Изучение работы преобразователей частоты
Министерство образования и науки Российской Федерации
Филиал федерального государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего профессионального образования
Уфимский государственный нефтяной технический университет
(Филиал ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате)
Электрический привод
Изучение работы преобразователей частоты
Отчет по лабораторной работе № 1
ЭАПП-140400.65-3.01.00 ЛР
Исполнитель:
студент гр. БАЭзс-11-21 С.А.Жуков
Руководитель:
ст. преподаватель А. В. Самородов
Салават 2014
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ
1 Цель работы
Изучение конструкции, принципа действия и приобретение навыков работы на лабораторной установке на базе комплектного электропривода переменного тока типа FR-Е 540 MITSUBSHI ELECTRIC.
2 Программа работы
а) изучение конструкции и принципа действия лабораторной установки;
б) изучение конструкции, принципа действия и паспортных технических характеристик преобразователей частоты типа FR-Е 540;
в) расчет дополнительных технических характеристик преобразователей частоты типа FR-Е 540;
г) изучение методов работы на лабораторной установке и исследования систем электропривода переменного тока;
д) проведение экспериментов и обработка результатов экспериментов.
3 Назначение, устройство и принцип действия лабораторной установки
Лабораторная установка предназначена для исследования замкнутых систем электропривода переменного тока. Она состоит из двух лабораторных стендов № 4 и № 5, которые имеют одинаковую конструкцию, одинаковые схемы электрических соединений и принцип действия.
Силовая электрическая схема лабораторных стендов изображена на рисунке 1. В их состав входят комплектные электроприводы переменного тока типа FR-Е 540 (в дальнейшем просто преобразователи частоты) и асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Преобразователи частоты подключаются к сети трехфазного переменного тока напряжением 380 В с помощью автоматического выключателя QF2, который находятся в силовом распределительном пункте СП1. Включение преобразователя частоты в работу производится с помощью магнитных пускателей КМ4 и КМ5.
Преобразователи частоты смонтированы с лицевой стороны щита контроля и управления лабораторного стенда. Асинхронные двигатели входят в состав электромеханических систем, каждая из которых состоит из трех электрических машин, связанных между собой механическим валом. Это исследуемые двигатели переменного и постоянного тока, а также нагрузочный генератор постоянного тока. В лабораторном стенде предусмотрено измерение активной мощности, напряжения и тока асинхронного двигателя с помощью щитовых электроизмерительных приборов. Измерение частоты выходного напряжения преобразователя частоты производится по его цифровому индикатору и с помощью щитового электроизмерительного прибора, который подключен к соответствующему выходу преобразователя частоты. Рядом с каждым преобразователем с левой стороны расположены органы внешнего управления (тумблер «Пуск» и две кнопки для изменения частоты выходного напряжения «Больше» и «Меньше»).
Рисунок 1 – Электрическая схема лабораторного стенда
Нагрузкой каждого из генераторов постоянного тока служат пять электрических ламп накаливания EL1…EL5, включение которых осуществляется с помощью переключателей SA1…SA5. Лампы накаливания EL1…EL5 распложены с задней стороны щита контроля и управления, а переключатели SA1…SA5 находятся на его лицевой стороне.
4 Назначение, устройство и принцип действия преобразователя
частоты FR-Е 540
Преобразователи частоты фирмы MITSUBISHI ELECTRIC типа FR-Е 540 предназначены для преобразования переменного напряжения промышленной частоты в переменное напряжение регулируемой частоты и используются в системах автоматизированного электропривода производственных механизмов для регулирования их скорости вращения и других координат электропривода. В состав преобразователей частоты входят управляемый выпрямитель, автономный инвертор тока, системы управления выпрямителем и инвертором, системы автоматического регулирования выходного тока и напряжения.
Преобразователи частоты выполнены в виде прямоугольного корпуса. Задняя часть корпуса представляет собой охлаждающий радиатор из алюминиевого сплава, на котором с внутренней стороны установлены силовые элементы преобразователя. Спереди к радиатору закреплен контейнер, который закрывает силовые элементы и в котором расположены электронные блоки управления. На передней панели корпуса расположены крышка опционного порта, крышка пульта управления и шильдик с названием. На правой боковой поверхности находится табличка с основными номинальными данными преобразователя частоты.
Передняя панель съемная. Под ней находятся разъем пульта управления, индикаторы «Включено» и «Неисправность», клеммные блоки для подсоединения цепей управления и силовых цепей, гнездо перемычки для изменения логики управления. К разъему пульта управления можно подключить пульт типа FR-РА 02 или порт интерфейсной связи RS-485.
Расположение клемм показаны на рисунках 2 и 3.
Рисунок 2 – Расположение силовых клемм
|
RH
|
|
A
|
|
|
RM
|
|
B
|
|
|
RL
|
|
C
|
|
|
MRS
|
|
10
|
|
|
RES
|
|
2
|
|
|
SD
|
|
5
|
|
|
AM
|
|
4
|
|
|
PC
|
|
SD
|
|
|
SE
|
|
STF
|
|
|
RUN
|
|
STR
|
|
|
FU
|
|
SD
|
|
Рисунок 3 – Расположение клемм цепей управления
Назначение и описание силовых клемм приведено в таблице 1, а назначение и описание клемм цепей управления приведено в таблице 2.
Пульт управления FR–РА 02 предназначен для управления преобразователем частоты, задания выходной частоты, выбора, установки и изменения параметров настройки, также для просмотра режимов работы, сообщения об ошибках и срабатывании защит.
Пульт управления состоит из панели и поворотной крышки, внешний вид которых изображен на рисунке 4.
Таблица 1 – Назначение и описание силовых клемм
|
Обозначение
|
Название клеммы
|
Описание
|
|
L1, L2, L3
|
Клеммы сетевого питания
|
Подключение к стандартным источникам питания:
U = 380 В; f = 50 Гц
|
|
U, V, W
|
Выходы преобразователя
|
Подключение трехфазного асинхронного двигателя
|
|
+, РR
|
Тормозной резистор
|
Подключение тормозного резистора для реализации динамического торможения
|
|
Продолжение таблицы 1
|
|
+, РU
|
Дроссель
|
Подключение реактора FR-BEL. При этом удаляется перемычка +, РU
|
|
|
Клемма заземления
|
Необходимо обязательное заземление преобразователя частоты
|
|
+, –
|
Блок торможения
|
Подключение блока торможения FR-ВИ, рекуператора мощности FR-FC или конвертора коррекции мощности FR-НС
|
Таблица 2 – Назначение и описание клемм цепей управления
|
Обозначение
|
Название
|
Описание
|
|
STF
|
Пуск в прямом направлении
|
Сигнал STF подается для пуска двигателя в прямом направлении и снимается для его останова
|
|
STR
|
Пуск в обратном направлении
|
Сигнал STR подается для пуска двигателя в обратном направлении и снимается для его останова
|
|
RH, RM, RL
|
Многоскоростной режим
|
Сигналы RH, RM и RL используются для выбора уставок скорости
|
|
MRS
|
Отключение выхода преобразователя
|
Сигнал MRS подается на время 20 мс и более для отключения выхода преобразователя, например, при работе с электромагнитным тормозом
|
|
RES
|
Сброс
|
Сигнал RES подается на время 0,1 с и более для сброса защит
|
|
SD
|
Общий вход
«Отрицательная логика»
|
Используется для подачи команд при выборе отрицательной логики управления. Общей точкой для напряжения 24 В (0,1 А) является клемма РС
|
|
PC
|
«Положительная логика», 24 В
|
Используется как источник сигнала 24 В (0,1 А) и для выдачи команд при выборе положительной логики
|
|
10
|
Опорное напряжение задатчика частоты
|
5 В постоянного тока (10 мА)
|
|
2
|
Задание частоты (напряжение)
|
Выходная частота пропорциональна напряжению на входе. Максимальная частота достигается при 5 В (10 В). Входное сопротивление 10 кОм.
Допустимое напряжение 20 В
|
|
4
|
Задание частоты (ток)
|
Выходная частота пропорциональна входному току (4…20 мА). Максимальная частота соответствует 20 мА. Входное сопротивление 250 Ом. Допустимый ток 30 мА.
|
|
Продолжение таблицы 2
|
|
5
|
Общий сигналов задания
|
Общий сигналов задания частоты (клеммы 2, 10, 4) и сигнала на выходе АМ
|
|
A, B, C
|
Сигнал аварии (выход)
|
Нормальное состояние контактов В и С – замкнутое,
А и В – разомкнутое. При срабатывании защит преобразователя состояние контактов изменяется на противоположное.
Нагрузочная способность контактов – 200 В (0,3 А) переменного тока или 30 В (0,3 А) постоянного тока.
|
|
FU
|
Выход «Контроль частоты»
|
Сигнал FU имеет низкий уровень, если выходная частота достигла или превысила заданную величину. Допустимая нагрузка 24 В (0,1 А).
|
|
SE
|
Общий сигналов RUN и FU
|
Общий выход транзисторных ключей с открытым коллектором.
|
|
FM
|
Аналоговый выходной сигнал
|
Выходной сигнал пропорционален подводимой величине. Диапазон изменения 0…10 В, допустимый ток 1 мА.
|
|
|
Соединитель RS-485
|
Интерфейсная связь RS-485
Стандарт EIA, RS-485
Формат передачи Multi-drop
Скорость передачи max 19200 бод/с
Протяженность линии до 500 м
|
|
RUN
|
Сигнал «Работа»
|
Сигнал RUN имеет низкий уровень при работе на частотах выше стартовой и высокий уровень при останове или торможении. Допустимая нагрузочная способность 24 В (0,1 А).
|
Назначение и описание кнопок управления приведено в таблице 3.
Назначение и описание световых индикаторов приведено в таблице 4.
Преобразователи частоты имеют паспортные технические характеристики:
а) номинальная мощность, кВт;
б) номинальный ток, А;
в) номинальное напряжение питания, В;
|
|
Цифровой Световые
индикатор индикаторы
|
|
|
Цифровой Световые
индикатор индикаторы
|
|
|
|
|
Нz RUN
A MON
PU EXT
|
|
|
|
Hz RUN
A MON
PU EXT
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
MODE
|
SET
|
REV
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RUN
|
STOP
RESET
|
|
|
|
FWD
|
STOP
RESET
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Крышка пульта управления Пульт управления
Рисунок 4 – Внешний вид крышки и панели управления
Таблица 3 – Назначение и описание кнопок управления
|
Кнопки
|
Назначение и описание
|
|
RUN
|
Выдача команды старта
|
|
MOD
|
Изменение режимов работы и установки параметров
|
|
SET
|
Установка частоты и параметров
|
|
/
|
Изменение частоты вверх и вниз. Изменение значения программируемого параметра в режиме программирования
|
|
FWD
|
Выбор прямого направления вращения
|
|
REV
|
Выбор реверсного направления вращения
|
|
STOP
RESET
|
Выдача команды останова. Сброс при перезапуске после срабатывания защит преобразователя
|
Таблица 4 – Назначение и описание световых индикаторов
|
Индикаторы
|
Назначение и описание
|
|
Hz
|
Горит при индикации частоты на цифровом индикаторе
|
|
A
|
Горит при индикации тока на цифровом индикаторе
|
|
RUN
|
Горит при вращении вперед и мигает при реверсном вращении
|
|
MON
|
Горит в режиме индикации
|
|
PU
|
Горит при работе от пульта управления
|
|
EXT
|
Горит в режиме внешнего управления
|
д) диапазон регулирования частоты выходного напряжения, Гц;
е) закон частотного управления;
ж) диапазон изменения управляющего сигнала, В или мА;
з) коэффициент полезного действия;
и) коэффициент мощности;
к) точность регулирования частоты выходного напряжения, Гц;
л) габаритные размеры (высота, ширина, глубина), мм;
м) масса, кг.
Кроме этого, в технических документах приводится схема подключения преобразователя частоты к внешним электрическим цепям, степень защиты и требования к монтажу и помехоустойчивости.
5 Методы работы на лабораторной установке
Для обеспечения успешной и безаварийной работы на лабораторной установке по исследованию систем электропривода переменного тока студенты должны освоить выполнение следующих операций:
а) подготовка, включение и опробование работы лабораторных стендов;
б) подготовка, включение и опробование работы комплектных электроприводов переменного тока типа FR-Е 540.
Подготовка, включение и опробование работы лабораторных стендов ЛС4 и ЛС5 производится в следующей последовательности:
а) подается напряжение для собственных нужд лабораторных стендов с помощью автоматического выключателя QF4 в силовом пункте СП2;
б) выбираются для выполнения работы лабораторные стенды и производится включение сигнальных ламп с помощью тумблеров на щитах контроля и управления рабочих лабораторных стендов;
в) подается силовое напряжение питания на лабораторные стенды ЛС4 и ЛС5 с помощью автоматического выключателя QF2 в силовом пункте СП1.
Подготовка, включение и опробование работы комплектных электроприводов переменного тока типа FR-Е 540 производится в следующей последовательности:
а) на рабочем лабораторном стенде с помощью магнитного пускателя КМ4 (или КМ5) подается электропитание на преобразователь частоты. Начинает работать вентилятор преобразователя частоты и загораются цифровой и световые индикаторы;
б) с помощью тумблера «Пуск» на щите управления подается команда «Вращение вперед». На цифровом индикаторе устанавливается значение частоты, равное 5 Гц, и асинхронный двигатель начинает вращаться с малой скоростью, соответствующей данной частоте;
в) с помощью кнопки «Больше» на щите управления производится плавное увеличение частоты выходного напряжения преобразователя частоты до значения 50 Гц. При этом скорость вращения асинхронного двигателя плавно увеличивается до максимальной величины;
г) с помощью кнопки «Меньше» на щите управления производится плавное уменьшение частоты выходного напряжения преобразователя частоты до значения 5 Гц. При этом скорость вращения асинхронного двигателя плавно уменьшается до минимальной величины;
д) производится повторение операций в соответствии пунктам в и г. При этом необходимо задать 4 значения частоты выходного напряжения преобразователя и произвести измерения активной мощности, напряжения, тока и скорости вращения;
е) производится включение неуправляемого выпрямителя ВН2 и подаётся напряжение на обмотки возбуждения генераторов рабочих лабораторных стендов с помощью соответствующих автоматических выключателей на щитах управления;
ж) производится повторение операций в соответствии с пунктом д, но при работе преобразователей частоты под нагрузкой. Для этой цели на каждой частоте вращения к выходу нагрузочного генератора производится поочередное подключение ламп накаливания с помощью переключателей на щитах управления. Затем нагрузочные лампы накаливания поочерёдно отключаются.
После завершения операций по опробованию работы лабораторной установки и комплектного электропривода переменного тока типа FR-Е 540 производится их плановое отключение в следующей последовательности:
а) отключаются все лампы накаливания от нагрузочного генератора;
б) частота выходного напряжения преобразователя уменьшается до 5 Гц;
в) отключается напряжение питания обмоток возбуждения генераторов;
г) отключается напряжение питания преобразователей частоты;
д) снимается сигнализация работы лабораторных стендов;
е) выключается неуправляемый выпрямитель ВН2;
ж) отключается напряжение питания лабораторных стендов ЛС4 и ЛС5 с помощью автоматического выключателя QF2 в СП1;
з) отключается напряжение собственных нужд лабораторных стендов с помощью автоматического выключателя QF4 в СП2.
6 Выполнение лабораторной работы
Выполнение данной лабораторной работы производится в следующей последовательности:
а) производится изучение конструкции и принципа действия лабораторной установки и лабораторного стенда;
б) производится изучение устройства и принципа действия комплектных электроприводов переменного тока типа FR-Е 540. В отчете приводится схема внешних подключений преобразователя частоты;
в) производится изучение устройства и принципа действия пульта управления FR-РА02 преобразователя частоты;
г) производится изучение методов работы на лабораторной установке и выполняются все операции по подготовке, включению и опробованию работы преобразователей частоты. В отчете приводится описание выполняемых операций;
Результаты расчетов заносятся в ту же таблицу, в которой находятся полученные экспериментальные данные.
По результатам экспериментов и расчетов построить графики электромеханических = f(Iя) и механических = f(М) характеристик замкнутой системы электропривода переменного тока.
7 Результаты измерений
Определим скорость вращения двигателя:
, (1)
где n – скорость вращения ротора, об/мин; n = 30f.
Определим момент вращения:
. (2)
Скольжение определим по формуле:
. (3)
Полученные результаты занесли в таблицы 5 и 6.
Таблица 5 - Холостой ход электродвигателя
|
Частота, Гц
|
P, кВт
|
U, В
|
I, А
|
|
5
|
0,04
|
0
|
1
|
|
15
|
0,08
|
25
|
1
|
|
25
|
0,16
|
130
|
1,2
|
|
35
|
0,28
|
225
|
1,5
|
|
45
|
0,44
|
345
|
2,25
|
|
50
|
0,58
|
410
|
3
|
Таблица 6 - Работа электродвигателя под нагрузкой
|
Частота, Гц
|
P, кВт
|
U, В
|
I, А
|
Iн
|
Uн
|
|
5
|
0,04
|
5
|
1
|
0,2
|
5
|
|
|
0,04
|
5
|
1
|
0,5
|
5
|
|
|
0,04
|
5
|
1
|
1
|
5
|
|
|
0,04
|
5
|
1,1
|
1,1
|
5
|
|
|
0,04
|
5
|
1,2
|
1,2
|
5
|
|
15
|
0,08
|
25
|
1,01
|
0,8
|
25
|
|
|
0,09
|
25
|
1,1
|
1,01
|
25
|
|
|
0,09
|
25
|
1,25
|
1,25
|
25
|
|
|
0,1
|
25
|
1,28
|
1,28
|
25
|
|
|
0,11
|
25
|
1,5
|
1,75
|
25
|
|
25
|
0,11
|
130
|
1,25
|
0,9
|
60
|
|
|
0,2
|
130
|
1,25
|
1,2
|
60
|
|
|
0,2
|
130
|
1,27
|
1,5
|
60
|
|
|
0,24
|
130
|
1,29
|
2
|
58
|
|
|
0,26
|
130
|
1,5
|
2,5
|
58
|
|
35
|
0,28
|
225
|
1,5
|
1
|
80
|
|
|
0,32
|
225
|
1,6
|
1,6
|
80
|
|
|
0,4
|
225
|
1,6
|
1,7
|
80
|
|
|
0,4
|
225
|
1,7
|
2,27
|
80
|
|
|
0,44
|
225
|
1,75
|
2,75
|
80
|
|
45
|
0,46
|
345
|
2,25
|
1
|
105
|
|
|
0,52
|
345
|
2,25
|
1,5
|
105
|
|
|
0,58
|
345
|
2,26
|
2,2
|
105
|
|
|
0,6
|
345
|
2,26
|
2,6
|
105
|
|
|
0,64
|
345
|
2,27
|
3
|
105
|
|
50
|
0,64
|
410
|
3
|
1,2
|
115
|
|
|
0,68
|
410
|
3
|
1,5
|
115
|
|
|
0,72
|
410
|
3
|
2
|
115
|
|
|
0,8
|
410
|
3
|
2,75
|
115
|
|
|
0,84
|
410
|
3
|
3,2
|
115
|
На рисунке 5 представлена механическая характеристика электродвигателя
Рисунок 5 – Механическая характеристика электродвигателя
На рисунке 6 представлена зависимость = f(Iя)
Рисунок 6 – Зависимость тока якоря от скорости вращения двигателя
8 Контрольные вопросы
1 Конструкция и принцип действия лабораторной установки
2 Конструкция и принцип действия лабораторных стендов
3 Конструкция и принцип действия преобразователей частоты FR-Е 540
4 Методика подготовки лабораторной установки к работе
5 Методика включения и отключения лабораторной установки
6 Методика включения и отключения преобразователей частоты
7 Методика опробования работы лабораторной установки
8 Методика опробования работы преобразователей частоты
9 Методика проведения простейших исследований статических характеристик преобразователей частоты
10 Основные технические данные преобразователей частоты
11 Назначение входов-выходов преобразователей частоты
Изучение работы преобразователей частоты