Исследование вентильного двигателя на основе трехфазной синхронной машины с постоянными магнитами в электроприводах подач металлорежущих станков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Институт «Энергетики и транспортных систем»

Выпускная квалификационная работа бакалавра

Исследование вентильного двигателя на основе трехфазной синхронной машины с постоянными магнитами в электроприводах подач металлорежущих станков

по направлению 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника

Выполнил студент гр.43215/1 А.А. Ушаков

Руководитель доцент, к.т.н. А.П. Веселовский

Санкт-Петербург 2018

ЗАДАНИЕ

по выполнению квалификационной работы

студенту Ушакову Артему Александровичу, 43215/1

1. Тема работы: исследование вентильного двигателя на основе трехфазной синхронной машины с постоянными магнитами в электроприводах подач металлорежущих станков.

2. Срок сдачи студентом законченной работы: 15 июня 2018г;

3. Исходные данные по работе: методические, инструктивные материалы по теме. Учебники и справочники по теме. Статьи и другие периодические издания. Материалы INTERNET - публикаций;

4. Перечень графического материала (с указанием обязательных чертежей): механическая характеристика асинхронного двигателя;

5. Консультанты по работе: В. Н. Буров;

6. Дата выдачи задания: 14.05.2018г.

Руководитель ВКР А.П. Веселовский

Задание принял к исполнению студент А.А. Ушаков

РЕФЕРАТ

Данная бакалаврская работа посвящена сравнительной оценке энергоэффективности двух двигателей: вентильного на постоянных магнитах и асинхронного двигателя, для того, чтобы убедиться в эффективности использования того или иного в электроприводе для подач металлорежущих станков. В работе изложена целесообразность использования энергосберегающих электроприводов, приведены расчеты потерь в ключах преобразователя, рассчитаны КПД системы ПЧ-Д, расчеты параметров схемы замещения асинхронного двигателя, а также расчет и анализ энергетических характеристик.

THE ABSTRACT

This bachelor work is devoted to comparative assessment of energy efficiency of two engines: valve on permanent magnets and the asynchronous engine to be convinced of efficiency of this or that, which used in the electric drive for giving of metal-cutting machines. In work the expediency of use of energy saving electric drives is stated, calculations of losses are given in converter keys, efficiency of the frequency transformer - engine system, calculations of parameters of the equivalent circuit of the asynchronous engine and also calculation and the analysis of power characteristics are calculated.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСЛЬЗУЕМЫХ В РАБОТЕ АББРЕВИАТУР

АД - асинхронный двигатель

СД - синхронный двигатель

ВД - вентильный двигатель

ПЧ - преобразователь частоты

КПД - коэффициент полезного действия

IGBT - биполярный транзистор с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor)

ЧРП - частотно регулируемый привод

ПК - преобразователь координат

УМ - усилитель мощности

СЭМП - синхронный электромеханический преобразователь

ДПР - датчик положения ротора

ЭДС - электродвижущая сила

вентильный двигатель асинхронный регулирование

ВВЕДЕНИЕ

В промышленно развитых странах техника применения частотно- регулируемых приводов используется более нескольких десятков лет. За это время накоплен огромный опыт в создании систем, использующих этот тип приводов, совершенствовались технологические процессы и оборудование, менялась элементная база силовых электронных элементов. Если в начале своего пути преобразователи частоты строились на основе тиристорных устройств, то теперь повсеместно используются транзисторные силовые ключи (т.н. IGBT технология, впервые разработанная компанией «TOSHIBA» в начале 80-х).

Учитывая относительно высокую cтоимость полупроводниковых преобразователей, применяемых для регулирования частоты вращения приводов, на ceгодняшний день наиболее важным является вопрос возврата средств, вложенных в их внедрение. Поэтому особое внимание следует уделить сравнению энергоэффективности приводов на основе синхронного вентильного двигателя на постоянных магнитах и асинхронного двигателя с разными видами управления.

1. ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ЧАСТОТНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

Большое распространение электродвигателей переменного тока для привода подач металлорежущих станков обусловлено простотой, надежностью и относительно небольшой стоимостью этих машин.

С развитием силовой полупроводниковой и микропроцессорной техники стало возможным создание устройства частотного регулирования электроприводом, которое позволяет точно управлять скоростью и моментом электродвигателя по заданным параметрам в точном соответствии с характером нагрузки. Это в свою очередь, позволяет осуществлять точное регулирование практически любого процесса в наиболее экономичном режиме, без тяжёлых переходных процессов в технологических системах. Так, например, привод подачи металлорежущего станка при малом моменте позволяет расширить диапазон регулирования скорости двигателя на постоянных магнитах, в данном случае, и позволяет обрабатывать металлические изделия на более низкой частоте для лучшего качества обработки.

Внедрение частотного регулирования электроприводов позволяет:

* повысить надёжность работы оборудования и систем;

* улучшить качество производимой продукции и предоставляемых услуг;

* автоматизировать производство;

* экономить ресурсы и энергию.

Частотное регулирование эффективно применяется на предприятиях энергетики, промышленности и коммунального хозяйства.

2. АНАЛИЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ В УСТРОЙСТВАХ ЧАСТОТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

2.1 Типы электроприводов с частотным регулированием

Электроприводы с частотным регулированием состоят из электродвигателя и частотного преобразователя. Электродвигатели могут быть синхронные и асинхронные, из этого вытекает два типа электроприводов: асинхронный электропривод и синхронный электропривод. В настоящее время в структуре промышленного производства электропривод с асинхронным электродвигателем является наиболее распространенным преобразователем электрической энергии в механическую. Однако двигатель с постоянными магнитами на основе синхронной машины находит все большее применение в энергосберегающих регулируемых электроприводах, заменяя двигатели постоянного тока и асинхронные двигатели, ведь он обладает достаточно высоким КПД, обладает высокими эксплуатационными характеристиками, так как он является бесколлекторным. Он применяется в как привод циркулярных насосов, компрессоров, систем вентиляции, добычи нефти и в буровых установках. Вентильные двигатели стали часто использоваться из-за тенденции, ведущей к уменьшению используемых магнитных материалов, а также из-за совершенствования аппаратной базы управления.

2.2 Принцип действия вентильного двигателя

Принцип действия вентильного двигателя основан на явлении электромагнитной индукции (рис. 1), которое лежит в основе современного производства электричества, и было открыто в 1831 году английским физиком-экспериментатором Майклом Фарадеем. Формулировка данного явления звучит так: «В замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром, возникает электрический ток, называемый индукционным».

Рис. 1. Представление закона электромагнитной индукции.

Таким образом, всегда при изменении сцепленного с контуром потока магнитной индукции возникает индукционный ток. Фарадеем опытным путем было установлено, что величина индукционного тока зависит от скорости изменения потока магнитной индукции, но совершенно не зависит от способа его изменения. С помощью явления электромагнитной индукции была показана возможность электрического тока с помощью магнитного поля и, следовательно, установлена связь между электрическими и магнитными явлениями. Возникновение индукционного тока говорит нам о наличии в цепи ЭДС индукции, определяемой тоже только скоростью изменения магнитного потока. Закон электромагнитной индукции выражается формулой (2.2.1):

где Ф - поток магнитной индукции, t - время изменения магнитного потока.

В приведенном выше выражении знак «-» показывает, что при увеличении потока ЭДС уменьшается, а при его уменьшении ЭДС увеличивается. Знак «-» соответствует правилу Ленца, которое было сформулировано в 1833 г. И звучит как «индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего этот индукционный ток». Закон Фарадея гласит, что ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.

От источника питания подается ток в обмотку якоря и создается магнитный поток статора. Постоянными магнитами создается магнитный поток возбуждения. При взаимодействии этих двух потоков силовые линии магнитного поля в воздушном зазоре изгибаются, т.е. оно деформируется, что вызывает появление силы Ампера, выражение (2.2.2), которое показывает, с какой силой действует магнитное поле, а помещенный в нее проводник. Сила максимальна, если проводник перпендикулярен силовым линиям магнитного поля. В электрических машинах данное условие обеспечивается конструктивным путем.

где B - магнитная индукция в воздушном зазоре, I - ток в обмотке статора, l - длина проводника, - угол между вектором магнитной индукции и обмоткой статора.

Формулировка закона Ампера: сила, действующая на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, пропорциональна длине проводника, вектору магнитной индукции, силе тока и синусу угла между вектором магнитной индукции и проводником. Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки (рис. 2): если расположить левую руку так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а четыре пальца были вытянуты по направлению тока в проводнике, то отставленный на 90 большой палец, укажет на направление силы Ампера.

Рис. 2. Правило левой руки

Возникающий при этом электромагнитный момент стремится развернуть ротор таким образом, чтобы поток статора и поток возбуждения совпали по направлению. Получается, что ротор синхронно вращается вслед за полем статора, которое вращается переключением фазных обмоток. Информация о том, на какую фазу нужно подавать ток, поступает с датчика положения ротора, далее ее обрабатывает система управления и происходит включение или отключение нужных ключей. Так при повороте ротора происходит переключение фазных обмоток, вектор потока статора поворачивается, а ротор синхронно вращается с этим полем.

2.3 Законы частотного регулирования

Возможность изменения частоты вращения АД при регулировании частоты f1 питающего напряжения следует непосредственно из известного в теории электрических машин выражения:

где - синхронная угловая скорость двигателя; р - число пар полюсов.

При регулировании частоты f1 возникает также необходимость в регулировании напряжения источника питания. Объясняется это тем, что ЭДС обмотки статора АД пропорциональна частоте и потоку:

Где Ко - обмоточный коэффициент; - число витков фазы обмотки; Ф - амплитуда потока.

Следовательно, поток Ф пропорционален отношению Е1/f1. Для эффективного использования двигателя необходимо поддерживать поток в воздушном зазоре постоянным при всех частотах питания. Это достигается за счет поддержания постоянства Е1/f1. Если полное сопротивление статора мало, то Е1 примерно пропорционально U1, следовательно, поток в воздушном зазоре будет примерно постоянным при U1/f1=const. Это отношение сохраняется, если АД питается от источника с постоянным напряжением и частотой. Момент АД также пропорционален магнитному потоку Ф в зазоре, т.е. в общем случае:



где - активная составляющая тока ротора.

Рассмотрим случай, когда при неизменном напряжении источника питания U изменяется его частота, а, следовательно, и магнитный поток. Уменьшение частоты f1 приводит к возрастанию потока, и, как следствие, к насыщению двигателя и увеличению тока намагничивания. Последнее вызывает снижение энергетических показателей двигателя, а в ряде случаев и его недопустимый нагрев, одна из причин которого - ухудшения обдува АД на низких скоростях вращения.

Увеличение частоты приводит к снижению потока двигателя, следствием которого является недоиспользование стали. Кроме того, снижается максимальный момент двигателя и его перегрузочная способность.

Для надежной работы электромеханической системы необходимо, чтобы двигатель обладал достаточной перегрузочной способностью по моменту.

Поэтому при выборе соотношения между частотой и напряжением, подводимым к статору АД, чаще всего исходят из условия сохранения перегрузочной способности АД, т.е. из кратности критического момента к номинальному. Для любой из электромеханических характеристик в этом случае должно выполняться соотношение:

Закон частотного управления из сохранения перегрузочной способности, устанавливающий оптимальное соотношение между частотой, напряжением питания и моментом нагрузки АД, сформулирован академиком Костенко М.П. Этот закон описывается следующим образом:

Где Uном, fном - номинальное напряжение и частота сети; U, f - напряжение и частота на выходе преобразователя частоты ПЧ; Мном, М - номинальное и текущее значение момента АД.

Управление двигателем в соответствии с (2.3.5) при ненасыщенной магнитной системе позволяет сохранить практически неизменным коэффициент мощности и абсолютное скольжение, при этом КПД системы не зависит от скорости.

В зависимости от видов нагрузки закон управления напряжением и частотой имеет различные формы. Например, при постоянном моменте нагрузки (М=const) соотношение (2.3.5) принимает вид U/f=const (рис. 2 (а)); при постоянной мощности (Мс=kw^-1) - U/f^1/2= const (рис. 2 (б)); при вентиляторной нагрузке (Мс=kw^2) - U/f^2=const (рис. 2 (в)).

Таким образом, для того чтобы реализовать принцип частотного управления АД, необходимо в соответствии с выражением (2.3.5) и с учетом вида нагрузки управлять напряжением, подводимым к статору АД, взаимосвязано с изменением частоты питания.

Рис. 3. Механические характеристики привода ПЧ-АД: а - при постоянном моменте, б - при постоянной мощности, в - при вентиляторной нагрузке

3. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

3.1 Принцип работы преобразователя с скалярной ШИМ

Наиболее распространенным типом преобразователей частоты с ШИМ является преобразователь с неуправляемым выпрямителем напряжения в звене постоянного тока. При этом напряжение на входе инвертора не меняется, а регулирование выходного напряжения осуществляется методом широтно-импульсной модуляции. Такие выпрямители выпускаются рядом электротехнических фирм с начала 90-х годов ХХ в., когда производители мощных полупроводниковых приборов освоили выпуск биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. Он представляет собой p-n-p транзистор, управляемый через высоковольтный n-канальный полевой транзистор. При необходимости используется параллельное соединение или гибридные модули. К достоинствам IGBT относятся: высокая допустимая плотность тока, управление напряжением, как у МОП-транзисторов, низкие потери в импульсном режиме.

Принцип ШИМ можно проследить на примере однофазного инвертора, получающего питание от источника постоянного напряжение со средней точкой (рис.3.). Активно-индуктивная нагрузка Zн включена между средней точкой источника питания и точкой соединения электронных ключей 1 и 2, каждый из которых включает в себя транзистор, работающий в ключевом режиме и диод обратного тока. Система управления транзисторными ключами содержит в своем составе нуль-орган (НО) и формирователи Ф1 и Ф2. На входе нуль-органа сравниваются задающий сигнал и пилообразное опорное напряжение .



Рис. 4. Структура однофазного инвертора с ШИМ

Рис. 5. Характеристика передаточного коэффициента инвертора: (а) - напряжение опорное и задания; (б) - регулировочная характеристика инвертора

Если . т.е разность () положительна, то сигнал на выходе нуль-органа положителен и на выходе формирователя Ф1 существует положительный сигнал , замыкающий ключ 1, т.е открывающий соответствующий транзистор. К нагрузке оказывается приложенным напряжение, у которого слева “плюс”, а справа “минус” и которое будем считать положительным. При отрицательной разности () замыкается ключ 2 и напряжение на нагрузке становится отрицательным и равным .

На рис. 4(а) показаны симметричное пилообразное опорное напряжение с максимальным значением и напряжение задания , которое предполагается постоянным в течение периода опорного напряжения. В нижней части рисунка приведены состояния сигналов и и форма напряжения на выходе инвертора u. Среднее значение напряжения на выходе определяется следующим образом:

где - интервалы замкнутого состояния ключей 1 и 2 соответственно; - период широтно-импульсной модуляции, с; - частота ШИМ, Гц.

Из подобия треугольников abc и ab'c' для рабочей части характеристики инвертора, когда может быть записано:

Отсюда, с учетом приведенного выше выражения для U следует, что:

где kи - передаточный коэффициент инвертора в линейной части характеристики, когда

Из регулировочной характеристики инвертора (рис.4(б)) видно, что должно быть предусмотрено ее ограничение на уровне, так как для получения неискаженного напряжения на выходе задающий сигнал не должен превышать максимальное значение опорного напряжения .В системе управления инвертором должна существовать кратковременная задержка между размыканием одного ключа и замыканием другого для восстановления запирающих свойств транзистора, выходящего из работы.

Если управляющий сигнал представляет собой синусоиду с частотой , то напряжение на выходе инвертора, рассматриваемое за время , будет представлять собой гармоническую кривую, содержащую наряду с первой гармоникой, которая имеет частоту управляющего сигнала, ряд гармонических составляющих более высокого порядка. Таким образом, если амплитуда не превышает , то первая гармоника напряжения на выходе инвертора в определенном масштабе повторяет управляющий сигнал. Изменение его частоты приводит к изменению частоты на выходе инвертора. Изменение амплитуды управляющего сигнала при неизменной частоте будет приводить к изменению соотношения длительностей положительных и отрицательных импульсов напряжения на выходе т.е. изменению амплитуды его первой гармоники.

Рис. 6. Принцип широтно-импульсной модуляции на примере однофазного инвертора

В современных инверторах частота опорного напряжения (частота ШИМ) составляет от единиц до десятков килогерц при номинальной частоте напряжения на выходе инвертора. При высокой частоте ШИМ и акт.-инд. нагрузке, ток нагрузки практически синусоидальный. В связи с повышением частоты ШИМ, нужно учитывать ряд недостатков: наличие электромагнитных помех, воздействующие на другие устройства и возникновение перенапряжений в цепи нагрузки, что опасно для изоляции обмоток двигателя. Устраняют эти недостатки с помощью двигателей с повышенным качеством изоляции, ограничения длины коммуникации, а также раздельной прокладки силовых кабелей и кабелей систем управления.

3.2 Принцип работы преобразователя с векторной ШИМ

При векторной ШИМ реализация вектора напряжения осуществляется с помощью базовых векторов в трехфазной системе координат. Каждый базовый вектор характеризуется определенным состоянием ключей инвертора, изображенного на рис. 7.

Рис. 7. Инвертор напряжения

В таблице 1 поясняется соответствие базовых векторов и состояния ключей К1…К6.

Для трехфазной симметричной системы, которой можно считать двигатель, фазные нагрузки равны, следовательно, амплитуда всех ненулевых базовых векторов составляет .

Оба нулевых вектора (0+) и (0-), несмотря на разное состояние ключей, обеспечивают одновременное приложение нулевых напряжений к обмоткам статора.

Ненулевые базовые векторы в неподвижной системе координат изображены на рис. 8.

Рис. 8. Ненулевые базовые векторы в неподвижной системе координат

Таблица 1. Базовые вектора и состояния ключей

Вектор напряжения статора можно реализовать с помощью формирования расчетных длительностей базовых векторов внутри периода ШИМ. Набор используемых базовых векторов зависит от сектора угла, в котором лежит реализуемый вектор (табл. 2).

Таблица 2. Сектор и базовые вектора

Сектор, град	Используемые векторы
0…60
60…120
120…180
180…240
240…300
300…360

Заданный вектор напряжения в любом из секторов раскладывается на базовые векторы (рис. 9).

Рис. 9. Разложение вектора напряжения на базовые векторы

Величины базовых составляющих вектора легко находятся по теореме синусов:

При этом максимальная амплитуда вектора имеет минимум, равный , в середине сектора (при в = 30є). В трехфазной системе при соединении нагрузки звездой фазное напряжение отличается от линейного именно на . Следовательно, можно утверждать, что напряжение звена постоянного тока будет использоваться полностью. Учитывая, что и амплитуда базовых векторов равна , перейдем от модулей базовых составляющих к длительностям периода ШИМ и на основе соотношений (3.2.1) и (3.2.2) напишем новые соотношения:

где: - период ШИМ в секундах;

, и временные интервалы (в секундах) во время которых происходит включение первого, второго и нулевого базовых векторов.

Учитывая, что максимальное значение амплитуды вектора равно , можно переписать выражений (3.2.3), (3.2.4) и (3.2.5) в относительных единицах:

где: - амплитуда заданного вектора в относительных единицах;

, и - части периода ШИМ, во время которых происходит включение первого, второго и нулевого базовых векторов.

Векторная ШИМ с такой последовательностью включения базовых векторов внутри периода используется в подавляющем большинстве современных преобразователей частоты.

В таблице 3 показан алгоритм включения базовых векторов в периоде ШИМ в зависимости от сектора угла.

Таблица 3. Алгоритм включения базовых векторов в периоде ШИМ

Отличие в порядке коммутации первого и второго базовых векторов () в четных и нечетных секторах сделано для минимизации динамических потерь в ключах инвертора. При таком порядке коммутации переключение векторов внутри секторов и при переходе из сектора в сектор осуществляется с помощью переключения только в одном плече инвертора.

4. Структурная схема системы управления электропривода с вентильным двигателем

Рис. 10. Структурная схема системы регулирования скорости синхронного двигателя

Рассмотрим более подробно элементы данной схемы:

- вычислитель скорости. Если в системе регулирования используется датчик положения (например, фотоимпульсный), то данный узел осуществляет вычисление скорости по приращению угла. Если система строится без датчика положения или скорости, то данный узел осуществляет оценку реальной скорости по модели косвенными методами.

РC - регулятор скорости. ПИ- или ПИД-регулятор, вырабатывающий из сигнала ошибки по скорости сигнал задания момента.

Огр. - ограничитель момента. Ограничивает момент в зависимости от частоты и предельно допустимого значения статорного тока.

- вычислитель q-составляющей тока выполняет функцию вычисления q-составляющей тока статора.

- регулятор тока d-составляющей. П или ПИ-регулятор, вырабатывающий из сигнала ошибки по току сигнал задания напряжения по оси d.

- регулятор тока q-составляющей. П или ПИ-регулятор, вырабатывающий из сигнала ошибки по току сигнал задания напряжения по оси q.

БКПС - блок компенсации перекрестных связей вычисляет напряжения компенсации перекрестных связей.

Токи координат регулируются с помощью вырабатываемых регуляторами токов напряжений координат.

Cтаторное напряжение координаты (d или q) есть сумма двух составляющих, одна из которых зависит от тока данной координаты, а другая от составляющей тока ортогональной данной координате.

Таким образом, регулирование вызывает возмущающее воздействие в канале регулирования . Соответственно регулирование вызывает возмущение в канале регулирования .

Схема компенсации перекрестных связей, показанная на рис. 10, позволяет избежать этих взаимных возмущений, что естественно, улучшает качество регулирования. Регулятор тока каждой координаты в такой схеме вырабатывает составляющую статорного напряжения, зависящую только от тока регулируемой координаты ( или ), а составляющая, зависящая от другой (ортогональной) составляющей тока ( или ), добавляется в напряжение координаты.

ПК1 - преобразователь координат осуществляет перевод тока статора из трехфазной неподвижной системы координат в двухфазную, а затем во вращающуюся систему dq.

ПК2 - преобразователь координат осуществляет перевод вектора напряжения статора из вращающейся системы dq в неподвижную систему координат.

ШИМ - силовой ШИМ-преобразователь осуществляет реализацию вектора напряжения статора.

5. МЕТОДИКИ ОЦЕНОК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕНТИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ.

5.1 Обоснование исходных данных для расчета

В качестве исследуемого двигателя был взят двигатель LSRPM 160 MP. Все исходные данные для вентильного двигателя на постоянных магнитах приведены в таблице 4.

Таблица 4. Исходные данные вентильного двигателя

400	30	3000	96	57	94,5	1	1	20

Чтобы можно было провести расчеты, сначала нужно рассчитать линейное и фазное напряжение, угловую частоту питающей сети и частоту питания статора.

Линейное напряжение рассчитывается по следующим образом:

Далее рассчитывается фазное напряжение :

Угловая частота питающей сети и частота питания статора определяются как:



5.2 Методика оценки потерь в силовом ключе

Для оценки потерь в силовом ключе нужно сначала выбрать транзистор по току коллектора:

Выберем транзистор STGW40V60DF (ST), его номинальные данные:

; ; ; ; ,

Где - это напряжение между коллектором и эмиттером;

- ток коллектора максимальный;

- время включение силового ключа:

- время выключения силового ключа;

- напряжение насыщения;

Рассчитаем потери в ключе:

Суммарные потери в ключах преобразователя складываются из динамических и статических потерь:

Суммарные, для четырех ключей, динамические потери рассчитывается по формуле:



где определяется как:

Так как мы используем векторную ШИМ, то:

Из формулы (5.2.5) выражаем и находим :

По формуле (5.2.3) находим суммарные динамические потери в ключах:

Суммарные статические потери в ключах определяются как:

По формуле (5.2.2) определяем суммарные потери в ключах:



5.3 Методика оценки коэффициента полезного действия преобразователя с векторной ШИМ

КПД преобразователя можно найти по формуле:

где рассчитывается как

После расчета мощности на входе преобразователя находим его КПД по формуле (5.3.1):

После того как был рассчитан КПД преобразователя, можно найти суммарный КПД привода:

6. МЕТОДИКИ ОЦЕНОК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

6.1 Обоснование исходных данных

В качестве исследуемого двигателя используется двигатель 5AMX180M2. Все исходные данные для АД приведены в таблице 5.

Таблица 5. Исходные данные АД

380	30	2940	97	56	91,5	0,89	1	20

Чтобы можно было провести расчеты, сначала нужно рассчитать фазное напряжение, угловую частоту и частоту питания статора:

Линейное напряжение рассчитывается по следующим образом:

Далее рассчитывается фазное напряжение :

Угловая частота питающей сети и частота питания статора определяются как:



6.2 Расчет потерь в ключах

Потери в силовых ключах рассчитываются аналогично пункту 5.2.

Для оценки потерь в силовых ключах нужно сначала выбрать ключи току коллектора:

Выберем транзистор STGW40V60DF (ST), его номинальные данные:

; ; ; ;

Где - это напряжение между коллектором и эмиттером;

- ток коллектора максимальный;

- время включение силового ключа:

- время выключения силового ключа;

- напряжение насыщения;

Рассчитаем потери в ключах:

Суммарные потери в ключах складываются из динамических и статических потерь:

Суммарные динамические потери, для шести ключей, находятся по формуле:



где определяется как

Так как мы используем скалярную ШИМ, то:

Из формулы (6.2.5) выражаем и находим :

По формуле (6.2.3) находим суммарные динамические потери в ключах:

Суммарные статические потери в ключах определяются как:

По формуле (6.2.2) определяем суммарные потери в ключах:



6.3 Расчет коэффициента полезного действия преобразователя со скалярной ШИМ

КПД преобразователя можно найти по формуле:

где рассчитывается как

После расчета мощности на входе преобразователя находим его КПД по формуле (6.3.1):

После того как был рассчитан КПД преобразователя, можно найти суммарный КПД привода:

6.4 Особенности определения параметров схем замещения

Одной из задач при любом моделировании процессов в двигателе является определение параметров схем замещения, показанных на рис. 12.

Рис. 11. Схемы замещения асинхронного двигателя: а) Т-образная схема замещения, б) Г-образная схема замещения.

Активное сопротивление статора можно определить по рассеиваемой на нем мощности , как разности потребляемой активной мощности и электромагнитной мощности в номинальном режиме следующим образом:

Рассчитаем потребляемую и электромагнитную мощности в номинальном режиме:

Тогда мощность рассчитывается как:



Сопротивление определяется выражением:

где В - фазное напряжение; - число фаз; рад/с - угловая частота питающей сети, - число пар полюсов двигателя.

Рассчитанная величина сопротивления , будет немного завышена, так как в электрическую мощность входит мощность потерь в магнитопроводе, которая не была учтена в схеме замещения. Завышенное значение сопротивления может в дальнейших расчётах приводить к некорректным значениям других параметров схемы замещения. Поэтому лучше вначале определить приведённое активное сопротивление ротора . Проще всего это сделать по двум координатам любой точки механической характеристики и значению тока статора в этом режиме. В номинальном режиме мощность скольжения равна:

Если принять, что , тогда мы получим:

Значение приведенного сопротивления будет заниженным, так как реальная величина сопротивления ротора соответствует мощности скольжения вблизи точки опрокидывания, что не позволяет использовать такое решение, так как в паспортных данных не приводится критическое скольжение.

Проанализируем уравнения механической характеристики:

Найдем значение производной в режиме холостого хода. Для этого продифференцируем уравнение механической характеристики (6.4.8):

а затем найдем предел при

Заменяя в этом выражении производную конечными разностями между точками холостого хода и номинального режима, получим

где

Это выражение дает хорошее приближение, но его можно чуть-чуть упростить, так как коэффициент приведения Т-образной схемы замещения к Г-образной находится в пределах . Тогда для приведенного сопротивления ротора получим:

Выражение (6.4.13) позволяет найти такое значение , при котором наклон касательной к механической характеристике в точке холостого хода будет несколько больше наклона секущей, проходящей через точку номинального режима, так как величина несколько завышена за счет .

Второй точкой справочных данных является точка опрокидывания. Расчетная механическая характеристика должна пройти через нее, однако предварительно нужно определить неизвестное критическое скольжение.

Из формулы Клосса:

критическое скольжение можно определить по формуле ниже:

где и , значение коэффициента приведения Т-образной схемы к Г-образной схеме замещения примем равным . Тогда:



А критическое скольжение находится как:

Из уравнения критического момента

с учетом выражения для критического момента

можно найти сопротивление статора :

а затем из выражения (6.4.20) можно определить :

Индуктивное сопротивление короткого замыкания далее можно разделить на сопротивления потоков рассеяния статора и ротора и полагая

Результаты расчета сопротивления обмотки статора показали несовпадение с ранее рассчитанным значением по формуле (6.4.5), которое составило 0,26 Ом. Выше упомянутое несовпадение вынуждает осуществлять корректировку значений и по приведенным в паспортных данных максимальному моменту, а после расчета индуктивных сопротивлений и по номинальному коэффициенту мощности.

Определение индуктивного сопротивления цепи намагничивания проводится с помощью реактивной составляющей комплексной проводимости (b), которую можно определить из выражения:

Величина слабо влияет на электромеханические процессы и входит в уравнение механической характеристики асинхронного двигателя только посредством коэффициента . В то же время, проводимость ветви намагничивания в режимах близких к номинальному соизмерима с реактивной проводимостью главной цепи b и существенно влияет на энергетические параметры. Поэтому ее целесообразно определять из баланса реактивной мощности:

где - реактивная мощность, расходуемая на формирование полей рассеяния статора и ротора. После преобразования главной цепи, мощности потоков рассеяния и основного потока могут быть представлены через одинаковое для всех ветвей фазное напряжение как и . Подставляя эти выражения в уравнение баланса мощностей, получим:

7. ПЕРЕСЧЕТ ВЕНТИЛЬНОГО И АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ПОНИЖЕННОЙ СКОРОСТИ

Пересчет вентильного и асинхронного двигателей на пониженной скорости нужен для того, чтобы сравнить энергоэффективность двух двигателей для двух скоростей их работы. Так как если сравнивать их только по номинальным значениям, то это будет не совсем корректно. Пересчет двигателей на пониженную скорость будет производится с помощью закона управления при постоянной мощности. Для расчетов двигателей на новую частоту вращения будем использовать отношение номинальной частоты вращения двигателя к новой как .

Пересчет вентильного двигателя на постоянных магнитах.

Все расчеты сводятся к нахождению КПД двигателя при работе на новой частоте вращения.

Так как , тогда частота вращения находится как:

Понижение скорости вращения вентильного двигателя влечет за собой изменение напряжения. Пересчет нового напряжения на новой пониженной скорости определяется как:

Методика пересчета заключается в нахождении новых суммарных потерь двигателя для новой точки. Из-за того, что изменятся суммарные потери , изменится и сам КПД двигателя. Но для начала нужно найти для номинальной точки работы двигателя, а именно для .

Формула КПД выглядит следующим образом:

Из выражения (7.3) найдем для как:

Суммарные потери складываются из постоянных и электрических потерь и соответственно. , как правило составляют 6070 % от суммарных потерь , а - 3040 %. Таким образом определяется как:

Изменение частоты вращения двигателя сопровождается изменением тока, если изменится ток, то изменятся и электрические потери , что влияет на величину суммарных потерь .

Из выражения (7.5) найдем значение электрических потерь для частоты :

Тогда можно найти постоянные потери :

Так же существует формула для определения и она выглядит следующим образом:

где .

Из выражения (7.7) выразим и найдем коэффициент k:

Как было сказано раньше, значение тока изменится с изменением частоты вращения, поэтому найдем значение тока для частоты вращения как:

Подставляем значение тока из выражения (7.10) и коэффициент k из формулы (7.9) в выражение (7.8) и найдем новые электрические потери в статоре для частоты вращения и получим:

Новое значение подставляем в выражение (7.5) и найдем новое значение для частоты вращения :

Теперь можно найти КПД для пониженной частоты как:



А КПД системы ПЧ-ВД рассчитывается как:

Пересчет асинхронного двигателя.

Как и в пересчете вентильного двигателя, пересчет асинхронного сводится к нахождению КПД двигателя. Но для начала нужно найти частоту вращения из отношения только уже для асинхронного двигателя:

Так же как и в случае с вентильным двигателем, с изменением скорости вращения изменится и напряжение, которое определяется как:

Формула для КПД асинхронного двигателя выглядит следующим образом:

где - номинальная мощность двигателя; - потери в меди статора и ротора соответственно; - потери в стали двигателя.

Для того, чтобы рассчитать КПД двигателя для частоты , нужно сначала определить потери .

Потери в меди статора определяются как:

где I - изменившийся ток; - активное сопротивление статора.

Рассчитаем ток двигателя по выражению (7.10):

Значение сопротивления статора было найдено по схеме замещения асинхронного двигателя, тогда:

Потери в меди ротора рассчитываются следующим образом:

где s - номинальное скольжение асинхронного двигателя; M - номинальный момент; - угловая частота. Тогда потери в меди ротора равны:

Потери в стали определяются выражением:



где - номинальная мощность асинхронного двигателя; - номинальный КПД двигателя, тогда:

И таким образом, КПД двигателя на пониженной частоте вращения будет равен:

А КПД системы ПЧ-АД находится как:

8. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

8.1 Расчет потребляемой мощности из сети вентильного двигателя

В 5 главе мы рассчитывали потери в ключах и КПД электропривода на основе вентильного двигателя на постоянных магнитах при номинальных параметрах двигателя. А в главе 7 рассчитывали КПД на пониженной частоте вращения вентильного двигателя .

Теперь рассчитаем мощность, потребляемую вентильным двигателем из сети для номинальной точки работы двигателя :

Потребляемая мощность из сети для частоты ращения :

8.2 Расчет потребляемой мощности из сети асинхронного двигателя

Расчет потребляемой мощности из сети асинхронного двигателя происходит аналогично пункту 8.1.

Для номинальной частоты вращения мощность, потребляемая асинхронным двигателем из сети определяется как:



А для пониженной частоты вращения мощность рассчитывается следующим образом:

8.3 Оценка эффективности энергосбережения

После всех проделанных расчетов, а именно нахождения потерь в ключах, КПД системы преобразователь-двигатель и мощность, потребляемую из сети для каждого из двигателей на 2 точках их работы, можно рассчитать энергоэффективность и сравнить два привода на основе вентильного двигателя на постоянных магнитах и асинхронного двигателя.

Обозначим энергоэффективность буквой и для номинальной точки работы двух двигателей она определяется как:

Для частоты вращения ниже номинальной равняется:

Как видно из расчетов, привод с вентильным двигателем на постоянных магнитах превосходит по энергоэффективности привод с асинхронным двигателем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В выпускной квалификационной работе была исследована энергоэффективность частотно-регулируемых приводов на основе вентильного двигателя на постоянных магнитах и асинхронного двигателя.

В исследуемых электроприводах использовался преобразователь частоты со скалярной и векторной ШИМ. Процесс управления с помощью векторной ШИМ позволяет с легкостью изменять величину напряжения при минимальных потерях, так как максимальные потери могут быть в полуоткрытом состоянии ключа, поэтому используют только крайние положения - открытое и закрытое.

Так же в данной работе были рассчитаны потери в ключах преобразователя с автономным инвертором напряжения и векторной ШИМ и преобразователя на основе скалярной ШИМ, КПД электроприводов на основе вентильного и асинхронного двигателей, также были рассчитаны параметры схемы замещения асинхронного двигателя 5AMX180M2 для нахождения параметров, используемых для расчета энергоэффективности и оценка потребляемой мощности из сети вентильным и асинхронным двигателями.

В результате проделанной работы, можно сделать вывод, что целесообразнее применять частотно-регулируемый привод на основе вентильного двигателя на постоянных магнитах, в следствие того у него потребляемая мощность из сети на 14 - 15 % меньше чем у электропривода на основе асинхронного двигателя.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. В. Н. Буров, «Силовая электроника. Полупроводниковые преобразователи для управления асинхронными двигателями и их энергетические показатели»: учебное пособие/ В. Н. Буров, В. Я. Фролов. - СПБ: Издательство Политехнического университета, 2014. - 105 с.

2. Г. Г. Соколовский, «Электроприводы переменного тока с частотным регулированием»: учебник для студентов высших учебных заведений / Г. Г. Соколовский. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 272 с.

3. Ю. Н. Калачев, «Векторное регулирование (заметки практика)», 63 с.

Размещено на Allbest.ru