Удк 621. 313 Расширение сферы использования регулируемого icon

Удк 621. 313 Расширение сферы использования регулируемого




Скачати 154.26 Kb.
НазваУдк 621. 313 Расширение сферы использования регулируемого
Дата11.10.2012
Розмір154.26 Kb.
ТипДокументи

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ



УДК 621.313

РАСШИРЕНИЕ СФЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО

ПО НАПРЯЖЕНИЮ АСИНХРОННОГО ПРИВОДА

Юхименко М.Ю., Гладырь А.И.

Кременчугский государственный политехнический университет

Институт электромеханики, энергосбережения и компьютерных технологий


Гомилко В.И.

ЗАО “Научно-технический центр “Информационные системы”, Кременчуг

Введение. Большое разнообразие технических объектов, приводимых в движение электроприводом, широкий диапазон мощности и скорости вращения приводит к соответствующему разнообразию структурных, конструктивных, схемотехнических решений, применяемых в различных системах электропривода.

Наиболее распространенному в промышленности электроприводу с асинхронными двигателями (АД) с короткозамкнутым ротором присущи малая управляемость и низкие динамические свойства. Малая управляемость обусловлена невозможностью изменения скорости в широком диапазоне при постоянной частоте питающей сети, а также трудностями реализации режимов плавного пуска, точной остановки, позиционирования и отработки малых перемещений, а возникающие при коммутации знакопеременные электромагнитные моменты существенно ухудшают переходные режимы.

^ Цель работы. Целью работы является анализ возможности повышения управляемости АД путем улучшения характеристик регулирования скорости и момента двигателя, снижение знакопеременных моментов двигателя в динамических режимах и анализ возможностей расширения сферы использования регулируемого по напряжению асинхронного электропривода.

^ Материалы и результаты исследования. В настоящее время существует и постоянно увеличивается число промышленных машин и механизмов, которые работают в повторно-кратковременных или интенсивных динамических режимах (частых пусков, торможений, реверсирования, повторных включений и т.п.), в тяжелых условиях пуска (разгона больших маховых масс на протяжении значительного промежутка времени), в режимах регуляции частоты вращения или управления необходимыми режимами работы и движения по заданным законам, тахо- и циклограммам и другими требованиями современного сложного производства.

В этих условиях использование регулируемого электропривода (РЭП) во всех отраслях промышленности, сельском и коммунальном хозяйствах, на транспорте обеспечивает решение следующих важных задач:

  • комплексной механизации и автоматизации производства;

  • совершенствования существующих и разработки новых технологических процессов;

  • снижения себестоимости, повышения качества и конкурентоспособности продукции;

  • рационального использования и сохранения ресурсов и электроэнергии;

  • достижения оптимальных и согласованных режимов работы разнообразного оборудования, машин и механизмов в сложном современном производстве;

  • повышение надежности и увеличение сроков их безотказной работы;

  • снижение количества выпуска недоброкачественной и бракованной продукции;

  • уменьшение расходов на ремонт и эксплуатацию.

По указанным причинам доля РЭП в промышленности США составляет 40%, а в ФРГ - 50% [11]. Для этого используются все возможные варианты РЭП независимо от их сложности и цены. Такое значительное внимание, которое уделяется зарубежными специалистами РЭП, объясняется тем, что без него невозможна реализация современных технологических процессов, высокое качество продукции и эффективности (получение прибыли). Экономическая эффективность от перечисленных показателей значительно (на два-три порядка) выше, чем эффективность от повышения энергетических показателей (коэффициентов мощности и полезного действия). Поэтому при выборе типа РЭП в каждом конкретном случае на первый план выдвигаются его преимущества, хотя и энергетические показатели также учитываются.

В то же время доля регулируемого РЭП в странах СНГ составляет несколько процентов. Этим объясняется невысокий уровень качества продукции и значительные энергозатраты на ее изготовление.

Для решения задач регулирования скорости АД с короткозамкнутым ротором, в настоящее время наибольшее применение получили следующие способы регулирования: изменением частоты питающего напряжения, амплитуды питающего напряжения, числа пар полюсов статора (табл. 1).



Таблица 1 -

Способы регулирования асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором



п/п

Система

привода

Рекомендуемый диапазон применения

Достоинства

Недостатки

1

Система с тиристорным преобразователем частоты (со звеном постоянного тока и непосредственным преобразованием частоты)

до 1000 кВт

КПД более 0,8 во всех режимах регулирования


Стоимость преобразователей значительно (в 5-6 раз) превышает стоимость двигателя

Жесткие регулировочные характеристики во всех режимах регулирования

Сложность управления и наладки схем

Возможность повышения частоты вращения двигателя выше номинальной (выше частоты питающей сети)

Необходимость увеличения установленной мощности асинхронного двигателя вследствие увеличения потерь при питании несинусоидальными напряжением и током

2

Система с многоскоростными двигателями (переключение пар полюсов)

До 40 кВт

КПД более 0,9 во всех режимах регулирования

Стоимость многоскоростного двигателя в 1,7 раза выше обычного;

Высокий коэффициент мощности во всех режимах регулирования

Возможна потеря устойчивости центробежными насосами при ступенчатом регулировании

3

Система с регулированием напряжения на зажимах статорных обмоток (автотрансформатором, дросселями насыщения, магнитными усилителями, реостатом, тиристорным регулятором напряжения)

до 100 кВт

Низкая стоимость дополнительного оборудования

Энергия скольжения рассеивается непосредственно в двигателе

Малые габаритные размеры

Возникновение субгармонических колебаний системы с частотой 3-5 Гц при критическом скольжении менее 20 % и тиристорном регулировании напряжения

Высокая надежность вследствие отсутствия скользящих контактов


Системы привода с использованием многоскоростных асинхронных двигателей находят применение для технологических механизмов, по условиям эксплуатации которых ступенчатое регулирование скорости является допустимым и составляют незначительную часть от общего количества АД.

Основную часть регулируемого асинхронного электропривода составляют системы, содержащие статические полупроводниковые преобразователи. Даже в тех случаях, когда не требуется изменение скорости, применение таких преобразователей позволяет расширить функциональные возможности электропривода (повышение пускового момента, ограничение токов, повышение уровня защиты и диагностики, большая надежность работы). Как правило, необходимость регулирования скорости или момента электроприводов производственных механизмов диктуется требованиями технологического процесса, но может дать и существенную экономию энергии и материальных ресурсов. При неполной загрузке рабочей машины работа привода с постоянной скоростью характеризуется повышенным удельным расходом электроэнергии по сравнению с номинальным режимом.

Кроме того, использование электропривода с регуляторами напряжения в цепи статора АД может быть рекомендовано для всех механизмов с незначительным диапазоном изменения скорости, для получения кратковременных сниженных частот вращения турбомеханизмов, намоточных машин, для кранов, подъемников, транспортно-складского оборудования, других машин и механизмов разнообразного назначения.

С другой стороны, в ряде случаев выдвигаются необоснованные требования использовать системы привода с плавным регулированием с большим диапазоном регулирования для этих установок. В то же время достаточно большой диапазон регулирования производительности, например, для механизмов с вентиляторным характером нагрузки (рис. 1), можно получить при диапазоне изменения скорости, не превышающем 20 % [2].

frame1

При разработке схемотехнических решений силового канала асинхронного электропривода и алгоритмов управления приходится учитывать особенности, характерные для любого типа электродвигателя, как нагрузки преобразователя:

  • сильно индуктивный характер;

  • наличие противо-ЭДС вращения;

  • возможные кратковременные, но многократные перегрузки по току;

  • близость начального этапа пуска к режиму короткого замыкания;

  • рекуперация механической энергии в динамических и тормозных режимах;

  • взаимосвязь электрических и магнитных контуров разных фаз.

Дополнительно следует иметь ввиду, что разнообразие требований к электроприводу (номинальные значения, диапазон, точность и плавность регулирования скорости, способы защиты и управления) не позволяет пока создать полностью универсальное решение.

Одна из причин, по которой развитие РЭП в нашей стране в течение значительного времени (20-30 лет) не нашло должного развития, состоит в том, что преобладало мнение, что проблема создания РЭП успешно решается разработкой тиристорных преобразователей частоты (ТПЧ). При этом предполагалось, что для РЭП с ТПЧ смогут быть применены короткозамкнутые АД общепромышленного исполнения. Однако наряду с достоинствами РЭП по схеме ТПЧ-АД (при использовании АД с короткозамкнутым ротором) имеют место недостатки [8], заслуживающие отдельного рассмотрения.

При работе двигателя в режиме частых пусков и торможений большое значение имеют условия формирования пусковых и тормозных моментов. Механические характеристики асинхронного двигателя при питании от преобразователя частоты, работающего в режиме автономного источника напряжения, снижают критический момент в зоне малых частот. При этом существенное влияние оказывает активное сопротивление обмотки фазы статора r1 [6]. Для увеличения момента в зоне малых частот приходится повышать напряжение на статоре.

К другим недостаткам преобразователей частоты относятся: уменьшение коэффициента мощности системы ПЧ–АД, это означает увеличение реактивной составляющей входного тока и, как следствие, суммарного тока, потребляемого системой ПЧ–АД из сети. Причиной этого являются высшие гармоники тока, а именно 5-я, 7-я, 11-я, 13-я, 17-я, 19-я гармоники, генерируемые неуправляемым выпрямителем. То есть в сети будут циркулировать, кроме токов основной частоты 50 Гц, токи с частотами 250, 350, 550, 650, 850, 950 Гц. Выражения (1) и (2) иллюстрируют негативное влияние данного явления.

, (1)


, (2)

где:  – коэффициент мощности системы ПЧ–АД;

P – активная мощность, потребляемая из сети системой ПЧ–АД;

S – полная мощность, потребляемая из сети системой ПЧ–АД;

U1 – действующее значение первой гармоники напряжения;

I1 – действующее значение первой гармоники тока;

сos  – коэффициент мощности АД при питании его от промышленной сети;

IS – действующее значение суммарного тока;

In – действующее значение n-гармоники тока.

Это вызывает необходимость установки мощных фильтров для обеспечения электромагнитной совместимости электропривода с сетью, что повышает стоимость и габариты преобразователя; в связи с высокочастотной модуляцией ускоряется процесс старения изоляции обмоток двигателя, а также появляются дополнительные потери в двигателе.

Другим широко распространенным видом статических преобразователей в асинхронном электроприводе являются тиристорные регуляторы напряжения (ТРН).

ТРН - традиционная система плавного пуска и управления АД путем регулирования действующего значения питающего напряжения посредством фазоимпульсного управления встречно-параллельными тиристорами в каждой фазе регулятора. Система ТРН-АД обеспечивает пуск асинхронного двигателя с ограничением пускового тока до уровня 2...3 номинальных значений. При этом, по сравнению с прямым пуском, уменьшаются электродинамические усилия в обмотках и связанное с ним механическое повреждение их изоляции. Однако данная система обладает существенным недостатком - значительное энерговыделение в двигателе в процессе пуска. Это явление объясняется тем, что физические процессы в двигателе такие же, как и при прямом пуске, поскольку частота напряжения на зажимах статорных обмоток двигателя равна частоте питающей сети. Простое снижение тока статора приводит к уменьшению момента двигателя по сравнению с режимом прямого пуска. Момент уменьшается в квадрате снижения тока в каждой точке характеристики. Снижение момента приводит к существенному увеличению времени пуска и, следовательно, к увеличению энергии потерь. Дополнительные потери вызываются протеканием токов 5-й гармоники по статорным обмоткам. Некоторое улучшение характеристик ТРН дает применение т.н. «квазичастотного» способа управления, при котором первая гармоника выходного напряжения имеет частоту ниже частоты сети и пульсации момента меньше. Это мероприятие дает положительный результат, так как позволяет осуществить предпусковую прокрутку агрегата при частотах 0 - 0,7 Гц [5]. Однако пуск АД все равно происходит в режиме «подтягивания» частоты вращения двигателя к выходной частоте ТРН. К тому же, реализовать такой способ управления трехфазным регулятором напряжения удается только до частоты 5-7 Гц, а далее приходится переходить на обычное регулирование напряжения частоты 50 Гц. Использование квазичастотного способа управления целесообразно при пуске нагруженных двигателей.

А


а)



б)

Рисунок 2 - Характеристики системы ТРН – АД в режиме квазичастотного управления:

а) - изменение момента; б) - изменение угловой скорости
нализ характеристик системы ТРН-АД при работе в режиме квазичастотного управления (рис. 2) показывает, что, несмотря на перспективность разработок систем ТРН-АД с возможностью квазичастотного управления, их широкое внедрение требует устранения или, по крайней мере, ограничения имеющихся негативных особенностей подобных преобразователей:

  • значительные пульсации момента М(t) (рис. 2, а);

  • неравномерность угловой скорости (t) (рис. 2, б);

  • негативное влияние на питающую сеть и, как следствие, на соседних потребителей;

  • повышенный уровень вибрации, вызванный знакопеременными моментами;

  • повышенный уровень нагрева от высших гармоник;

  • ограниченные возможности формирования требуемых характеристик M(t) без отрицательных участков.

Результаты моделирования (рис. 2) позволяют сделать вывод о целесообразности использования систем ТРН-АД с возможностью квазичастотного управления при формировании заданных пусковых характеристик в условиях тяжелого пуска АД. Однако для реализации этих возможностей необходимо обеспечить с помощью СУ автоматическое регулирование угла  при изменении частоты и момента сопротивления Мс [4].

Как показано в работе [10], асинхронные двигатели общепромышленного исполнения являются малочувствительными к искажению формы питающего напряжения высокими гармоническими, за исключением третьей и кратных ей. Поэтому перспективными являются законы регулирования напряжения, позволяющие получить спектр кривой выходного напряжения без третьей и кратных ей гармоник [1, 3].

При этом задача улучшения спектра выходного напряжения преобразователя требуют выполнения схем регуляторов на вентилях с полным управлением, чтобы иметь возможность включать и выключать их в желаемые моменты времени. На рис. 3 представлены схемы преобразователей на ключах, позволяющие реализовать широтно-импульсное регулирование переменного напряжения.

frame3


Схема регулятора на рис. 3, а позволяет регулировать выходное напряжение вниз от номинального методом однократного или многократного широтно-импульсного управления, кривые выходных напряжений для которых приведены соответственно на рис. 4, а, б. При этом ключи К1 и К2 работают в противофазе, так что все время такта Тт существует цепь для протекания тока нагрузки, содержащей индуктивность. Схема регулятора на рис. 3, б позволяет выполнять комбинированное регулирование переменного напряжения как за счет амплитудной, так и за счет широтно-импульсной модуляции. Противофазное переключение ключей К1 и К2 обеспечивает переключение мгновенного значения выходного напряжения регулятора между уровнями U1 и U2, как видно из рис. 4, в. При необходимости уменьшения выходного напряжения регулятора ниже значения U2, в противофазе начинают переключаться ключи К2 и К3, обеспечивая многократное широтно-импульсное регулирование выходного напряжения, аналогично рис. 4, б. На основе этих принципов используют широтно-импульсное регулирование на несущей частоте, значительно превышающей (в число раз, называемое кратностью коммутации – Кт) частоту выходного напряжения. Это смещает гармоники напряжения, обусловленные регулированием, в область более высоких частот, что облегчает их фильтрацию на нагрузке [6].

frame4

Ключевые элементы для цепей регуляторов переменного напряжения могут реализовываться или встречно-параллельным включением полностью управляемых тиристоров – GTO-тиристоров, или диодно-транзисторными комбинациями, показанными на рис. 5. В схеме ключа на рис. 5, а на транзистор с диодного моста всегда поступает напряжение только необходимой (рабочей) полярности для коллекторного перехода транзистора. В схемах ключей на рис. 5, б, в нерабочая полярность напряжения на транзисторе снимается последовательными или параллельными диодами соответственно.

frame5

При наличии у источника входного напряжения собственной индуктивности это требует установки входного LC-фильтра. Например, при многократном широтно-импульсном способе регулирования выходного напряжения, при частоте коммутации в несколько килогерц, форма тока iн в нагрузке регулятора будет практически синусоидальной. При этом форма тока на входе регулятора будет иметь вид, представленный на рис. 6.

frame6

Регуляторы трехфазного напряжения с широтно – импульсным регулированием получают путем объединения трех однофазных регуляторов. При этом, используя свойство связности трехфазных нагрузок без нулевого провода, можно упростить схемы трехфазных регуляторов по сравнению с прямым суммированием однофазных регуляторов. При этом формы токов в фазах регулятора такие же, как у однофазных регуляторов, только с соответствующим временным сдвигом между фазами.

Выводы. Переход от нерегулируемого асинхронного электропривода к регулируемому, при имеющихся установленных АД общепромышленного исполнения, в условиях ограниченного диапазона изменения скорости вращения, целесообразно реализовать с использованием регуляторов напряжения в цепи статора. Наиболее простые и дешевые регуляторы с фазовым способом регулирования переменного напряжения и естественной коммутацией выполняются на вентилях с неполным управлением (тиристорах), но они имеют пониженное качество выходного напряжения и потребляемого из сети тока.

Для улучшения динамических свойств привода и гармонического состава тока и напряжения более предпочтительно использование регуляторов с широтно-импульсными способами управления. Такие регуляторы выполняются на вентилях с полным управлением, являются более сложными и дорогими, чем ТРН или регуляторы с вольтодобавкой, но дешевле преобразователей частоты со звеном постоянного тока и могут обеспечивать достаточно высокое качество выходного напряжения и потребляемого тока во всем диапазоне регулирования.

ЛИТЕРАТУРА


  1. Браславский И.Я., Валек В.М. Расчет статических характеристик асинхронного привода с ШИП в статорных цепях // Реферативный научно- техн. сб.: Электротехническая промышленность. Сер. привод, 1978, №4, С. 4-6.

  2. Бармин А., Ташлицкий М. Преобразователи частоты фирмы Siemens // СТА 4/2000. - С. 7-19

  3. Глазенко Т.А., Хрисанов В.И. Полупроводниковые системы импульсного асинхронного электропривода малой мощности. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1983. – 176 с.

  4. Гладырь А.И. Технологические предпосылки применения пусковых систем с квазичастотным управлением // Проблемы создания новых машин и технологий. Сб. научных трудов КГПУ. – Выпуск 2 (9). – Кременчуг: КГПУ. – 2000. – С. 84-88.

  5. Закладной А.Н., Праховник А.В., Соловей А.И. Энергосбережение средствами промышленного электропривода. – К.: «ДИЯ», 2001. – 343 с.

  6. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. – Ч. 2 – 197 с.

  7. Латышко В.Д., Шамрай Ф.А., Клешнёв Д.Ю. Системы управления силовыми электрическими приводами. Анализ решений. Материалы компании ОМЗ-КРАН, Санкт-Петербург, 2005. – 37 с.

  8. Лукевски М. Сетевые дроссели. Elhand transformatory, ul. PCK 22, 42-700 Lubliniec, e-mail: info@elhand.com.pl.

  9. Мерфи Дж. Тиристорное управление двигателями переменного тока: Пер. с англ. – М.: Энергия, 1979. – 254 с.

  10. Регулируемые асинхронные электродвигатели в сельскохозяйственном производстве. Под ред. Д.Н. Быстрицкого. М.: Энергия, 1975. – 400 с.

  11. Соколов И.В. К вопросу об энергосбережении в асинхронном регулируемом электроприводе // Материалы Государственного учреждения высшего профессионального образования «Белорусско-Российский университет» Брест, 2005, С. 223.



Стаття надійшла 15.04. 2006р.

Рекомендовано до друку

д.т.н., проф. Родькіним Д.Й.

Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1


Схожі:

Удк 621. 313 Расширение сферы использования регулируемого iconУдк 621. 313 Экономические и социальные аcпекты создания и использования виртуального лабораторного оборудования
Экономические и социальные аcпекты создания и использования виртуального лабораторного оборудования
Удк 621. 313 Расширение сферы использования регулируемого iconУдк 621. 313 Проектирование электроприводов на основе совместного
Таким образом, по своим техническим показателям и характеристикам крановые ад значительно отличаются от двигателей общепромышленного...
Удк 621. 313 Расширение сферы использования регулируемого iconУдк 621. 313. 5/8 Оптимізація котушок неперехресних обмоток безпазових
В усіх випадках при розробці таких машин в першу чергу необхідно оптимізувати якірну обмотку
Удк 621. 313 Расширение сферы использования регулируемого iconУдк 621. 313. 3 Процессы в индуктивности с насыщением
Это вносит погрешность в рассуждения и не в каждом случае возможно такое допущение. Поэтому, актуальна задача, состоящая в исследовании...
Удк 621. 313 Расширение сферы использования регулируемого iconУдк 621. 313 Микропроцессорный комплекс энергомониторинга качества
Поэтому экономически оправдана необходимость полного исчерпания ресурсных возможностей эд, что требует разработки систем объективного...
Удк 621. 313 Расширение сферы использования регулируемого iconУДк: 62-83: 621. 313 Асинхронные электроприводы с векторным
Днепродзержинского государственного технического университета по созданию глубоко регулируемых асинхронных электроприводов (аэп)...
Удк 621. 313 Расширение сферы использования регулируемого iconУдк 621. 313 Віртуальний лабораторний комплекс для дослідження систем
Зрозуміло, що в умовах різкого скорочення фінансування навчальних закладів, у першу чергу страждають навчальні лабораторії, устаткування...
Удк 621. 313 Расширение сферы использования регулируемого iconУдк 621. 313 исследование качества преобразования энергии в системах электропривода с общей сетью
При этом речь идет не только о различных оммических сопротивлениях, но и сопротивлениях рассеяния, а также сопротивлениях взаимной...
Удк 621. 313 Расширение сферы использования регулируемого iconУдк 621. 313 043/045. 5 Оценка эффективности методов диагностики
Таким образом, качество реализации и настройки систем непрерывного мониторинга, частотного и векторного регулирования скорости вращения,...
Удк 621. 313 Расширение сферы использования регулируемого iconУдк 621. 313. 323 Синхронная машина в режиме генератора формируемого источника электропитания
Паэс-2500, эсд, асда [2,3] в случае возникновения чрезвычайной ситуации может оказаться затруднительным для обеспечения энергоснабжения...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи