Вибір раціональних режимів роботи й експлуатації технологічних
установок і електропривода.
Вибір способу регулювання швидкості при
постійному навантаженні
У регульованому електроприводі при зміні
швидкості має місце зміна навантаження двигуна. В той же час для повного
використання двигуна його потужність повинна бути вибрана так, щоб навантаження
при роботі на новій швидкості не перевершувало допустимої за умовами нагріву.
Досягається це вибором відповідного способу регулювання, при якому дотримується
дана умова.
Способи регулювання швидкості по умові
допустимого навантаження діляться на дві групи:
· регулювання при постійному моменті
(зміна напруги на якорі ДПТ або статорі СД, зміна опору в роторі АД або якорі
ДПТ, в деяких каскадних схемах, у вентильному двигуні);
· регулювання при постійній потужності
(ослаблення магнітного потоку ДПТ, зміна числа пар полюсів АД , в деяких
каскадних схемах).
Для вибору мінімального по габариту
двигуна і забезпечення його повного використання по нагріву необхідно, щоб
спосіб регулювання його швидкості по показнику допустимого навантаження відповідав
залежності навантаження від швидкості. При навантаженні вигляду Мс =
const доцільне використання способів регулювання при постійному моменті, а
при Pс = const – при постійній потужності.
Підвищення завантаження електроприводу.
Виключення режиму.
Підвищення завантаження електроприводу
до номінального значення і максимально можливе виключення режиму холостого ходу
дозволяє понизити енергоспоживання за рахунок збільшення ККД і коефіцієнта
потужності приводу.
При коефіцієнті навантаження, меншому,
ніж 0,4...0,5, необхідна заміна на двигун меншої потужності. Якщо (0,4...0,5)
£ kЗ £ (0,7...0,75), доцільність заміни повинна бути
підтверджена зменшенням сумарних втрат енергії в двигуні і в мережі
Режим холостого ходу приводу є
економічно недоцільним, оскільки приводить до необгрунтованого споживання
активної енергії
W = Pх tх
де Pх – потужність,
споживана з мережі на неодруженому ходу за час tх.
Крім того, збільшуються втрати енергії
при передачі зайвої реактивної потужності. Орієнтовне споживання реактивної
енергії Q у функції коефіцієнта завантаження при Qх
= 0,4 Pн представлене на рис.1.
Ріс.1.
Вибір раціонального типу електроприводу
Вибір раціонального типу електроприводу
для конкретної технологічної установки включає також:
· аналіз умов експлуатації і розробку
технічних вимог до електроприводу;
· аналіз перспективних варіантів систем
електроприводів, їх техніко-економічне порівняння і вибір раціонального типу
приводу.
Вимоги до електроприводу розробляються
на основі вимог технологічного процесу з урахуванням умов експлуатації, при
цьому необхідно:
· визначити можливість використання
нерегульованих систем приводу, як найбільш простих, надійних, економічних і
дешевих;
· розглянути можливість створення
безредукторного приводу, а в межі об'єднання виконавського органу з приводним
двигуном в єдину конструкцію;
· визначити режими пуску, гальмування і
зупинки (плавний, ступінчастий або прямий пуск, вид гальмівного режиму і так
далі);
· у разі вимоги технологічного
регулювання швидкості слід з'ясувати необхідний діапазон регулювання;
· по діаграмі навантаження визначити тип
теплового режиму експлуатації (S1...S8);
· встановити доцільність використання
багаторухового приводу для механізмів з неповним навантаженням і механізмів, у
яких з часом продуктивність або потужність машини зростатиме;
· сформулювати вимоги до системи защит і
блокувань;
· встановити термін служби
електроприводу, вимоги до надійності роботи устаткування, необхідність
резервування і так далі
При виборі типу
електроприводу перевагу слід віддавати системам
електроприводу змінного струму по наступних причинах:
· електроенергія виробляється і передається
споживачам в основному на змінному струмі;
· електродвигуни постійного струму по
габаритах, вазі і вартості в 1,5...2,5 разу перевищують двигуни змінного струму
тієї ж потужності і частоти обертання;
· надійність ДПТ зважаючи на наявність
колекторно-щіткового вузла і майже повної відсутності закритого виконання
значно нижча, ніж у двигунів змінного струму;
· момент інерції ДПТ в 1.5....1,7 разу
вище, ніж у АД з короткозамкнутим ротором, що обумовлює вищу швидкодію систем
приводу змінного струму;
· енергетичні показники і регулювальні
властивості систем змінного струму з перетворювачами тиристорів не гірші, ніж у
приводів постійного струму. Наприклад, перевантажувальна здатність у приводів з
синхронними двигунами вище, ніж у двигуна постійного струму;
· вартість статичних перетворювачів для
ДПТ приблизно дорівнює вартості перетворювачів для приводів змінного струму, а
система генератор-двигун постійного струму по вазі і вартості в 1,5...2,0 разу
перевершує вагу і вартість перетворювачів тієї ж потужності, причому ККД
системи Г–Д на 10...20% нижче.
Використання приводів
постійного струму може бути виправдане тільки для:
· випадків, коли в місці установки
приводу вже є регульоване джерело постійного струму;
· випадків, коли відсутні системи
приводу, що серійно випускаються. Наприклад, альтернативою безредукторному
тихохідному приводу постійного струму є вентильний двигун з синхронною машиною,
який, проте, серійно в достатньому діапазоні потужностей не випускається;
· машин і механізмів, де за умовами
експлуатації (із-за підвищеного рівня вібрації) електроприводи із статичними
перетворювачами по надійності поступаються системі Г–Д (наприклад,
екскаватори);
· у підйомно-транспортних машинах з
потенційним характером навантаження, коли з метою економії енергії двигун
тривалий час працює в режимі рекуперативного гальмування (механізми кранів,
підйомні лебідки і так далі).
·
Частотний перетворювач в комплекті з
асинхронним електродвигуном може застосовуватися для заміни приводів постійного
струму. В цьому випадку значно знижуються експлуатаційні витрати, підвищується
перевантажувальна здатність, а відповідно і надійність системи. Застосування
регульованого частотного електроприводу дозволяє зберігати енергію шляхом усунення
непродуктивних витрат енергії в дросельних заслінках, механічних муфтах і інших
регулюючих пристроях. При цьому економія прямо пропорційна непродуктивним
витратам і може досягати 80%.
Частотно-регульований
привід дозволяє економити на непродуктивних витратах
енергії, крім того він має функцію енергозбереження. Ця функція дозволяє при
виконанні тієї ж роботи економити ще від 5 до 30% електроенергії шляхом
підтримки електродвигуна в режимі оптимального ККД. У режимі енергозбереження
перетворювач автоматично відстежує споживання струму, розраховує навантаження і
знижує вихідну напругу. Таким чином, знижуються втрати в обмотках двигуна і
збільшується його ККД. Режим енергозбереження добре підходить для наступних
завдань:
· управління швидкістю обертання вентиляторів
і насосів;
· управління устаткуванням із змінним
навантаженням;
· управління машинами, які велику
частину часу працюють з малим навантаженням.
Одним з головних об'єктів роботи по
енергозбереженню є системи водо і теплопостачання. Основні напрями економії:
· скорочення витрати електроенергії на
роботу устаткування;
· скорочення невиробничих втрат теплоти
і води.
Технічний і
економічний ефект при використанні частотно-регульованого електроприводу
досягається:
· за рахунок введення зворотного зв'язку
по регульованому параметру (тиску, температурі, частоті обертання, зусиллю).
При цьому привід дозволяє автоматично регулювати потужність, споживану
електродвигуном залежно від заданої користувачем програми;
· за рахунок використання режимів
"м'якого" пуску і зупинки двигуна;
· за рахунок зниження витрат на
установку додаткової регулюючої арматури;
· за рахунок скорочення експлуатаційних
витрат.
Переваги
частотно-регульованого електроприводу наступні:
· заощадження енергії;
· краща керованість (великий діапазон
регулювання, висока швидкодія, велике прискорення і гальмування, можливість
управління декількома приводами, хороша сумісність, плавний пуск);
· покращувана якість продукції;
· підвищена якість устаткування;
· зменшення витрат на обслуговування;
· можливість удосконалення;
· менший час простоїв;
· пристосовність до агресивного
середовища.
Проте є також і недоліки:
· високі капітальні витрати;
· значні величини гармонік струму і
напруги;
· необхідність застосування спеціальної
фільтрації і ізолюючих трансформаторів;
· велика складність;
· необхідність додаткового простору для
електроніки;
· скорочується термін служби двигуна.
Сфера застосування
частотно-регульованого електроприводу:
· насоси холодної і гарячої води (від
підкачок до магістральних);
· компресори, повітродувки, вентилятори
систем охолоджування, тягодутьевые вентилятори казанів;
· рольганги, конвеєри, транспортери і
інші пристрої транспортувань;
· дробильне устаткування, мішалки,
екструдери;
· центрифуги різних типів;
· лінії виробництва металевого листа,
плівки, картону, паперу і інших стрічкових матеріалів;
· бурове устаткування (насосне,
підйомне);
· пристрої відкачування нафти зі
свердловин (верстати-гойдалки, погружные насоси і ін.);
· електрорух і допоміжні механізми
річкового і морського транспорту;
· крани (від тельферів до мостових);
· металообробні верстати, пили, преси і
інше технологічне устаткування;
· високооборотні (до 90000 об/хв)
механізми: шпінделі шліфувальних верстатів і ін.
Основними
типами регульованих асинхронних електроприводів з короткозамкнутими двигунами
є:
·
частотно – регульований електропривод, що дозволяє задовольнити найвищі вимоги
по діапазону і якості регулювання швидкості і відробітку складних законів руху;
·
система з реалізацією енергії ковзання – асихронно-вентильний каскад АВК;
·
система регулятор тиристора напруги – асинхронний двигун ТРН-АД, призначена для
масових електроприводів з керованими пускотормозными режимами, режимами
короткочасного зниження швидкості.
Швидкість
асинхронних двигунів практично пропорційна частоті напруги живлячої мережі.
Таким чином, зміна швидкості обертання двигуна може бути досягнуте шляхом зміни
частоти споживаної напруги. З іншого боку, момент двигуна пропорційний
магнітному потоку в повітряному зазорі двигуна. Останній, у свою чергу,
пропорційний живлячій напрузі і назад пропорційний частоті живлячої напруги. Таким
чином, момент двигуна може бути змінений шляхом підстроювання живлячої напруги
під будь-яку необхідну частоту.
Відповідно,
використовуючи двигун змінного струму для отримання постійного моменту при
швидкостях, що змінюються, необхідно мати джерело енергії з регульованою
напругою і регульованою частотою, який підтримуватиме постійним відношення
Найвідоміший
спосіб отримання цього типу енергії - це перетворення змінного струму на
промисловій частоті 50 Гц в постійний струм за допомогою випрямляча, а потім
назад в змінний струм за допомогою інвертора. У цій схемі напруга регулюється
випрямлячем, а частота інвертором.
Основними
елементами частотно-регульованого приводу є випрямляч, інвертор, асинхронний
або синхронний двигун, програмований мікроконтролер. На додаток до
перерахованого використовуються індуктивності і (або) ємкості для стабілізації
виходу випрямляча і мінімізації рівня вищих гармонік.
Коли
велика індуктивність сполучена послідовно з виходом випрямляча, він називається
стабілізатором струму або «джерелом». Така система називається інвертор з
джерелом струму (current-source inverter - CSI). Коли ж велика ємкість
сполучена паралельно з виходом випрямляча - те це інвертор з джерелом напруги
(VSI).
Узагальнена
функціональна схема частотно-регульованого електропривода показана на малюнку 2.
Мал.2.
Системи
частотно-регульованого електроприводу можуть бути класифіковані за
типом двигуна і за типом перетворювача.
Частотно-регульований
електропривод з асинхронним двигуном:
·
з інвертором струму;
·
з інвертором напруги.
Частотно-регульований
електропривод з синхронним двигуном:
·
з інвертором струму, часто званим інвертором з комутованим навантаженням
(load-commutated inverter - LCI);
Керованими
компонентами при реалізації методу є складові струму статора в системі
координат, що обертаються. При цьому розрізняють пряме і непряме векторне
управління. Існують багато модифікацій систем векторного управління. Зокрема,
просторовий вектор обчислюється мікроконтролером з використанням моделі, що
враховує параметри конкретного типу двигуна, наприклад, активних опорів ротора,
статора, індуктивності розсіяння і ін. Одночасно враховується інформація, що
поступає з датчика швидкості двигуна.
На
додаток використовується техніка, відома як широко-імпульсна модуляція ШІМ
(PWM). У цій схемі застосовується некерований випрямляч, а змінний струм з регульованою
частотою і регульованим рівнем напруги формується інвертором. ШІМ зменшує зміст
гармонік на виході інвертора шляхом поліпшення форми кривою струму інвертора
струму або форми напруги на виході інвертора напруги. ШИМ до недавнього часу
використовувалася при малих потужностях, але зараз використовується і в
могутніх частотно-регульованих електроприводах. Можна упевнено сказати, що ШІМ
стає домінуючою технологією в частотно-регульованому електроприводі.
Для
забезпечення швидкодії електроприводу в перехідних процесах розроблений метод
просторового векторного управління, званий також управлінням з орієнтацією
магнітного поля. Цей метод заснований на управлінні двома складовими поля
статора, одна з яких забезпечує потік в повітряному зазорі двигуна, а інша –
момент на його валу. В результаті стає можливим швидко змінювати значення
моменту в широкому діапазоні швидкостей. Індукційний двигун при такому способі
управління стає подібний до двигуна постійного струму з незалежним збудженням.
При
будь-якому способі управління за допомогою значення і частоти живлячої напруги
в системі електроприводу необхідно мати перетворювач частоти, який може бути
виконаний на основі різних схем. До появи нового покоління приладів силової
електроніки для цих цілей переважно використовувалися перетворювачі тиристорів
частоти з безпосереднім зв'язком з мережею електроживлення (циклоконверторы) і
рідше – перетворювачі з явно вираженою ланкою постійного струму із структурою
випрямляч-інвертор.
При
використанні звичайних тиристорів інвертор напруги виконується по схемі з
примусовою комутацією. Перетворювачі тиристорів володіють рядом значних
недоліків, які істотно знижують техніко-економічні показники електроприводу в
цілому. До таких недоліків відносять, перш за все, украй низькі массогабаритные
питомі показники і наявність вищих гармонік у вихідній напрузі, зниженню яких
методами ШІМ важко частотними характеристиками тиристорів. Тому для ефективного
управління асинхронним електроприводом малої і середньої потужності
використовують інвертори напруги на IGBT – транзисторах з робочою частотою,
лежачою за переділами звукового діапазону.
Масове
виробництво перетворювачів для електроприводу на основі сучасних
двохопераційних приладів освоєне практично всіма ведучими електротехнічними
компаніями миру. При цьому різноманіттю існуючих перетворювачів властиве
використання як силова схема однієї і тієї ж класичної структури. трифазний
мостовий некерований (нерегульований) випрямляч В, LC – фільтр
Ф ланки постійного струму, трифазний мостовий автономний інвертор напруги АІН з
широтно-імпульсною модуляцією ШІМ.
Комментариев нет:
Отправить комментарий