляется через шумоглушители и жалюзийные решетки, устанавливаемые на отметке +4,500м.
Рис. 1. Схема вентиляции камер трансформатора № 1. (Камера трансформатора № 2 зеркально камере № 1): 2-камера трансформатора; 3-венткамера
В венткамерах установлены электродвигатели общепромышленного односкоростного трехфазного асинхронного переменного тока с короткозамкнутым ротором 4А180М8 (таблица 1) и вентиляторы радиальные ВР 80–75 (таблица 2) для перемещения воздуха [1].
Таблица 1
Характеристики вентиляционных систем
|
Помещение |
Кол. систем |
Тип установки |
Электродвигатель |
||
|
Тип, исполнение по взрывозащите |
N, кВт |
n, об/мин |
|||
|
Тр-р № 1 |
2 |
4А180М8 |
Е12,5,090–1 |
15 |
730 |
|
Тр-р № 2 |
2 |
4А180М8 |
Е12,5,090–1 |
15 |
730 |
Таблица 2
Характеристики вентиляционных систем
|
Помещение |
Кол. систем |
Тип установки |
Вентилятор |
||||||
|
Тип, исполнение по взрывозащите |
№ |
Схема исполнения |
Положение |
L, м3/ч |
Р, кгс/м2 |
n, об/мин |
|||
|
Тр-р № 1 |
2 |
ВЦ4–75 |
Е12,5,090–1 |
12,5 |
1 |
Пр90 Л90 |
33600 |
800(81,6) |
730 |
|
Тр-р № 2 |
2 |
ВЦ4–75 |
Е12,5,090–1 |
12,5 |
1 |
Пр90 Л90 |
33600 |
800(81,6) |
730 |
Для асинхронного двигателя серий 4А180М8 (таблица 3) рассчитываем и выбираем преобразователь частоты.
Таблица 3
Паспортные данные асинхронного двигателя типа 4А180М8 [2]
|
Тип двигателя |
Синхронная частота вращения, об/мин |
Момент инерции, кг |
Мощность, кВт |
При номинальной нагрузке |
|
|
|
|
|||
|
s |
I,А |
ƞ ,% |
cosφ |
||||||||
|
4А180М8 |
750 |
0,25 |
15 |
0,026 |
31,9 |
87 |
0,82 |
1,2 |
1,0 |
20, |
5,5 |
м2
ПЧ выберем исходя из таких условий:
Для АД серии 4А180М8 
15 кВт и 
31,9 А выбираем ПЧ серии HCP4015 (таблица 4) [3]
Таблица 4
Паспортные данные преобразователя частоты
|
Тип преобразователя частоты |
Вход |
Мощность, кВт |
кВА |
Ток, А |
Перегрузка 60с, А |
Двигатель |
|
НСР4015 |
380 В 50/60 Гц |
15 |
26 |
33 |
36 |
15 |
Преобразователи частоты Tecorp серии HCP — это модель, оптимизированная для управления 3-фазными асинхронными двигателями в составе насосов, вентиляторов, миксеров, экструдеров и другого оборудования рассчитанного на питание 3х(380…440)В.
Преимущества и некоторые технические характеристики частотных преобразователей Tecorp HCР серии приведена на рисунке 2:
– частотный способ управления с широкими возможностями задания зависимости Uвых = f(F вых).
– Синусоидальная форма тока двигателя достигается широтно-импульсной модуляцией напряжения с несущей частотой от 0,7 до 20кГц (выбирается пользователем).
– Диапазон регулировки выходной частоты — 0,1…400 Гц.
– Точность установки выходной частоты:
- по цифровым входам 0,01 %;
- по аналоговым входам 0,1 %.
– Диапазон напряжения питания:
- для модели 380В — 340…460В.
– Пусковой момент — 150 % номинального момента при Fвых = 1Гц, перегрузочная способность — 150 % номинального момента в течение 60 сек.
– Встроенный PID-регулятор для эффективной работы привода в замкнутой системе автоматического регулирования, например, по давлению или расходу в системах тепло-водоснабжения.
– Три источника питания доступных пользователю:
+12В с максимальным током нагрузки 200мА;
+24В с максимальным током нагрузки 200мА (можно использовать для питания датчика давления);
+10В для питания внешнего потенциометра, задающего выходную частоту.
ПЧ запитывается от трехфазной сети переменного тока с линейным напряжением 380 В, фазы которой подключены к клеммам L1, L2, L3, клемма PE заземляется.
АД подключается к клеммам U, V, W, а клемма PE заземляется.
Управление скоростью вращения и воздушным потоком производится за счет изменения частоты, величины управляющего напряжения или за счет управления сдвигом фаз.
Способ расчета представлен для преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения, выполненного с использованием гибридных модулей.
Максимальный ток через ключи инвертора определяется следующим выражением:
где 
. — номинальная мощность двигателя, Вт;
k1 — коэффициент допустимой кратковременной перегрузки по току (1,2–1,5);
k2 — коэффициент допустимой мгновенной пульсации тока (1,1–1,2);
— номинальный КПД двигателя;
— линейное напряжение двигателя.
Питающее напряжение инвертора от выпрямителя:
где 
- коэффициент схемы для номинальной нагрузки
Рис. 2. Схема подключения преобразователя частоты
Обратное напряжение IGBT модуля необходимо делать с запасом и с учетом максимального отклонения напряжения в 15 % от питающего напряжения инвертора, поэтому:
Выбор модуля:
Выбор IGBT производится в соответствии с условием
Выбирается модуль CM60TF-24H производителя Mitsubishi [4].
Характеристики модуля:
1200 В- напряжение коллектор-эмиттер
60 А- ток коллектора
2,5 В- прямое падение IGBT в проводящем состоянии
- время открывания транзистора
— время закрывания транзистора
— коммутируемое напряжение равное напряжению звена постоянного тока системы АИН-ШИМ
— частота коммутации ключей
— амплитуда обратного тока через диод
— продолжительность импульса обратного тока
- прямое падение напряжения на диоде
-термическое переходное сопротивление кристалл-корпус для IGBT
термическое переходное сопротивление кристалл-корпус для диода
термическое сопротивление корпус-поверхность теплопроводящей пластины модуля в расчете на одну пару диод/транзистор
Максимальная амплитуда тока на входе инвертора находится по формуле:
Потери IGBT в проводящем состоянии определяются из выражения:
где D — скважность,
— коэффициент мощности
Потери IGBT при коммутации определяются из выражения:
Суммарные потери находятся по формуле:
Потери диода в проводящем состоянии определяются из выражения:
где 
- максимальная амплитуда тока через диод
Потери при восстановлении запирающих свойств определяются из выражения:
Суммарные потери диода находятся по формулам:
Тепловой расчет. Температура кристалла IGBT:
0,50=124,13
где 
— температура теплопроводящей пластины [90110]
Температура кристалла обратного диода определяется из формулы:
0,50=135,35
Условия проверки теплового режима работы кристаллов:
Исходя из условий и рассчитанных значений, можно сделать вывод, что тепловой режим работы соблюдается.
Максимальное допустимое переходное сопротивление охладитель- окружающая среда в расчете на инвертор:
Максимальное значение среднего выпрямленного тока находится по
формуле:
где n — количество пар транзистор/диод в инверторе.
Максимальный рабочий ток диода:
где kcc — коэффициент для мостовой трехфазной схемы при оптимальных параметрах Г-образного LC фильтра.
Максимальное обратное напряжение диода находится из выражения
где kз н..- коэффициент запаса по напряжению (≥ 1,15)
kc — коэффициент допустимого повышения напряжения (≥ 1,1)
-запас на коммутационные выбросы напряжения в звене постоянного тока (100–150 В)
Выбор модуля:
Выбор выпрямителя производится в соответствии с условием:
Выбираем трехфазный мостовой выпрямитель 26MT120PBF производителя
Vishay Intertechnology [5].
Характеристики:
Iпр. = 25А — максимальный рабочий ток диода.
U j =1,26В — прямое падение напряжения.
Ron = 7,9 
— динамическое сопротивление полупроводникового прибора в проводящем состоянии.
— термическое сопротивление корпус-поверхность теплопроводящей пластины.
термическое переходное сопротивление кристалл-корпус.
Расчет потерь в выпрямителе для установившегося режима работы:
где mv — число полупроводниковых приборов в схеме
kcs — коэффициент для трехфазной мостовой схемы
Температура кристалла находится по формуле:
Проверка теплового режима работы кристалла:
TjDV 175
Исходя из условий и рассчитанных значений, можно сделать вывод, что тепловой режим работы соблюдается.
Максимально допустимое переходное сопротивление охладитель окружающая среда в расчете на выпрямитель:
Предварительно определяется суммарное переходное тепловое сопротивление охладитель — окружающая среда в расчете на суммарную мощность:
Площадь охладителя, участвующая в конвекции
Рис. 3. Охладитель
Предварительно принимаем следующие значения:
m=400 — число ребер охладителя
d=0,15 м — длина
b=0,1 м — ширина
h=0,1 м — высота
с=0,0001м — высота, не участвующая в конвекции
Aconv. = 2·d ·(b+m(h-c))= 2· 0,15·(0,1+ 400· (0,1–0,0001))=12,018 м2
Площадь охладителя, участвующая в излучении тепла:
Arad. = 2·d ·(b + h) = 2· 0,15·(0,1+0,1) = 0,06 м2
Переходное сопротивление излучения тепла определяется выражением:
где TcK =Tc +273,15 — температура теплопроводящей пластины в Кельвинах
TaK = Ta +273,15 — температура охлаждающей пластины в Кельвинах
E — коэффициент излучения с поверхности тепла для алюминия
Переходное температурное сопротивление теплопередачи конвекцией:
где Fred. — коэффициент ухудшения теплоотдачи (для расстояния между рёбрами (<5мм)
Переходное температурное сопротивление охладитель-окружающая среда при естественном охлаждении:
Проверка параметров охладителя:
Температурное сопротивление охладителя меньше расчетного значения, следовательно, габаритные размеры охладителя подобраны верно.
Выводы.
- Составлена упрощенная схема системы вентиляций камер трансформаторов для расчетаосновных силовых элементов системы регулируемого электропривода.
- Определены параметры электродвигателя и вентиляционных установок.
- По значениям расчетов, были выбраны силовые элементы системы регулируемого электропривода.
Литература:
- Радиальный вентилятор [Электронный ресурс]http://ventilator.spb.ru/rodukciya/-ventilyatory_promyshlennye/radialnye/vr_8075/
- Электродвигатель 4А180М8 15 кВт 750 об/мин [Электронный ресурс] http://ufk-techno.ru/1187.htm
- Преобразователь частоты [Электронный ресурс] http://www.chastotniki.ru/tecorp-/HCA-plus-HCP-plus.pdf
- CM30TF24H [Электронный ресурс] http://www.symmetron.ru/suppliers/mitsub ishi/pwm_data/00000079.pdf
- 26MT120PBF, Мостовой выпрямитель трехфазный 1200 V 25 A, Vishay Intertechnology [Электронный ресурс] http://www.westl.ru/catalog/4/00001x00 01x0001x0001x0006x0002/x30436
- Ф. С. Михайлов. Отопление и основы вентиляции– СПб: Москва, 2005. — 345 с.
