Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Частотно-регулируемый электропривод (ЧРП)



Скорость асинхронных двигателей пропорциональна частоте напряжения питающей сети. Таким образом, изменение скорости вращения двигателя может быть достигнуто путём изменения частоты потребляемого напряжения. С другой стороны, момент двигателя пропорционален магнитному потоку в воздушном зазоре двигателя. Последний, в свою очередь, пропорционален питающему напряжению и обратно пропорционален частоте питающего напряжения. Таким образом, момент двигателя может быть изменён путём подстройки питающего напряжения под любую требуемую частоту.

 

Для получения постоянного момента АД при изменяющихся скоростях, необходимо иметь источник энергии с регулируемыми напряжением и частотой, который будет поддерживать постоянным отношение U / f=const, где U - напряжение питающей сети; f - частота.

 

Самый известный способ получения этого типа энергии - это преобразование переменного тока на промышленной частоте 50 Гц в постоянный ток с помощью выпрямителя, а затем обратно в переменный ток при помощи инвертора. В этой схеме напряжение регулируется выпрямителем, а частота инвертором.

 

Функциональная схема частотно-регулируемого электропривода показана на рисунке.

 

Основными элементами частотно-регулируемого привода являются выпрямитель, инвертор, асинхронный или синхронный двигатель, программируемый микроконтроллер. В добавление к перечисленному используются индуктивности и (или) ёмкости для стабилизации выхода выпрямителя и минимизации уровня высших гармоник.

 

Когда большая индуктивность соединена последовательно с выходом выпрямителя, то такая система называется инвертором тока. Когда же большая ёмкость соединена параллельно с выходом выпрямителя - то это инвертор напряжения.

 

В дополнение используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). В этой схеме применяется неуправляемый выпрямитель, а переменный ток с регулируемой частотой и регулируемым уровнем напряжения формируется инвертором. ШИМ уменьшает содержание гармоник на выходе инвертора путём улучшения формы кривой тока инвертора тока или формы напряжения на выходе инвертора напряжения.

 

Сумма свойств, включая некоторые преимущества и недостатки трёх типов частотно-регулируемых электроприводов, показаны в таблице.

 

 

Частотный способ регулирования обеспечивает:

 

· плавное регулирование скорости двигателя в широком диапазоне в обе стороны от номинальной;

· жесткие искусственные характеристики;

· постоянную перегрузочную способность.

 

 

 

Для обеспечения требуемых характеристик двигателя одновременно с изменением частоты необходимо изменять и величину питающего напряжения в зависимости от характера изменения нагрузки:

· лифтовая нагрузка

;

· вентиляторная нагрузка

;

· тяговая нагрузка

;

· линейная нагрузка

.

 

Кроме этого применяются электроприводы с непосредственным преобразованием частоты, они имеют ряд достоинств:

· однократное преобразование энергии и, следовательно, высокий КПД;

· свободный обмен реактивной и активной энергией из сети к двигателю и обратно;

· отсутствие коммутирующих конденсаторов.

 

 

К недостаткам относятся:

· ограниченный диапазон регулирования выходной частоты;

· сравнительно большое число силовых вентилей.

 

Используются циклоинверторы для плавного регулирования частоты вращения тихоходных двигателей.

 

Международный консорциум «Энергосбережение» (МКЭ), созданный ведущими предприятиями электротехнической промышленности Украины, России и Белоруссии в 1995 г., разработал и освоил серийное производство на ряде заводов СНГ серии энергосберегающих электроприводов РЭН мощностью до 1000 кВт, построенных по схеме автономного инвертора АИН на IGBT транзисторах.

 

Для оптимизации работы пары ПЧ-насос, например, электропривод Unidrive VТС имеет квадратичную характеристику U/f, каторая позволяет преобразователю "подстроиться" под механизм и управлять им по оптимальной характеристике, сводя к минимуму потери энергии. При снижении нагрузки на валу двигателя и, соответственно, уменьшении тока статора, преобразователь снижает напряжение двигателя, сохраняя частоту неизменной. При этом уменьшаются потери энергии в статоре двигателя.

 

При возрастании нагрузки на валу двигателя процесс протекает в обратной последовательности и ПЧ возвращается на номинальную характеристику.

 

Из функций, необходимых при управлении насосами и вентиляторами, следует также отметить возможность "подхвата" вращающегося двигателя и возможность автоматического перезапуска при исчезновении питания. Преобразователь может перезапускаться до 5 раз с задержкой перед включением до 25 секунд, что достаточно для подавляющего большинства насосов и вентиляторов.

 

Преобразователь имеет 3 пропускаемых частоты, настраиваемых пользователем и позволяющих избежать резонанса в механизме и двигателе.

 

Для обеспечения повышенного пускового момента в приводах Unidrive VТС предусмотрена возможность форсировки напряжения на низких частотах вращения. Благодаря увеличению напряжения на обмотке статора двигателя момент, развиваемый двигателем, также увеличивается, позволяя стронуть механизм с повышенным пусковым моментом.

 

Сфера применения частотно-регулируемого электропривода:

· насосы холодной и горячей воды (от подкачек до магистральных);

· компрессоры, воздуходувки, вентиляторы систем охлаждения, тягодутьевые вентиляторы котлов;

· рольганги, конвейеры, транспортеры и другие транспортировочные устройства;

· дробильное оборудование, мешалки, экструдеры;

· центрифуги различных типов;

· линии производства металлического листа, пленки, картона, бумаги и других ленточных материалов;

· буровое оборудование (насосное, подъемное);

· устройства откачки нефти из скважин (станки-качалки, погружные насосы и пр.);

· электродвижение и вспомогательные механизмы речного и морского транспорта;

· краны (от тельферов до мостовых);

· металлообрабатывающие станки, пилы, прессы и другое технологическое оборудование;

· высокооборотные (до 90000 об/мин) механизмы: шпиндели шлифовальных станков и др.

 

 

2.4. Асинхронный электропривод с фазным управлением (ТРН-АД)

 

 

Тиристорный регулятор напряжения (ТРН) выполняется по схеме встречно-параллельно включенных тиристоров и используется для регулирования напряжения и обеспечения "мягкого" пуска двигателя.

 

Исходя из фактического коэффициента загрузки kЗ минимальное напряжение регулятора должно составлять с учетом коэффициента запаса (1,2¸1,3)

 

.

 

Если статический момент механизма имеет вид МС1, то запуск и последующая работа двигателя возможны при напряжении UЗ. Если статический момент имеет вид МС2, то запуск производиться при напряжении U1 с последующим переходом на напряжение UЗ.

 

 

 

Для определения экономической эффективности регуляторов напряжения необходимо знать фактический ток работы двигателя IФ. Исходя из номинального тока двигателя определяем загрузку двигателя по току

 

.

 

Для любой мощности можно вычислить величину k3 и по графику определить экономию мощности DP. Умножая полученную величину на номинальную мощность двигателя и годовое число использования двигателя, получим годовую экономию энергии.

 

Примером таких устройств могут служить аппараты "мягкого пуска" серии SIKOSTART фирмы "Siemens", обеспечивающие для двигателей мощностью до 710 кВт управление эффективным значением напряжения на клеммах двигателя. Наряду с многочисленными возможностями настройки для мягкого старта (роста напряжения, ограничения тока, пускового импульса и т.п.), которые позволяют согласование с различными видами нагрузки (насос, вентилятор) в аппарат введены дополнительные функции управления после старта и во время отключения (торможение).

 

В СНГ выпускаются тиристорные пусковые устройства мощностью 75-400 кВт (УПТ-2), которые обеспечивают плавный разгон двигателя под нагрузкой с ограничением пускового тока до 4Iном, бездуговую коммутацию асинхронного двигателя к сети (функция контактора), защиту двигателя от перегрузки, обрыва фазы, короткого замыкания, повышения напряжения, превышения допустимой температуры обмоток и подшипников, пуск механизмов с повышенным моментом трогания (более 2Мном), безударное закрытие клапанов обратного хода в гидравлических системах (плавная остановка двигателя насоса), контроль изоляции обмоток двигателя, принудительное торможение электродвигателя.

 

Вентильный двигатель (ВД)

 

 

 

Одним из наиболее перспективных и универсальных типов электроприводов с синхронными машинами является бесколлекторный или бесконтактный вентильный двигатель, в котором регулирование скорости и момента осуществляется подводимым напряжением, током возбуждения и углом опережения включения вентилей при самоуправлении по частоте питания. Он обладает регулировочными качествами машин постоянного тока и надёжностью систем переменного тока.

 

Надежность обычного СД выше надежности любой другой машины, а по стоимости она уступает только асинхронной с короткозамкнутым ротором. Бесконтактность СД обеспечивается как обычным способом (с помощью бесщеточных систем возбуждения с вращающимися выпрямителями), так и новыми (применением постоянных магнитов на роторе, когтеобразного ротора и обмотки возбуждения на статоре и т.д.).

 

Ввиду простоты наибольшее распространение получили вентильные двигатели постоянного (а) и переменного тока (б) с преобразователями, работающими в режиме источника тока.

 

В отличие от частотно-регулируемого привода, в вентильном двигателе коммутация тиристоров осуществляется за счет ЭДС двигателя (машинная). Машинная коммутация позволяет отказаться от высоковольтных громоздких реактивных элементов в инверторе. Это значительно упрощает схему и уменьшает ее габаритную мощность, и в конечном итоге улучшает качество преобразования энергии. Но при пуске и низких скоростях происходит срыв коммутации из-за отсутствия или малой величины ЭДС. В вентильном двигателе постоянного тока возможны следующие способы пуска:

· асинхронный;

· с искусственной коммутацией;

· с принудительной коммутацией.

 

 

Первый способ при своей кажущейся простоте имеет серьезные недостатки - пуск неуправляемый и необходимы переключения в силовых, как правило, высоковольтных цепях.

 

Второй способ пуска предусматривает применение автономного инвертора, в котором используется реактивная энергия коммутирующих элементов (емкостей и дросселей). В этом случае заметно усложняется схема, увеличиваются вес и стоимость инвертора.

 

Третий способ пуска с принудительной коммутацией осуществляется отсечкой управляющих импульсов или цикличным переводом выпрямителя в инверторный режим на время коммутации тиристоров инвертора. Этот способ требует минимальных затрат. Характерными недостатками являются уменьшение пускового момента двигателя и некоторое увеличение потребляемой реактивной мощности.

Пуск с принудительной коммутацией выполняется также в схеме с неуправляемым выпрямителем. Инвертор в этом случае осуществляет широтно-импульсное регулирование напряжения. Этот способ требует применения в инверторе транзисторов или запираемых тиристоров.

 

Наиболее просто проблема пуска решается в системе с циклоконвертором (б), в которой функции выпрямления и инвертирования выполняют одни и те же тиристоры, чем достигается преобразование напряжения и частоты источника непосредственно в напряжение и частоту двигателя. Такая система содержит большее число тиристоров, чем преобразователь со звеном постоянного тока, но благодаря отсутствию пусковых устройств, однократному преобразованию энергии и уменьшению теплового тока тиристора она экономична и надежна.

 

В схеме с циклоконвертором естественная коммутация осуществляется во всем скоростном диапазоне работы ВД как между тиристорами в работающих группах, так и между тиристорами однополярных групп. Последнее происходит при совпадении во времени сигналов на переключение фаз сети и двигателя. Машинная коммутация выполняется за счет ЭДС двигателя между тиристорами однополярных групп при частотах выше 0,1...0,15 частоты вращения двигателя.

 

 

Реверсирование ВД осуществляется просто и возможно двумя путями:

· увеличение угла опережения больше 900;

· реверсированием двух фаз сигналов с ДПР.

 

 

 

 

 

Полоса пропускания коммутатора ВД регулируется изменением угла опережения b0 или b (углы между током и соответственно ЭДС холостого хода и напряжением машины). Существуют следующие способы управления коммутатором ВД:

· b0=const;

· b=const;

· b0=b0min=f(g, q) при d=dmin=const;

· b=bmin=f(g) при d=dmin=const,

где b0=b+q; q — угол нагрузки синхронной машины; b=g+d; g — угол коммутации (учитывает коммутационное перекрытие фаз); d — угол запаса (учитывает погрешность системы управления и время восстановления запирающих свойств тиристоров).

 

При способе управления b=const угол опережения остается постоянным во всех режимах работы привода и рассчитывается в соответствии с максимальной величиной нагрузки. При этом току холостого хода соответствует наибольшее значение угла запаса (40...50°), хотя для восстановления запирающих свойств тиристоров достаточно иметь 3...5°.

 

Если угол опережения поддерживать постоянным, то cosj зависит от нагрузки

,

и синхронный двигатель работает с наибольшим коэффициентом мощности и наилучшими энергетическими показателями только в номинальном режиме. Во всех других режимах, т.е. с уменьшением нагрузки, привод работает с ухудшенными энергетическими показателями.

 

Наоборот, выполнение способа управления bmin=f(g) при dmin обеспечивает работу СД с максимальной величиной коэффициента мощности

,

 

т.е. с минимальным потреблением реактивной энергии, и наилучшими энерге­тическими показателями при всех возможных значениях частот машинной коммутации и моментов нагрузки. При реальных углах коммутации и малом времени восстановления вентилей коэффициент мощности стремится к единице, а КПД вентильного двигателя к КПД синхронного двигателя.

 

 

Вентильно-индукторный двигатель (ВИД)

 

 

Вентильно-индукторный двигатель, одна из возможных схем которого показана на рисунке, состоит из специальной четырехфазной электрической машины, электронного коммутатора на силовых транзисторных модулях и блока микроконтроллерного управления.

 

 

У индукторной машины (ИМ) магнитная индукция в каждой точке рабочего зазора изменяется только по величине, а ее направление остается постоянным. Отсюда следует, что индукция в зазоре индукторных машин имеет пульсирующий характер и содержит переменную (рабочую) и постоянную (нерабочую) составляющие. Изменение во времени магнитного потока, сцепленного с обмоткой якоря, достигается за счет периодического изменения магнитного сопротивления на пути рабочего потока при вращении зубчатого ротора. Так как число зубцов на роторе можно сделать большим, ИМ характеризуется повышенными частотами тока (f » 400…30000 Гц).

 

Статор и ротор электрической машины выполнены шихтованными явнополюсными, причем число полюсов статора и ротора неодинаково: 6/4, 8/6 и т.д. На статоре расположены сосредоточенные обмотки (катушки), соединенные через электронный коммутатор с источником питания постоянного тока (выпрямитель, аккумулятор).

 

Коммутатор состоит из группы электронных ключей, открытое или закрытое состояние которых диктуется положением пассивного явнополюсного ротора, фиксируемых специальным датчиком и сигналами микропроцессорного управления, за счет чего формируются нужные токи в обмотках.

 

Принцип действия привода основан на магнитном притяжении ближайшего полюса ротора к активизированному индуктору – полюсу статора с катушкой. Так, переключение тока с катушки А статора, к которой был притянут полюс a ротора, на катушку В статора (по часовой стрелке) приведет к повороту ротора, такому, что к полюсу В притянется ближайший полюс b ротора (против часовой стрелки). Повторение указанных переключений, диктуемое датчиками фактического положения ротора, приведет к непрерывному вращению с требуемой частотой.

 

Таким образом, электромеханическое преобразование энергии (создание момента) в таком приводе основано на принудительном изменением магнитного сопротивления RM по угловой координате машины q за счет переключения токов в катушках статора. Изменение магнитного сопротивления обусловливает создание момента

 

Формирование в каждый момент времени токов нужной величины обеспечивает плавность движения при достижении требуемых моментов с малыми пульсациями. Формирование токов производится посредством широтно – импульсной модуляции, осуществляемой сигналами микропроцессорного устройства, подаваемыми на основные ключи коммутатора. Качественное функционирование привода при предельно простой машине достигается за счет совершенных ключей коммутатора и развитой системы микропроцессорного управления.

 

К преимуществам ВИД относятся:

· высокая технологичность и за счет этого низкая трудоемкость производства двигателя (простая конфигурация магнитной системы, отсутствие коллектора, беличьей клетки, постоянных магнитов, машинная намотка катушек);

· экономия активных материалов до 30%, использование лишь недефицитных и недорогих материалов (не используются дорогостоящие редкоземельные магниты);

· низкая себестоимость машины – в 1,7 – 2 раза ниже себестоимости самого дешевого асинхронного короткозамкнутого двигателя (по оценкам западных специалистов);

· экологическая чистота производства (отсутствует вредная для окружающей среды операция пропитки статора в целом, пропитываются лишь катушки) и утилизации (легко разделяются железо и медь, отсутствуют вредные в переработке редкоземельные магниты);

· упрощенная и более надежная по сравнению с преобразователем частоты для асинхронного электропривода схема и конструкция силового коммутатора за счет однополярной коммутации;

· широкие функциональные возможности – работа в зоне низких (десятки – сотни об/мин) или высоких (десятки тысяч об/мин) частот вращения с широким диапазоном регулирования и большими моментами в зоне низких частот;

· высокие энергетические показатели, не уступающие ближайшим аналогам;

· высокая надежность привода в целом;

 

По зарубежным данным некоторые показатели трех типов электроприводов для машины с высотой вала 112 мм приведены в таблице.

Тип электропривода Номинальная мощность, кВт Номинальная мощность к oбъему актив-ных атериалов КПД
Постоянного тока Асинхронный Вентильно-индукторный 1,2 1,7

 

Совокупность свойств вентильно-индукторного привода позволяет прогнозировать наиболее перспективные области его применения в ближайшие годы:

· электрический транспорт, в частности автономный, с аккумуляторным питанием, а также городской;

· центробежные машины – вентиляторы, насосы, где ВИД может революционно изменить привычные конструктивы и режимы, дать заметный эффект в сфере энерго- и ресурсосбережения;

· станки, другие обрабатывающие машины;

· бытовая техника.

 

Весьма интересны перспективы встраивания элементов ВИД в технологические машины – мотор-колесо, крыльчатка вентилятора, совмещенная с ротором обращенной машины и т.п.

 

 




Поиск по сайту:







©2015-2020 mykonspekts.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.