Расчет и выбор управляемых преобразователей электроприводов металлургических машин

УДК621.3;621.7 
Ф32 

Р е ц е н з е н т 
доктор технических наук, профессор Н.А. Чиченев 

Фединцев В.Е. 

Ф32 
Расчет и выбор управляемых преобразователей электроприводов металлургических машин: Учеб.-метод. пособие. М.:МИСиС,2003.-53с. 

в пособии приведены краткие сведения о системах питания и регулирования скорости двигателей постоянного и переменного тока. Достаточно 
подробно рассмотрены методики расчета и выбора статистических и электромашинных преобразователей. Основные теоретические положения и 
инженерные методики для лучшего усвоения иллюстрируются цифровыми 
примерами. 

Пособие содержит технические характеристики тиристорных преобразователей постоянного тока, генераторов постоянного тока, синхронных 
двигателей и статических преобразователей частоты, производимых в настоящее время в России и за рубежом или снятых с производства, но 
используемых в металлургических цехах. 

Содержание пособия соответствует программе курсов «Электропривод 
металлургических машин» и «Электрооборудование цехов ОМД». 

Предназначено для использования на практических занятиях по электрооборудованию и электроприводу, а также выполнения домашних заданий 
и электротехнической части дипломного проекта студентами специальностей 
110600 «Обработка металлов давлением» и 170300 «Металлургические машины и оборудование». 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (Технологический 
университет) (МИСиС), 2003 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
4 

1. Расчет и выбор элементов системы ТП - Д 
5 

1.1. Тиристорные преобразователи для электроприводов 

постоянного тока 
5 

1.2. Технические данные и состав преобразователей 
6 

1.3. Защита преобразователей 
8 

1.4. Расчет сглаживающего дросселя 
9 

1.5. Выбор типа преобразователя 
10 

Примеры расчета 
13 

2. Расчет и выбор элементов системы Г - Д 
17 

2.1. Расчет мощности генератора постоянного тока 
18 

2.2. Расчет мощности синхронного двигателя 
18 

2.3. Схемы питания прокатных двигателей 
19 

2.4. Расчет тиристорных возбудителей генератора и двигателя 
21 

2.5. Расчет тиристорного преобразователя для возбуждения 
генератора 
22 

Пример расчета 
24 

3. Расчет и выбор преобразователей частоты 
26 

3.1. Регулирование скорости асинхронного двигателя 
26 

3.2. СистемаНПЧ-АД 
27 

3.3. СистемаПЧИ-АД 
28 

3.4. Выбор типа преобразователя частоты 
31 

Библиографический список 
32 

Приложения 
33 

Приложение 1. Тиристорные преобразовательные агрегаты 

серии ТЕ(Р) 
33 

Приложение 2. Тиристорные преобразователи серий ТВ и ТВР 
35 

Приложение 3. Тиристорные агрегаты серий ТВР и ТВН 
37 

Приложение 4. Комплектный тиристорный электропривод 

постоянного тока серии ЭПУ1 
40 

Приложение 5. Тиристорные преобразовательные агрегаты 

серий ТПЗиТПРЗ 
42 

Приложение 6. Сглаживающие реакторы типа ФРОС и СРОС 
48 

Приложение 7. Технические данные генераторов постоянного тока 
49 

Приложение 8. Технические данные некоторых синхронных 

двигателей, применяемых в металлургическом производстве 
49 

Приложение 9. Преобразователи частоты 
50 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

в приводах прокатных станов применяются двигатели постоянного и переменного тока (асинхронные и синхронные). 

Для питания и регулирования скорости двигателей постоянного тока используются две системы: 

1) тиристорный преобразователь-двигатель (ТП-Д) или 
тиристорный электропривод постоянного тока; 

2) генератор-двигатель (Г-Д). 
В связи с промышленным освоением мощных тиристорных 
преобразователей система Т П - Д находит широкое применение в 
электроприводе прокатных станов, так как имеет большие преимущества перед электромашинными преобразователями. 

В новых проектах регулируемого электропривода для строящихся прокатных цехов и при реконструкции прокатных станов 
повсеместно применяют тиристорные электроприводы. Однако для 
главных приводов мощных реверсивных прокатных станов рекомендуется применение системы Г - Д 
с приводным синхронным 
двигателем. 

Применение синхронных двигателей с опережающим коэффициентом мощности в сочетании с тиристорными преобразователями 
позволяет стабилизировать напряжение в заводских сетях, повысить 
коэффициент мощности и снизить вредное влияние высших гармоник. 
Возбуждение синхронных двигателей, генераторов и двигателей постоянного тока осуществляется от тиристорных преобразователей. 

В приводах переменного тока в основном используется частотное регулирование скорости. Для изменения частоты напряжения 
на статоре двигателя применяются статические преобразователи частоты (тиристорные или транзисторные). 

4 

1. РАСЧЕТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ 
СИСТЕМЫ Т П - Д 

1.1. Тиристорные преобразователи для 
электроприводов постоянного тока 

Расчет системы Т П - Д заключается в выборе серийных тиристорных преобразователей постоянного тока. Все тиристорные 
преобразователи предназначены для преобразования трехфазного 
напряжения промышленной частоты в регулируемое постоянное напряжение. 

В настоящее время для питания электроприводов постоянного тока прокатных станов используются следующие типы тиристорных преобразователей: 

1)с воздушным охлаждением серий ТЕ и ТЕР мощностью 
23... 825 кВт 
для 
комплектных 
тиристорных 
электроприводов 
(прил. 1); 

2) серий ТВ и ТВР мощностью до 12000 кВт с водяным охлаждением для комплектных тиристорных электроприводов (прил. 2); 

3) комплектные тиристорные агрегаты серий ТПР, ТПН, ТВР, 
ТВН мощностью от 5 до 500 кВт (прил. 3); 

4) комплектный тиристорный электропривод постоянного тока серии ЭПУ1 (прил. 4); 

5) ТП и ТПР мощностью от 1000 до 12000 кВт для питания 
одно- и двухъякорных двигателей (прил. 5). 

Тиристорные преобразователи постоянного тока подразделяются: 

-по назначению - для питания якорных цепей и обмоток 
возбуждения машин постоянного тока; 

-по исполнению - на реверсивные и нереверсивные. Нереверсивные преобразователи обеспечивают плавное регулирование 
выпрямленного напряжения на выходе от нуля до номинального значеПИЯ Udu, реверсивные преобразователи - в диапазоне +Ц/н... О ... -Udu
5 

1.2. Технические данные 
и состав преобразователей 

Тиристорные преобразователи предназначены для эксплуатации в стационарных условиях в закрытых помещениях при 
следующих условиях: 

а) высота над уровнем моря до 1000 м; 
б) температура окружающей среды - от 5 до 40 °С; 
в) относительная влажность воздуха - не более 80 % при 25 °С; 
г) окружающая среда - невзрывоопасная, не содержащая агрессивных газов и паров в концентрациях, приводящих к разрушению металла и изоляции, ненасыщенная токовой пылью; 

д) отсутствие резких ударов и сильной тряски; 
е) рабочее положение в пространстве - вертикальное. 
Все преобразователи изготавливаются в климатическом исполнении У4 (ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70). 

Силовые цепи преобразователей питаются от трехфазной цепи 
переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 380 В ±10% при 
мощности ТП до 250 кВт и от сети 6 или 10 кВ при большей мощности. 

Силовое питание предусмотрено в основном от индивидуальных трансформаторов. Эти трансформаторы 
выполняют с 
повышенной механической прочностью; для них характерно увеличенное 
напряжение 
короткого 
замыкания. 
Для 
питания 
ТП 
используются следующие серийные трансформаторы: 

- сухие с воздушным охлаждением типа ТС, ТСЗР, ТСП, ТСЗП; 
- с масляным охлаждением типа ТМП, ТМНП, ТДП, ТДНП; 
- заполненные негорючей жидкостью (совтоловые) типа ТИП. 
Питание ТП от сети 380 В может быть как от трансформаторов, 

так и через разделительные (токоограничивающие) анодные реакторы. 

Все ТП построены по симметричной трехфазной мостовой 
схеме выпрямления. Мостовые схемы собраны на тиристорах типа 
Т-160, Т-250, Т-320, Т-1250 и др. 

Для увеличения мощности преобразователей тиристоры соединяют параллельно. Распределение тока между параллельно 
включенными тиристорами обеспечивается делителями тока. 

В преобразователях с большими величинами выпрямленного 
напряжения в каждое плечо мостовой схемы включено последовательно два тиристора. 

Во всех реверсивных преобразователях применена встречнопараллельная схема включения двух выпрямительных мостов. 

6 

Охлаждение силовых тиристорных блоков в ТП - воздушное, 
принудительное по разомкнутому циклу с помощью встроенных вентиляторов, или от внешней системы вентиляции. При аварийном 
отключении системы вентиляции допускается работа преобразователей в течение не более 5 мин. В преобразователях типа ТВ и ТВР 
применяется водяное охлаждение. Ряд ТП, рассчитанных на малую 
силу тока, выполнен с естественным охлаждением: на токи 25 и 50 А 
в сериях ТИП, ТПР, ТВН, ТВР; на токи 50 А (ТП для питания якорных цепей) и 200, 320 А (возбудители) в серии КТУ. 

Все преобразователи, предназначенные для питания якорных 
цепей, допускают работу в циклическом режиме. Циклическая перегрузка не должна превышать 75 % при длительности перегрузки до 
1 мин и 100 % при длительности перегрузки до 15 с и времени усреднения тока 10 мин. 

Выпрямленное напряжение ТП регулируется системой импульсно-фазового управления (СИФУ). Фазосдвигающее устройство 
в СИФУ выполнено по вертикальному принципу. В качестве опорного напряжения используется пилообразное напряжение (ТП; ТПР; 
ТВП; КТУ) или синусоидальное. При использовании пилообразного 
напряжения зависимость вход-выход СИФУ - линейная, зависимость 
вход-выход преобразователя (при непрерывном токе) - синусоидальная. При использовании синусоидального напряжения зависимость 
вход-выход преобразователя - линейная. 

СИФУ позволяет осуществлять управление ТП как от унифицированной 
блочной системы регуляторов 
(УБСР), так и от 
микроконтроллеров. Комплектные тиристорные устройства, кроме тиристорного преобразователя, включают в себя также устройства 
управления электроприводом. Эти устройства состоят из регуляторов 
напряжения, тока, скорости и ЭДС двигателя, задающих устройств, датчиков регулируемых параметров. 

Реверсивные преобразователи с совместным управлением 
выполняются с согласованным или несогласованным управлением. В 
ТП с согласованным управлением всегда выдерживается условие 

ai+a2=180°, 

в ТП с несогласованным управлением - условие 

ai+a2^180°, 

где аь аг - углы регулирования соответственно одного и второго 
трехфазного моста. 

7 

При совместном согласованном управлении в преобразователях возникают уравнительные токи, для ограничения которых в цепи 
уравнительного контура устанавливают уравнительные дроссели. 

При совместном несогласованном управлении в зависимости 
от закона согласования углов ai и аг уравнительные токи можно 
значительно уменьшить или вообще исключить. Это позволяет 
уменьшить габариты уравнительных дросселей или исключить их. 
Однако при этом регулировочные характеристики ТП становятся нелинейными и неоднозначными, появляется зона нечувствительности 
(«люфт» в характеристике управления), что необходимо учитывать 
при проектировании глубоко регулируемых электроприводов. 

Реверсивные преобразователи с совместным согласованным 
управлением обеспечивают высокие динамические свойства электропривода, и их целесообразно применять в приводе вспомогательных 
механизмов (например, нажимных устройств), имеющем небольшие 
мощности. 

Реверсивные преобразователи с раздельным управлением 
выполняют с запиранием неработающего моста, поэтому уравнительный ток отсутствует и дроссели в цепи уравнительного контура 
не устанавливают. Основным функциональным узлом таких ТП является логическое переключающее устройство. 

Переключение работающего и неработающего мостов производится при отсутствии тока в силовой цепи с выдержкой времени 
5 ... 10 мс. Как и при несогласованном совместном управлении, при 
раздельном управлении в регулировочной характеристике появляется зона нечувствительности. 

ТП с раздельным управлением применяется в главных приводах прокатных станов. 

1.3. Защита преобразователей 

ТП имеют защиту от внутренних коротких замыканий при 
пробоях тиристоров; от коротких замыканий на стороне переменного 
и постоянного тока; от перенапряжений на стороне переменного и 
постоянного тока. 

Защита при коротких замыканиях осуществляется быстродействующими 
предохранителями 
типа 
ППБ-5, 
включенными 
последовательно с каждым тиристором; автоматическими воздушными выключателями типа A3 700 либо ВАБ-43; системой срыва 

8 

управляющих импульсов; в ТП серии КТУ при аварийном отключении одновременно со снятием управляющих импульсов происходит 
также принудительное гашение проводящих тиристоров. 

Защита ТП от перенапряжений осуществляется R-C-цепями, 
включенными параллельно тиристорам, и R-C-фильтром, подключаемым на вход преобразователя к питающей сети. 

1.4. Расчет сглаживающего дросселя 

Особенность работы двигателя при питании от ТП заключается в 
наличии пульсаций выпрямленного напряжения и тока. Последний вызывает ухудшение коммутации машины и может увеличивать ее нагрев. 

Современные компенсированные двигатели средней и большой мощности допускают величину пульсаций тока 2% от 
номинального значения /„. Для уменьшения пульсаций выпрямленного тока последовательно с якорем включают сглаживающий 
дроссель, индуктивность которого для преобразователей с раздельным управлением определяется по формуле 

^др= 0 , 0 0 4 4 - ^ - 4 , 
(1-1) 

где 
t/н, /н - номинальные напряжение и ток двигателя; 
и 
- индуктивность якоря. 

Индуктивность якоря определяют по формуле Уманского: 

L = c 
^ , 
(1.2) 

где 
с 
- коэффициент, с = 0,1 ... 0,25 - для компенсированных двигателей (меньшая величина для тихоходных двигателей); 
с = 0,6 - для некомпенсированных машин; 
п, - номинальная частота вращения двигателя; 
р 
-число пар полюсов. 

По расчетной индуктивности и номинальному току двигателя 
выбирают сглаживающий дроссель типа ФРОС (прил. 6) так, чтобы 

4 Р < 4 , / Н < / Н . Д Р , 

где 
и /н. др - номинальные индуктивность и ток дросселя. 

9 

1.5. Выбор типа преобразователя 

Для питания двигателей главных приводов прокатных станов 
применяют преобразователи с раздельным управлением. 

Двигатели главных приводов реверсивных прокатных станов 
питаются от реверсивных ТП типа ТВР, ТПРЗ и др. (см. прил. 2, 5). В 
главных приводах непрерывных станов применяют также реверсивные ТП типа ТВР или ТПРЗ, но группа тиристоров, обеспечивающая 
вращение двигателя «назад», выполняется на ток в два раза меньше 
номинального тока группы тиристоров, обеспечивающей вращение 
двигателя «вперед», например, ТВР - 5000/2500 - 825 У4. 

Питание двухъякорных двигателей осуществляется от специальных ТП, например, ТПРЗ - 2 х ^ ^ / 8 2 5 Т, 
в которых два 

2500/ 

реверсивных агрегата включены в «восьмеричную» схему (см. прил. 5). 

Преобразователи с совместным управлением применяют для 
питания двигателей вспомогательных механизмов прокатных станов 
с высоким быстродействием (нажимные устройства, летучие ножницы и т.д.). 

Выбор серийных тиристорных преобразователей для питания 
электроприводов постоянного тока производится на основании номинальных напряжения U^ и тока 4 двигателя. 

Напряжение ТП выбирается таким, чтобы обеспечить определенный запас на регулирование и возможность безопасного 
инвертирования. В соответствии с этим номинальное выпрямленное 
напряжение ТП должно быть больше номинального напряжения двигателя {U,^>U^), при этом следует руководствоваться следующими 
соотношениями этих напряжений: 

при^/н = 220В 
t/,H = 230B; 
при t/^ = 600 В 
t/.^ = 660 В; 

t/н^ЗЗОВ 
t/.H = 345B; 
t/^ = 750 В 
t/.^ = 825 В; 

t/, = 440B 
t/,, = 460B, 
t/, = 930B 
t/,,= 1050B. 

В соответствии с номинальным выпрямленным напряжением 
производят предварительный выбор ТП так, чтобы /,, > /,. 

Поминальный ток и напряжение выпрямительного агрегата 
являются условными понятиями. При выборе агрегата по этим величинам для конкретной нагрузки необходимо проверить выбранный 
ТП по напряжению, нагреву и перегрузочной способности. 

10 

в главных приводах реверсивных станов напряжение ТП 
должно обеспечить номинальную скорость двигателя при токе нагрузки, равном 2 • 4 (в соответствии с перегрузочной способностью 
ТП). Условие правильного выбора по напряжению: 

£,о-2-4-(^?,п+^др+^я)^^н, 
(1-3) 

где 
Е,, - максимальная величина выпрямленной ЭДС идеального 
преобразователя, для трехфазной мостовой схемы выпрямления 

£^0=1,34-^^, 
(1.4) 

где 
t/л -линейное напряжение вентильных обмоток трансформатора, выбирается по номинальному напряжению ТП: 

npnt/,H = 220B 
t4 = 205B, 
при t/.^ = 825 В 
Ц, = 710В, 
t/,H = 460B 
t4 = 400B, 
t/,H=1050B 
Ц, = 900 В. 

t/,H = 660B 
t4 = 570B, 

R^^^R^+^^ 
+ Q^S-^^-^, 
(1.5) 

где 
i^xn - эквивалентное сопротивление ТП; 
R, -сопротивление 
трансформатора, 
можно 
принять 

i?, = 0,02-^^J/^^; 

Ш,- падение напряжения в преобразователе, А^, » 0,01 •^,,; 
ек - ЭДС короткого замыкания трансформатора с учетом реактивности питающей сети, ек = 10 %; 
R,, - сопротивление сглаживающего дросселя, 

^др=4^' 
(1.6) 

здесь АР - потери мощности в дросселе; 

К^ -сопротивление якорной цепи двигателя (приводится в 

каталогах); 
Е^ - номинальная ЭДС двигателя: 
E^^U^-R^-I^. 
В главных приводах непрерывных станов горячей и холодной 
прокатки определяющим является режим наброса нагрузки (захват 
металла валками). В этом случае запас напряжения необходим для 
покрытия потерь напряжения в ТП и ЭДС самоиндукции: 

11 

где/. 
-суммарная индуктивность, определенная из условия 2
процентных пульсаций выпрямленного тока, L = 0,0044 • ^ ; 
4 
dl/dt- скорость нарастания тока при набросе нагрузки (А/с) для 
современных двигателей, 

dl/dt^30-l^. 
(1.8) 

Проверка выбранного ТП по нагреву производится на основании эквивалентного тока по известному графику нагрузки. 
Эквивалентный ток можно определить по эквивалентному моменту, 
который определяется при расчете мощности двигателя: 

1^^^^^^^^^, 
(1.9) 

где 
Смн - коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя, при постоянном потоке, 

с„, =9,55-с,„ 

где 
Сен - коэффициент ЭДС при постоянном потоке. 

Коэффициент Сен определяется из формулы скорости: 

С е . н = ^ ^ - ^ , 
(1.10) 

где R, -сопротивление якорной цепи при рабочей температуре; 
«н - номинальная частота вращения. 

Условие правильного выбора ТП по нагреву: 

-^-й^Н — -^-ЭКВ
Выбираем из графика нагрузки максимальный момент и определяем максимальный ток: 1^ = ^^^^а^. 

Выбранный ТП проходит по перегрузочной способности при 
условии, что 

Р т п ^ — , 
(1-11) 

где 
/?гп - перегрузочная способность ТП. 

12