Учитывая перечисленные в подразделах 1.2 и 1.3 требования, выберем электродвигатель по мощности из каталога. Тип и технические характеристики двигателя согласно [10] приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Технические характеристики электродвигателя

Электродвигатель 4АЗМП-1250/10000 – короткозамкнутый взрывозащищённый АД привода механизмов с нормальными условиями пуска. Изготовлен с учётом ТУ16-528.285-84. Имеет замкнутый тип вентиляции. Масса двигателя составляет 4380 кг.

Номинальный момент электродвигателя найдём по следующей формуле:

где ω0 – скорость вращения холостого хода электродвигателя, ω0 = 314 рад/с.

Следовательно, максимально допустимый момент при частоте не больше номинальной равен:

При регулировании скорости вверх от номинальной при постоянном напряжении критический момент АД падает пропорционально квадрату относительной частоты [11]. Следовательно, максимально допустимый момент при максимальной рабочей скорости насоса будет равен:

То есть больше чем максимальный момент на валу насоса при перегрузочной способности λ = 2,0.

1.4.4. Выбор и описание преобразователя частоты

Выбор преобразователя частоты также необходимо осуществлять, учитывая требования к системе электропривода. Из всего спектра ПЧ этим требованиям соответствуют следующие:

1. ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока с автономным инвертором тока (АИТ);

2. ПЧ промежуточным звеном постоянного тока с автономным инвертором напряжения (АИН).

Минусом непосредственных преобразователей частоты является то, что частота выходного напряжения преобразователя всегда ниже частоты входного, из-за чего их применяют только в тихоходных машинах.

ПЧ на основе АИТ используются в основном в системах электропривода, в которых необходим реверс мощности, так как они имеют ряд недостатков:

– несинусоидальный выходной ток (увеличиваются потери в двигателе и, как следствие, требуется разгрузка по мощности);

– наличие коммутационных перенапряжений и бросков тока (необходимо использовать сглаживающий фильтр на выходе ПЧ или специальный двигатель с демпферной обмоткой);

– большее влияние на сеть вследствие генерации высших гармоник управляемым выпрямителем (требуется фильтр на входе ПЧ);

– значительные массу и габаритные размеры.

Среди недостатков ПЧ с АИН – проблема “длинного кабеля”.

Одним из важнейших критериев при оценке эффективности ПЧ является обеспечение их электромагнитной совместимости со стандартными асинхронными двигателями. Являясь источником высших гармоник, они оказывают влияние как на потери в двигателе и его допустимую нагрузку, так и на изоляцию статора. Это обстоятельство является особенно важным, и его нужно учитывать при выборе типа инвертора и соответственно ПЧ для стандартных высоковольтных асинхронных двигателей, имеющих ограниченные запасы по изоляционной прочности.

В системе «ПЧ – асинхронный двигатель» можно использовать любой стандартный двигатель, но необходимо учитывать снижение допустимого момента вследствие дополнительных потерь из-за высших гармоник в токе автономного инвертора и ухудшения условий охлаждения самовентилируемых двигателей при работе в диапазоне регулирования частоты вращения. Последний фактор для электроприводов насосов несущественен, так как со снижением скорости ток электродвигателя, а, следовательно, и потери, быстро уменьшается.

Радикальное решение, наиболее эффективно обеспечивающее электромагнитную совместимость ПЧ и электродвигателя без разгрузки последнего, – применение специальных алгоритмов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) при управлении трёхфазным инвертором с фиксацией нейтральной точки. Силовая схема таких инверторов несколько усложняется, однако позволяет формировать три уровня напряжения на выходе каждой фазы инвертора (+E, 0, -E), и таким образом существенно снизить содержание высших гармоник в выходном напряжении до THD = 1-3% и, следовательно, уменьшить требования к выходному фильтру преобразователя [12].

Подобные преобразователи выпускают такие компании как Siemens (Simovert), Alstom (Alspa VDM), ABB. В России такое схемное решение взято за основу следующими компаниями: "Ансальдо-ВЭИ", ВНИИЭ и ОАО "Электровыпрямитель". В настоящее время качественные показатели подобных ПЧ российских компаний ниже зарубежных аналогов, поэтому, несмотря на большую стоимость, последние являются более предпочтительным вариантом.

Чтобы обеспечить оптимальный режим работы АД при всех значениях частоты и нагрузки, относительное напряжение двигателя, согласно закону Костенко, изменяют пропорционально произведению относительной частоты на корень квадратный из относительного момента двигателя. Для вентиляторного момента нагрузки данный закон принимает следующий вид:

где U* – относительное напряжение;

α – относительная частота.

Повышение частоты при постоянном, в частности номинальном, напряжении на выводах двигателя даёт возможность расширить диапазон регулирования скорости вверх от её номинального значения для электродвигателей стандартного исполнения, которые не допускают повышение напряжения выше номинального в течение продолжительного времени работы. Однако стоит учитывать, что при данном способе регулирования скорости происходит уменьшение магнитного потока и возрастает индуктивное сопротивление рассеяния статора. Следовательно, уменьшается максимально допустимый момент двигателя. Снижением же КПД при небольших изменениях частоты можно пренебречь [12].