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

Таблица 2

Характеристики вентиляционных систем

Для асинхронного двигателя серий 4А180М8 (таблица 3) рассчитываем и выбираем преобразователь частоты.

Таблица 3

Паспортные данные асинхронного двигателя типа 4А180М8 [2]

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

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 [90110]

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 k_cc — коэффициент для мостовой трехфазной схемы при оптимальных параметрах Г-образного LC фильтра.

Максимальное обратное напряжение диода находится из выражения

где k_{з н..}- коэффициент запаса по напряжению (≥ 1,15)

k_c — 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:

I_пр. = 25А — максимальный рабочий ток диода.

U _j =1,26В — прямое падение напряжения.

R_on = 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 m_v — число полупроводниковых приборов в схеме

k_cs — коэффициент для трехфазной мостовой схемы

Температура кристалла находится по формуле:

Проверка теплового режима работы кристалла:

T_jDV 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

A_conv. = 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:

A_rad. = 2·d ·(b + h) = 2· 0,15·(0,1+0,1) = 0,06 м²

Переходное сопротивление излучения тепла определяется выражением:

где T_cK =T_c +273,15 — температура теплопроводящей пластины в Кельвинах

T_aK = T_a +273,15 — температура охлаждающей пластины в Кельвинах

E — коэффициент излучения с поверхности тепла для алюминия

Переходное температурное сопротивление теплопередачи конвекцией:

где F_red. — 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.

1. Составлена упрощенная схема системы вентиляций камер трансформаторов для расчетаосновных силовых элементов системы регулируемого электропривода.
2. Определены параметры электродвигателя и вентиляционных установок.
3. По значениям расчетов, были выбраны силовые элементы системы регулируемого электропривода.

Литература:

1. Радиальный вентилятор [Электронный ресурс]http://ventilator.spb.ru/rodukciya/-ventilyatory_promyshlennye/radialnye/vr_8075/
2. Электродвигатель 4А180М8 15 кВт 750 об/мин [Электронный ресурс] http://ufk-techno.ru/1187.htm
3. Преобразователь частоты [Электронный ресурс] http://www.chastotniki.ru/tecorp-/HCA-plus-HCP-plus.pdf
4. CM30TF24H [Электронный ресурс] http://www.symmetron.ru/suppliers/mitsub ishi/pwm_data/00000079.pdf
5. 26MT120PBF, Мостовой выпрямитель трехфазный 1200 V 25 A, Vishay Intertechnology [Электронный ресурс] http://www.westl.ru/catalog/4/00001x00 01x0001x0001x0006x0002/x30436
6. Ф. С. Михайлов. Отопление и основы вентиляции– СПб: Москва, 2005. — 345 с.