Проектирование выпрямителя электродвигателя

Изучение современного состояния электропривода переменного тока. Разработка лабораторного стенда с преобразователем частоты АП-100. Проведение монтажа и наладки лабораторной установки. Методика исследования электропривода с преобразователем частоты.

Рубрика Физика и энергетика
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 10.05.2015
Размер файла 2,8 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Нельзя представить себе ни одного современного производственного механизма, в любой области техники, который бы не приводился в действие автоматизированным электроприводом. В электроприводе основным элементом, непосредственно преобразующим электрическую энергию в механическую, является электрический двигатель, который чаще всего управляется при помощи соответствующих преобразовательных и управляющих устройств с целью формирования статических и динамических характеристик электропривода, отвечающих требованиям производственного механизма. Речь идёт не только о сообщении машине вращательного или поступательного движения, но, главным образом, об обеспечении с помощью автоматизированного электропривода оптимального режима работы машин, при котором достигается наибольшая производительность при высокой точности.

Революционное влияние на развитие автоматизированного электропривода оказали разработки и производство полупроводниковых приборов - транзисторов, тиристоров, которые благодаря своим преимуществам стали вытеснять ранее применявшиеся в электроприводе устройства с электронными лампами и ионными приборами.

В результате освоения нашей промышленностью новых и надёжных силовых транзисторов и тиристоров удаётся создавать устройства большой мощности. Транзисторные преобразователи отличаются высоким КПД, практически безынерционны, требуют незначительной мощности для управления. С их помощью создают системы электроприводов, обладающие плавным и широким диапазоном регулирования скорости. С широким использованием тиристорных и транзисторных преобразователей для приводов постоянного тока уже сейчас освоены автоматизированные электроприводы переменного тока, управляемые различного рода транзисторными или тиристорными преобразователями.

Известно, что асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором в несколько раз дешевле коллекторного двигателя постоянного тока, имеет меньшие габариты, может быть выполнен на существенно большие скорости при той же мощности, надёжней и проще в эксплуатации, так как является бесконтактным. Асинхронный регулируемый электропривод находит в последнее время все больше распространение в различных отраслях промышленности. При этом в современных электроприводах переменного тока практически повсеместно используются автономные транзисторные инверторы с широтно - импульсной модуляцией (ШИМ). Поэтому важной задачей при подготовке инженеров - электроприводчиков является подробное изучение конструкции и принципа действия таких устройств, а также получение навыков работы с этими преобразователями.

На дипломирование были поставлены следующие задачи:

1. Изучить современное состояние электропривода переменного тока.

2. Разработать лабораторный стенд с преобразователем частоты АП-100.

3. Провести монтаж и наладку лабораторной установки.

4. Разработать и опробовать методику исследования электропривода с преобразователем частоты.

5. Определить диапазоны изменения характеристик электропривода.

6. Провести технико-экономические расчёты и определить условия безопасности жизнедеятельности.

1. Обзорная часть

электропривод ток частота преобразователь

1.1 Преобразователи частоты

С конца 1960-х годов преобразователи частоты изменились коренным образом, в основном, как результат разработки микропроцессорных и полупроводниковых технологий, а также благодаря снижению их стоимости.

Однако основополагающие принципы, заложенные в преобразователях частоты, остались прежними.

В состав преобразователей частоты входят четыре основных элемента:

1. Выпрямитель формирует пульсирующее напряжение постоянного тока при его подключении к одно/трёхфазной питающей электросети переменного тока. Выпрямители бывают двух основных типов - управляемые и неуправляемые.

2. Промежуточная цепь одного из трёх типов:

a) преобразующая напряжение выпрямителя в постоянный ток.

b) стабилизирующая или сглаживающая пульсирующее напряжение постоянного тока и подающая его на инвертор.

c) преобразующая неизменное напряжение постоянного тока выпрямителя в изменяющееся напряжение переменного тока.

3. Инвертор, который формирует частоту напряжения электродвигателя. Некоторые инверторы могут также конвертировать неизменное напряжение постоянного тока в изменяющееся напряжение переменного.

4. Электронная схема управления, которая посылает сигналы в выпрямитель, промежуточную цепь и инвертор и получает сигналы от данных элементов. Построение управляемых элементов зависит от конкретного преобразователя частоты (рис 2).

Рис. 1 Блок - схема преобразователя частоты

Рис. 2 Различные принципы построения/управления преобразователей частоты

Общим для всех преобразователей частоты является то, что все цепи управления управляют полупроводниковыми элементами инвертера. Преобразователи частоты различаются по режиму коммутации, используемому для регулирования напряжения питания электродвигателя.

На рис. 2, где показаны различные принципы построения/управления преобразователя, используются следующие обозначения:

1- управляемый выпрямитель

2- неуправляемый выпрямитель

3- промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока

4- промежуточная цепь неизменного напряжения постоянного тока

5- промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока

6- инвертор с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ)

7- инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)

Для полноты следует упомянуть прямые преобразователи, которые не имеют промежуточной цепи. Такие преобразователи используются в мегаваттном диапазоне мощности для формирования низкочастотного питающего напряжения непосредственно из сети частотой 50 Гц, при этом их максимальная выходная частота составляет 30 Гц.

Выпрямитель.

Питающее напряжение сети является трехфазным или однофазным напряжением переменного тока с фиксированной частотой (например, 3х400В/50Гц или 1х240В/50Гц); характеристики этих напряжений иллюстрируются на рис. 3 .

На рисунке все три фазы смещены между собой по времени, фазное напряжение постоянно изменяет направление, а частота указывает число периодов в секунду. Частота 50 Гц означает, что на секунду приходится 50 периодов (50хТ), т.е. один период длится 20 миллисекунд.

Рис. 3 Одно- и трёхфазное напряжение переменного тока

Рис. 4 Режим работы диода

Рис. 5 Неуправляемый выпрямитель

Выпрямитель преобразователя частоты строится либо на диодах, либо на тиристорах, либо на их комбинации. Выпрямитель, построенный на диодах, является неуправляемым, а на тиристорах - управляемым. Если используются и диоды, и тиристоры, выпрямитель является полу управляемым.

Неуправляемые выпрямители.

Диоды позволяют току протекать только в одном направлении: от анода (А) к катоду (К). Как и в случае некоторых других полупроводниковых приборов, величину тока диода регулировать невозможно. Напряжение переменного тока преобразуется диодом в пульсирующее напряжение постоянного тока. Если неуправляемый трёхфазный выпрямитель питается трёхфазным напряжением переменного тока, то и в этом случае напряжение постоянного тока будет пульсировать.

На рис.5 показан неуправляемый трёхфазный выпрямитель, содержащий две группы диодов. Одна группа состоит из диодов , . Другая группа состоит из диодов , . Каждый диод проводит ток в течение трети времени периода (). В обеих группах диоды проводят ток в определённой последовательности. Периоды, в течение которых обе группы работают, смещены между собой на 1/6 времени периода ().

Диоды , открыты (проводят), когда к ним приложено положительное напряжение. Если напряжение фазы достигает положительного пикового значения, то диод открыт и клемма А получает напряжение фазы . На два других диода будут действовать обратные напряжения величиной .

То же происходит и в группе диодов , . В этом случае клемма В получает отрицательное фазное напряжение. Если в данный момент фаза

Рис. 6 Выходное напряжение неуправляемого трёхфазного выпрямителя

Рис. 7 Режим работы тиристора

Рис. 8 Управляемый трехфазный выпрямитель

достигает предельного отрицательного значения, то диод открыт (проводит). На оба других диода действуют обратные напряжения величиной .

Выходное напряжение неуправляемого выпрямителя равно разности напряжений этих двух диодных групп. Среднее значение пульсирующего напряжения постоянного тока равно 1,35 =х напряжение сети.

Управляемые выпрямители.

В управляемых выпрямителях диоды заменены тиристорами. Подобно диоду тиристор пропускает ток только в одном направлении от анода (А) к катоду (К). Однако в противоположность диоду тиристор имеет третий электрод, называемы "затвором" (G). Чтобы тиристор открылся, на затвор должен быть подан сигнал. Если через тиристор течёт ток, тиристор будет пропускать его до тех пор, пока ток не станет равным нулю.

Ток не может быть прерван подачей сигнала на затвор. Тиристоры используются как в выпрямителях, так и в инверторах.

На затвор тиристора подаётся управляющий сигнал б, который характеризуется задержкой, выражаемой в градусах. Эти градусы указывают запаздывание между моментом перехода напряжения через нуль и временем, когда тиристор открыт.

Если угол б находится в пределах от 0 до 90 градусов, то тиристорная схема используется в качестве выпрямителя, а если в пределах от 90 до 300 градусов - то в качестве инвертора.

Управляемый выпрямитель в своей основе не отличается от неуправляемого за исключением того, что тиристор управляется сигналом б и начинает проводить с момента, когда начинает проводить обычный диод, до момента, который находится на 30 градусов позже точки перехода напряжения через нуль.

Рис. 9 Выходное напряжение управляемого трехфазного выпрямителя

Рис. 10 Промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока

Рис. 11 Промежуточная цепь постоянного напряжения

Регулирование значения б позволяет изменять величину выпрямленного напряжения. Управляемый выпрямитель формирует постоянное напряжение, среднее значение которого равно 1,35 х напряжение сети х cos б.

По сравнению с неуправляемым выпрямителем управляемый имеет более значительные потери и вносит более высокие помехи в сеть питания, поскольку при более коротком времени пропускания тиристоров выпрямитель отбирает от сети больший реактивный ток.

Преимуществом управляемых выпрямителей является их способность возвращать энергию в питающую сеть.

Промежуточная цепь.

Промежуточную цепь можно рассматривать как хранилище, из которого электродвигатель может получать энергию через инвертор. В зависимости от выпрямителя и инвертора, возможны три принципа построения промежуточной цепи.

Инверторы - источники тока (I - преобразователи).

В случае инверторов - источников тока промежуточная цепь содержит катушку большой индуктивности и сопрягается только с управляемым выпрямителем. Катушка индуктивности преобразует изменяющееся напряжение выпрямителя в изменяющийся постоянный ток. Величину напряжения электродвигателя определяет нагрузка.

Инверторы - источники напряжения (U - преобразователи).

В случае инверторов - источников напряжения промежуточная цепь представляет собой фильтр, содержащий конденсатор, и может сопрягаться с выпрямителем любого из двух типов. Фильтр сглаживает пульсирующее постоянное напряжение () выпрямителя.

В управляемом выпрямителе напряжение на данной частоте постоянно и подается на инвертор в качестве истинного постоянного напряжения () с изменяющейся амплитудой.

В неуправляемых выпрямителях напряжение на входе инвертора представляет собой постоянное напряжение с неизменной амплитудой.

Промежуточная цепь изменяющегося постоянного напряжения.

В промежуточных цепях изменяющегося постоянного напряжения можно перед фильтром включить прерыватель, как это показано на рис.12 .

Прерыватель содержит транзистор, который действует как переключатель, включая и выключаю напряжение выпрямителя. Система регулирования управляет прерывателем путём сравнения изменяющегося напряжения после фильтра с входным сигналом. Если существует разность, соотношение регулируется путем изменения времени, в течение которого транзистор открыт, и времени, когда он закрыт. Тем самым изменяется эффективное значение и величина постоянного напряжения, что может быть выражено формулой:

Когда транзистор прерывателя размыкает цепь тока, катушка индуктивности фильтра делает напряжение на транзисторе бесконечно большим. Чтобы избежать этого, прерыватель защищен быстропереключающимся диодом. Когда транзистор открывается и закрывается, как показано на рис.13, напряжение будет наибольшим в режиме 2.

Фильтр промежуточной цепи сглаживает прямоугольное напряжение после прерывателя. Конденсатор и катушка индуктивности фильтра поддерживают постоянство напряжения на данной частоте.

Рис. 12 Промежуточная цепь изменяющегося напряжения

Рис. 13 Транзистор - прерыватель управляет напряжением промежуточной цепи

Рис. 14 Обычный инвертор тока промежуточной цепи изменяющегося напряжения.

В зависимости от построения промежуточная цепь может также выполнять дополнительные функции, в число которых входят:

· развязка выпрямителя от инвертора

· уменьшение уровня гармоник

· накопление энергии с целью ограничения скачков прерывистой нагрузки.

Инвертор.

Инвертор - последнее звено в преобразователе частоты перед электродвигателем и место, где происходит, окончательная адаптация выходного напряжения.

Преобразователь частоты обеспечивает штатные рабочие условия во всем диапазоне регулирования путём адаптации выходного напряжения к режиму нагрузки. Это позволяет поддерживать оптимальное намагничивание электродвигателя.

Из промежуточной цепи инвертор получает:

· изменяющийся постоянный ток

· изменяющееся напряжение постоянного тока

· неизменное напряжение постоянного тока

Благодаря инвертору, в каждом из этих случаев на электродвигатель подаётся изменяющаяся величина. Другими словами, в инверторе всегда создаётся нужная частота напряжения, подаваемого на электродвигатель. Если ток или напряжение являются изменяющимися, инвертор создаёт нужную частоту. Если напряжение неизменно, инвертор создаёт для электродвигателя, как нужную частоту, так и нужное напряжение.

Даже если инверторы работают различным образом, их основная структура всегда одинакова. Основными элементами инверторов являются управляемые полупроводниковые приборы, включенные попарно в трех ветвях.

В настоящее время тиристоры в большинстве случаев заменены высокочастотными транзисторами, которые способны открываться и закрываться очень быстро. Частота коммутации обычно находится в пределах от 300 Гц до 20 кГц и зависит от используемых полупроводниковых приборов.

Полупроводниковые приборы в инверторе открываются и закрываются сигналами, формируемыми схемой управления. Сигналы могут формироваться несколькими различными способами.

Обычные инверторы, коммутирующие, главным образом, ток промежуточной цепи изменяющегося напряжения, содержат шесть тиристоров и шесть конденсаторов.

Конденсаторы позволяют тиристорам открываться и закрываться таким образом, что ток в фазных обмотках сдвигается на 120 градусов и должен быть адаптирован к типоразмеру электродвигателя. Когда на клеммы электродвигателя периодически подается ток в последовательности U-V, V-W, W-U, U-V…, возникает прерывистое вращающееся магнитное поле требуемой частоты. Даже если ток электродвигателя при этом имеет почти прямоугольную форму, напряжение электродвигателя будет практически синусоидальным. Однако при включении или выключении тока возникают броски напряжения.

Конденсаторы отделяются от нагрузочного тока электродвигателя диодами.

Инверторы с изменяющимся или неизменным напряжением промежуточной цепи содержат шесть коммутационных элементов и вне зависимости от вида используемых полупроводниковых приборов с помощью нескольких различных способов модуляции, изменяя тем самым выходную частоту преобразователя частоты.

Первый способ предназначен для изменяющегося напряжения или тока в промежуточной цепи.

Интервалы, в течение которых отдельные полупроводниковые приборы открыты, расположены в последовательности, используемой для получения требуемой выходной частоты. Эта последовательность коммутации полупроводниковых приборов управляется величиной изменяющегося напряжения или тока промежуточной цепи. Благодаря использованию генератора колебаний, управляемого напряжения, частота всегда отслеживает амплитуду напряжения. Такой вид управления инвертором называется амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).

Для фиксированного напряжения промежуточной цепи используется другой основной способ. Напряжение электродвигателя становится изменяющимся благодаря подаче напряжения промежуточной цепи на обмотки электродвигателя в течение более длинных или более коротких интервалов времени.

Частота изменяется путем изменения импульсов напряжения вдоль оси времени - положительно в течение одного полупериода и отрицательно - в течение другого.

Поскольку при этом способе происходит изменение длительности (ширины) импульсов напряжения, его называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). ШИМ - модуляция (и связанные с ней способы, например, синусоидально - управляемая ШИМ) является наиболее распространенным способом управления инвертора.

При ШИМ - модуляции схема управления определяет моменты коммутации полупроводниковых приборов при пересечении пилообразного напряжения и наложенного синусоидального опорного напряжения (синусоидально - управляемая ШИМ).

Рис. 15 Инвертор для изменяющегося или неизменного напряжения промежуточной цепи и зависимость выходного тока от частоты коммутации инвертора

Рис. 16 Модуляция амплитуды и длительности импульсов

Транзисторы.

Поскольку транзисторы могут коммутировать с высокими скоростями, электромагнитные помехи, возникающие при "импульсном" намагничивании электродвигателя, уменьшаются.

Другим преимуществом высокой частоты коммутации является гибкость модуляции выходного напряжения преобразователя частоты, что позволяет вырабатывать синусоидальный ток электродвигателя, в то время как схема управления должна просто открывать и закрывать транзисторы инвертора.

Частота коммутации инвертора - это "палка о двух концах", поскольку высокие частоты могут привести к нагреву электродвигателя и появлению больших пиковых напряжений. Чем выше частота коммутации, тем выше потери.

С другой стороны, низкая частота коммутации может привести к сильному акустическому шуму.

Высокочастотные транзисторы можно разделить на три основные группы:

· биполярные транзисторы (LTR)

· униполярные полевые МОП - транзисторы (MOS - FET)

· биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)

В настоящее время наиболее широко используются транзисторы IGBT, поскольку в них управляющие свойства транзисторов MOS - FET сочетаются с выходными свойствами транзисторов LTR; кроме того, они имеют надлежащий диапазон мощностей, подходящую проводимость и частоту коммутации, что позволяет значительно упростить управление современными преобразователями частоты.

Рис. 17 Влияние частоты коммутации на ток электродвигателя.

Рис. 18 Диапазон мощности и частоты силовых транзисторов

Рис. 19 Сравнение силовых транзисторов

1.2 Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)

Амплитудно-импульсная модуляция используется для преобразователей частоты с изменяющимся напряжением промежуточной цепи. В преобразователях частоты с неуправляемыми выпрямителями амплитуда выходного напряжения формируется прерывателем промежуточной цепи, а если выпрямитель является управляемым, амплитуда получается непосредственно. Транзистор (прерыватель) на рис. 20 отпирается или запирается схемой управления и регулирования. Значения времени коммутации зависит от номинального значения (входного сигнала) и измеренного сигнала напряжения (фактического значения). Фактическое значение измеряется на конденсаторе.

Катушка индуктивности и конденсатор действуют как фильтр, который сглаживает пульсации напряжения. Пик напряжения зависит от времени открывания транзистора, и если номинальное и фактическое значения различаются между собой, прерыватель работает до тех пор, пока не будет достигнут требуемый уровень напряжения.

Регулирование частоты.

Частота выходного напряжения изменяется инвертором в течение периода, при этом полупроводниковые коммутационные устройства срабатывают в течение периода много раз.

Длительность периода можно регулировать двумя способами:

1. непосредственно входным сигналом

2. с помощью изменяющегося постоянного напряжения, которое пропорционально входному сигналу

Рис. 20 Формирование напряжения в преобразователе частоты с прерывателем в промежуточной цепи

Рис. 21а Регулирование частоты с помощью напряжения промежуточной цепи

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

Широтно-импульсная модуляция является наиболее распространенным способом формирования трёхфазного напряжения с соответствующей частотой.

При широтно-импульсной модуляции формирование полного напряжения промежуточной цепи ( определяется длительностью и частотой коммутации силовых элементов. Частота повторения ШИМ - импульсов между моментами включения и выключения является переменной и позволяет осуществлять регулировку напряжения.

Имеются три основных варианта задания режимов коммутации в инверторе с управлением посредством широтно-импульсной модуляции.

1. Синусоидально - управляемая ШИМ

2. Синхронная ШИМ

3. Асинхронная ШИМ

Каждая ветвь трёхфазного ШИМ - инвертора может иметь два различных состояния (включено и выключено).

Три переключателя образуют восемь возможных коммутаций (), и, следовательно, восемь цифровых векторов напряжения на выходе инвертора или на обмотке статора подключенного электродвигателя. Как показано на рис. 21б, эти векторы 100, 110, 010, 011, 001, 101 находятся в углах описанного шестиугольника, используя в качестве нулевых векторы 000 и 111.

В случае коммутационных комбинаций 000 и 111 создаётся один и тот же потенциал на всех трёх выходных клеммах инвертора - либо положительный, либо отрицательный относительно промежуточной цепи (см. рис. 21в). Для электродвигателя это означает эффект, близкий к короткому замыканию клемм; к обмоткам электродвигателя также приложено напряжение 0 В.

Рис. 21б Рис. 21в

Синусоидально - управляемая ШИМ.

При синусоидально - управляемой ШИМ для управления каждым инверторным выходом используется синусоидальное опорное напряжение (. Длительность периода синусоидального напряжения соответствует требуемой основной частоте выходного напряжения. На три опорных напряжения накладывается пилообразное напряжение ( (см.рис. 22).

При пересечении пилообразного напряжения и синусоидальных опорных напряжений полупроводниковые приборы инверторов либо открываются, либо закрываются.

Пересечения определяются электронными элементами платы управления. Если пилообразное напряжение больше синусоидального, то при уменьшении пилообразного напряжения выходные импульсы изменяются от положительного значения до отрицательного (или от отрицательного до положительного), так что выходное напряжение преобразователя частоты определяется напряжением промежуточной цепи.

Выходное напряжение изменяется с помощью отношения между длительностью открытого и закрытого состояния, причём для получения требуемого напряжения это отношение можно менять. Таким образом, амплитуда отрицательных и положительных импульсов напряжения всегда соответствует половине напряжения промежуточной цепи.

При низких частотах статора время в закрытом состоянии увеличивается и может оказаться настолько большим, что окажется невозможным поддерживать частоту пилообразного напряжения.

Это увеличивает период отсутствия напряжения, и электродвигатель будет работать неравномерно. Чтобы избежать этого, на низких частотах можно удвоить частоту пилообразного напряжения.

Фазное напряжение на выходных клеммах преобразователя частоты соответствует половине напряжения промежуточной цепи, деленной на , т.е. равно половине напряжения питающей сети. Линейное напряжение на

Рис. 22 Принцип действия синусоидально - управляемой ШИМ (с двумя опорными напряжениями)

выходных клеммах в раз больше фазного напряжения, т.е. равно напряжению питающей сети, умноженному на 0,866.

Инвертор с ШИМ - управлением, который работает исключительно с модуляцией опорным синусоидальным напряжением, может подавать напряжение, равное 86,6% номинального напряжения (см. рис. 23).

При использовании чисто синусоидальной модуляции выходное напряжение преобразователя частоты не может достигнуть напряжения электродвигателя, поскольку выходное напряжение также будет меньше на 13%.

Однако требуемое дополнительное напряжение можно получить путём уменьшения числа импульсов, когда частота превышает примерно 45 Гц, но этот способ имеет некоторые недостатки. В частности, он вызывает ступенчатое изменение напряжения, что приводит к неустойчивой работе электродвигателя. Если число импульсов уменьшается, возрастают высшие гармоники на выходе преобразователя частоты, что увеличивает потери в электродвигателе.

Иной способ решения данной проблемы связан с использованием других опорных напряжений вместо трёх синусоидальных. Эти напряжения могут быть любой формы (например, трапецеидальной или ступенчатой).

Например, одно общее опорное напряжение использует третью гармонику синусоидального опорного напряжения. Получить такой режим коммутации полупроводниковых приборов инвертора, который увеличит выходное напряжение преобразователя частоты, можно путём увеличения амплитуды синусоидального опорного напряжения на 15,5% и добавления к нему третьей гармоники.

Рис. 23 Выходное напряжение синусоидально - управляемой ШИМ

Синхронная ШИМ.

Основная трудность использования метода синусоидально - управляемой ШИМ заключается в необходимости определения оптимальных значений времени коммутации и угла для напряжения в течение заданного периода. Эти значения времени коммутации должны устанавливаться таким образом, чтобы допускать только минимум высших гармоник. Такой режим коммутации сохраняется только в течение заданного (ограниченного) диапазона частот. Работа за пределами этого диапазона требует использования другого метода коммутации.

Применение синусоидально - управляемой ШИМ необходимо для оптимизации использования напряжения и минимизации спектра гармоник. Если частота повторения (т.е. частота пилообразного напряжения) становится очень высокой по сравнению с частотой опорного сигнала, эти два сигнала могут действовать асинхронно по отношению друг к другу. При отношениях частот около 10 и ниже будут появляться паразитные гармоники, в связи, с чем потребуется синхронизация этих двух сигналов. Такую синхронизацию можно наблюдать в результате так называемого "переключения передачи", которое пригодно для трёхфазных приводов переменного тока с низкими динамическими свойствами, где напряжение и частоту можно изменять медленно (обычное V/f - управление).

Асинхронная ШИМ.

Необходимость ориентации на поле и обеспечения быстродействия системы в отношении крутящего момента и регулирования скорости трехфазных приводов переменного тока (включая сервоприводы) требует ступенчатого изменения амплитуды и угла напряжения инвертора. Использование режима коммутации "обычной" или "синхронной" ШИМ не позволяет производить ступенчатое изменение амплитуды и угла напряжения инвертора.

Одним из способов выполнения этого требования является асинхронная ШИМ, при которой вместо синхронизации модуляции выходного напряжения с выходной частотой, как это обычно делается для уменьшения гармоник в электродвигателе, производится модуляция цикла векторного регулирования напряжения, что приводит к асинхронной связи с выходной частотой.

Существуют два основных варианта асинхронной ШИМ:

· асинхронная векторная модуляция, ориентированная на магнитный поток статора

· асинхронная векторная модуляция

Структура построения электроприводов, принципы управления электроприводами известны уже более пятидесяти лет, и являются практически идентичными у всех производителей. Элементная база, как у отечественных, так и у европейских производителей электроприводов также не имеет особых отличий, на сегодняшний день доступ к современным изделиям микроэлектроники не является для кого - либо особой проблемой.

Применение цифровых технологий позволяет реализовать структуру управления, содержащую П, ПИ, ПИД - регуляторы, причём изменение структуры регулятора не требует аппаратного вмешательства, что является большим преимуществом с точки зрения удобства отладки, по отношению к аналоговым электроприводам. Цифровой интерфейс таких устройств позволяет установить связь с персональным компьютером, программная среда, поставляемая вместе с электроприводом, является очень удобным средством для составления, ввода, отладки желаемых законов (временных диаграмм) функционирования ЭП. Программная среда - унифицированное средство для серии ЭП отображает в виде графиков, таблиц процессы, происходящие в виртуальном или работающие в реальном времени в электроприводе, позволяет задавать, регулировать, практически все параметры электропривода, процессы его работы, такие как время его разгона, торможения, ограничение по току, моменту двигателя, дискретные и аналоговые сигналы на входе и выходе преобразователя. Визуальный контроль доступен также на пульте управления, а на некоторых электроприводах, например "Siemens", с пульта управления осуществляется программирование всех параметров доступных в программной среде. С этой точки зрения отечественные электроприводы значительно уступают импортным аналогам, кроме того, импортные электроприводы отличаются высоким качеством, более компактны, не требуют частого обслуживания, но обладают низкой ремонтопригодностью в российских условиях. Цифровой интерфейс импортных электроприводов позволяет легко включать приводы в сложные разветвлённые иерархические структуры управления, унифицированный интерфейс позволяет в единую систему управления устройства различных фирм производителей, наиболее распространённым является интерфейс RS-485, а также RS-232. Важным достоинством современных импортных электроприводов, весьма необходимым для обеспечения надёжного функционирования, является наличие функции непрерывной диагностики и прогнозирования аварийных режимов.

С помощью преобразователей частоты появляется возможность совершенствования технологии регулирования большинства производственных процессов, во всех отраслях промышленности. При этом нет необходимости менять привод, построенный на асинхронном двигателе. Применение ПЧ позволяет регулировать параметры асинхронного электродвигателя, обеспечивая более высокие параметры технологического процесса при экономии электроэнергии. Наибольший эффект от использования наблюдается при изменении нагрузки привода в широких пределах при старт-стопных режимах.

Использование ПЧ позволило создать информационное пространство, что дает возможности наблюдения и управления технологическим процессом с диспетчерского пульта, архивирование информации в базах данных, экспорта данных клиентам локальных и вычислительных сетей. Канал связи может быть радиочастотным, проводным, оптоволоконным, GSM-модем. При использовании GSM-модема информация передаётся на диспетчерский пункт или на мобильный телефон.

Рассмотрим несколько электроприводов некоторых зарубежных и отечественных производителей.

Весь спектр частотных преобразователей фирмы "Siemens", представлен на мировом рынке одним общим именем "Sinamics". Департамент A&D LD Industry-ведущий производитель новой серии в области мощности более 200 кВт, который поставляет свое оборудование для химической, целлюлозно-бумажной промышленности, водоснабжения и канализации, судостроения, металлургической и нефтегазовой промышленности и т.д. Общей особенностью, которая создала основу для разработки новой унифицированной серии, служит общие технические требования со стороны рабочих машин к автоматизированному электроприводу, которые по общим признакам могут быть сведены в 4 группы:

1. Механизмы с вентиляторной нагрузкой на рабочем валу и простыми требованиями к электроприводу, невысокой динамикой переходных процессов, ограниченными требованиями к перегрузке, невысокими требованиями к точности регулирования момента и скорости (вентиляторы, насосы, компрессоры)

2. Механизмы с постоянным моментом на рабочем валу и нереверсивным в динамике электроприводом, с высокими требованиями к перегрузочной способности, невысокими требованиями к точности регулирования момента и скорости, без необходимости инвертирования энергии торможения в сеть и низкими требованиями к динамике переходных процессов (экструдеры, смесители, мельницы)

3. Механизмы с постоянным моментом на рабочем валу и реверсивным в динамике электроприводом.

a) Механизмы с высокими требованиями к перегрузочной способности, необходимостью инвертирования энергии торможения в сеть, средними требованиями к точности регулирования момента и скорости, средними требованиями к динамики переходных процессов (центрифуги, буровые установки)

b) Механизмы с высокими требованиями к перегрузочной способности, необходимостью инвертирования энергии торможения в сеть, высокими требованиями к точности регулирования момента и скорости, высокими требованиями к динамике переходных процессов (испытательные стенды, летучие ножницы, моталки)

4. Механизмы с различными требованиями к перегрузочной

способности, необходимостью инвертирования энергии

торможения в сеть, с различными требованиями к точности

регулирования момента и скорости, различными требованиями

к динамике переходных процессов и постоянным моментом на

валу рабочей машины (бумагоделательные машины, каландры,

технологические линии)

Такое деление требований к электроприводу со стороны рабочих машин позволило создать новую серию преобразователей "Sinamics" с максимальной унификацией технических решений и компонентов отвечающих самым современным требованиям и пожеланиям заказчика.

Так, например, для механизмов, относящихся к п.1 был разработан преобразователь типа "Sinamics G150" на мощности от 75 до 800 кВт, на напряжение 380-480 В, 500-600 В и 660-690 В. С помощью этого преобразователя можно решать не только технологические задачи, но и вопросы эффективного энергоснабжения за счёт короткого срока окупаемости нового оборудования.

Для механизмов, относящихся к п.2 был разработан преобразователь типа "Sinamics S150" на мощности от 75 до 1200 кВт шкафного исполнения и преобразователь типа "Sinamics S120" на мощности от 90 до 1000 кВт встраиваемого исполнения. Так как не все механизмы, относящиеся к п.2 и п.3, требуют инвертирования энергии торможения в сеть, то существуют 2 типа исполнения преобразователей (нереверсивные и реверсивные типа AFE с активным выпрямителем на входе на базе IGBT-транзисторов).

Для механизмов, относящихся к п.4, используются преобразователи типа "Sinamics S150" с активным выпрямителем типа AFE на входе преобразователя.

Для диапазона среднего напряжения разработан преобразователь типа "Sinamics GM/SM 150" в двух исполнениях на мощность до 30 МВт. Эти типы преобразователей могут работать совместно с асинхронными и синхронными электродвигателями, а также с электродвигателями с постоянными магнитами. Максимальная частота на выходе преобразователя составляет 250 Гц для быстроходных механизмов.

Преобразователи типа "Sinamics GM" - нереверсивные преобразователи среднего напряжения, а преобразователи "Sinamics SM" - реверсивные преобразователи среднего напряжения с активным AFE выпрямителем на входе.

Эти преобразователи разработаны для применения в следующих отраслях промышленности: нефтегазовой, судостроении, металлургической, целлюлозно-бумажной, цементной, водоснабжении и канализации, горной промышленности.

Быстроходные электроприводы, которые могут быть реализованы на базе преобразователей, имеют следующий диапазон мощности от 5 МВт при частоте вращения 15000 об/мин до 15 МВт при частоте вращения 7000 об/мин.

Так, например, быстроходные газоперекачивающие станции на базе электропривода в сравнении с газотурбинным приводом имеют следующие преимущества: значительно меньшие капитальные вложения при строительстве и меньшие затраты на обслуживание, отсутствие выбросов в атмосферу, низкий шум и более простую адаптацию привода к требованиям технологии.

"Sinamics" в преобразовательной технике нашло свое применение в различных отраслях промышленности в России.

ОАО "Ижевский радиозавод" освоил серийное производство ПЧ и станций управления на их основе. Эта станции управления двумя, тремя насосами, станции управления мультифазными насосами для нефтяников, станции управления погружными электронасосами.

Параметры выпускаемых ОАО "Ижевский радиозавод" ПЧ: мощность от 370 до 1,2 МВт; плавное регулирование частоты от 0,5 до 200 Гц; вход 220 В или 3х380 В, 50-60 Гц; выход 3х(0-220) В, или 3х(0-380) В, или 3х(0-660) В; КПД не менее 0,95; исключение из рабочего диапазона двух резонансных частот; компенсация скольжения; память о 4-х последних авариях; автоматическое возобновления работы после аварии; торможение постоянным током; внутренний встроенный ПИ-регулятор; 6 программируемых цифровых и 2 аналоговых входа; 4 программируемых цифровых выхода (3 реле, 1 откр. коллектор) и 2 аналоговых выхода; аварийная защита от перенапряжения, перегрузки, короткого замыкания, сбоев в цепях управления, перегрева преобразователя лили двигателя; встроенная тепловая модель, учитывающая нагрузку и скорость вращения двигателя.

Спецификой высоковольтного электропривода фирмы Rockwell Automation является то, что он выполнен на основе инвертора тока с ШИП. Как результат, мы управляем существующими электродвигателями без снижения их номинальной мощности и без дополнительных фильтров ан выходе электропривода. Специальных требований к изоляции двигателей и высоковольтных кабелей нет. Расстояние от электропривода до двигателя не ограничено, что упрощает определение места установки. Два примера: 1. Погружной насос в Мексиканском заливе - расстояние от электродвигателя до привода - 14 км; 2. Минская ТЭЦ4 - с 1997г. управление двигателем ДАЗО 1250 кВт, 1966г. выпуска, производства Армении.

В зависимости от существующей у заказчика системы энергоснабжения Rockwell Automation предлагает 6-ти, 18-ти или ШИМ выпрямитель. При установке своего оборудования фирма Rockwell Automation несет ответственность за соответствие ГОСТР формы высоковольтного напряжения без применения фильтро-компенсирующих устройств. Электропривод PF7000 снабжён необходимыми цепями для подключения его к существующим вакуумным или масляным ячейкам КРУ.

Присущий электроприводу PF7000 режим рекуперации позволяет осуществлять торможение инерционных нагрузок без применения специальных тормозных модулей.

Управление одним электроприводом группой электродвигателей с возможностью переключения на байпас любого из них, автоматический подхват вращающегося по инерции двигателя, являются стандартной опцией с поставкой "под ключ" комплектные высоковольтные системы.

Описанные выше особенности и требования заказчика являются основой для составления проекта. Rockwell Automation разработаны опросные листы, по результатам заполнения которых составляется спецификация и начинается изготовление высоковольтного электропривода. Каждый высоковольтный привод индивидуален, срок изготовления - 4-6 месяцев, ещё 1-1,5 месяца занимает доставка. Через два месяца после составления спецификации заказчик получает полный комплект проектной документации, в которую могут быть внесены изменения. Как правило, в это время Rockwell Automation наиболее плотно работают с местными проектными организациями.

ЗАО "ТЕХНОКОМПЛЕКС" поставляет серию преобразователей частоты ПЧ "Омега" для частотно-регулируемых асинхронных электроприводов насосов, компрессоров, вентиляторов, воздуходувок, дымососов, конвейеров, транспортёров, центрифуг, дробильного оборудования и многих других механизмов.

Применение преобразователей частоты ПЧ "Омега" позволяет:

· Снизить расход электроэнергии на 30-50%;

· Увеличить срок службы электродвигателя и приводных механизмов;

· Экономить воду и исключать гидроудары в системах водоснабжения;

· Сократить эксплуатационные расходы;

· Управлять электроприводом в соответствии с требуемым технологическим процессом;

Основные характеристики ПЧ "Омега":

· Питающая сеть 3х380 В, -10%, -15%, 50 Гц;

· Выходное напряжение 3х(0…380) В, +2%;

· Выходная частота 0,5…50 Гц, +0,1% по требованию заказчика максимальная частота может быть увеличена до 200 Гц;

· Ток перегрузки 125% в течение 300 с;

· КПД не менее 0,97 при номинальном токе;

· Коэффициент мощности гармоник выходных токов не более 5% при выходной частоте 50 Гц;

Все преобразователи серии ПЧ "Омега" построены по единой идеологии и обеспечивают работу электропривода в нескольких режимах:

· Ручное регулирование выходной частоты со встроенного или дистанционного пульта управления;

· Плавный разгон электродвигателя с заданным темпом;

· Разгон по предельным (заданным) значениям тока фаз электродвигателя;

· Плавное торможение электродвигателя;

· Торможение электродвигателя по предельному значению напряжения в звене постоянного тока;

· Режим самозапуска преобразователя после перебоев питания;

· Режим автоматического поддержания значения технологического параметра (давление, температура, уровня и т.д.);

· Режим компенсации колебаний скольжения при работе электродвигателя на механизм с большим моментом инерции;

· Режим автоматического управления параметром в соответствии с заданной зависимостью изменения параметра от времени суток (дискретность 1 мин);

· Работа в режиме ослабленного магнитного поля при скоростях вращения электродвигателя выше номинальной;

· Режим группового обслуживания насосов;

· Работа под управлением по каналу RS-232 или RS-485;

· Работа на электропривод с большим пусковым моментом;

· Реверс.

По требованию заказчика преобразователи частоты могут комплектоваться:

· Пультом дистанционного управления и сигнализации;

· Датчиком технологического параметра (давление, температура, уровень, расход и т.д.);

· Коммутационной и защитной аппаратурой при работе на группу электродвигателей;

· Дополнительными выходным фильтрами;

· Блоком внешнего тормозного резистора;

В системе реализованы многочисленные функции защиты, в числе которых:

· От превышения заданного напряжения сети;

· От понижения напряжения сети ниже заданного уровня;

· От нарушения функционирования микропроцессорного ядра;

· От превышения напряжения в звене постоянного тока;

· От повышения тока в каждом из IGBT-модуля;

· От короткого замыкания в нагрузке;

· От повышения тока в звене постоянного тока;

· От повышения температуры охладителя IGBT-модуля;

· Времятоковая защита;

ЗАО "ЭРАСИБ" поставляет серию регулируемых электроприводов "ЭРАТОН" с плавным изменением частоты вращения электродвигателей.

ЭРАТОН-М4 - транзисторные электроприводы (на IGBT-модулях) для асинхронных электродвигателей мощностью от 1,7 до 350 кВт и диапазоном регулирования от 1 до 100 Гц с векторным управлением или с управлением по закону U/f=const.

ЭРАТОН-В - транзисторные высоковольтные электроприводы мощностью 0,5-5 МВт с векторным управлением или с управлением по закону U/f=const.

Электроприводы применяются в станках, прессах, компрессорах, центрифугах, конвейерах, насосах, вентиляторах, грузоподъёмных механизмах, в том числе кранах и др. Они могут работать с двигателями, как общепромышленного назначения, так и специального без какой-либо конструктивной доработки, исключают ударные нагрузки за счёт применения плавного пуска и торможения с заданным током или моментом. Просты в обслуживании и надёжны в эксплуатации. Имеют технологические возможности, не уступающие зарубежным аналогам, при значительно меньшей цене.

Электроприводы предназначены для работы в условиях:

· высота над уровнем моря не более 1000 м;

· температура окружающего воздуха для УХЛЗ.1 от -10 до +40 С, для У2 от -40 до +40;

· относительная влажность воздуха 98% при 25С;

· окружающая среда невзрывоопасная, не содержащая токопроводящей пыли, агрессивных газов и паров в концентрации, разрушающих металлы и изоляцию;

Управление электроприводами может осуществляться как с пульта местного управления, так и дистанционно, через внешний разъём преобразователя.

Задание частоты вращения осуществляется стандартным сигналом (): 0…10 В, 0…20 мА, 4…20 мА, 0…5 мА.

В электроприводах имеются следующие виды защит:

· максимально-токовая защита;

· защита от перегрева двигателя;

· защита от снижения или превышения напряжения звена постоянного тока;

· защита от просадки или исчезновения напряжения питания собственных нужд;

· тепловая защита силовых транзисторов;

Перегрузка в течение 30-60 с - (1,05…2) Iн - номинальный ток нагрузки преобразователя. Время и величина перегрузки согласовывается при заказе.

По спецзаказу электроприводы могут быть изготовлены:

· на другие напряжения питающей сети;

· с другим видом климатического исполнения;

· со степенью защиты IP64;

· с повышенной перегрузочной способностью (время и величина перегрузки согласовывается при заказе).

1.3 Анализ современных типовых электроприводов переменного тока

В течение длительного времени (до 1960 -х) как в России, так и за рубежом регулируемый электропривод выполняли, в основном, на базе электродвигателей постоянного тока и электромашинных, а в последнее время полупроводниковых преобразователей переменного тока в постоянный (выпрямителей). До сих пор электропривод постоянного тока, достаточно широко известный и отработанный, остаётся преобладающим в системах привода нефтебуровых установок, экскаваторов, шахтных подъёмных машин, прокатных станов, бумагоделательных машин и других объектов.

Наряду с этим интенсивно проводились научно - исследовательские работы по созданию и внедрению частотно - регулируемого электропривода переменного тока, более сложного и дорогого, но имеющего ряд бесспорных преимуществ по сравнению с электроприводом постоянного тока.

Появление в последние годы полупроводниковых приборов с повышенными техническими характеристиками и цифровых систем управления привело к усовершенствованию частотно - регулируемого электропривода и, в первую очередь, на базе асинхронных электродвигателей, который признан наиболее перспективным на ближайшее будущее.

Угловую скорость АД переменного тока можно регулировать путём изменения частоты питающего напряжения, однако, для наиболее полной реализации потенциальных возможностей частотно - регулируемого электропривода и получения наивысших экономических показателей целесообразно создавать специальные модификации электродвигателей с некоторыми конструктивными особенностями.

До середины 70 - х годов предъявляли в основном требования к механическим характеристикам, надёжности и стоимости АД. В связи с дешевой электроэнергией в те годы нормировался ни КПД, ни виброакустические характеристики, поэтому выполнение указанных к снижению массогабаритных показателей на единицу мощности при одновременном снижении стоимости.

Наступивший в середине 70 - х годов энергетический кризис заставил изменить отношение к этим требованиям, в результате чего появились серии и модификации АД с достаточно высоким КПД. В связи с повышением уровня автоматизации технологических процессов увеличилось число электродвигателей на производстве, а следовательно, возросли шумовые и вибрационные нагрузки. Это потребовало нормирования и снижения уровня шума двигателей. Кроме того, значительно ужесточились требования к надёжности и потребности в регулируемых электропривода.

Особо следует отметить, что при совместной работе АД с полупроводниковыми преобразователями в двигателе возникают переходные процессы. Значительные пульсации и появление высших гармоник и магнитных потоков приводят к увеличению электрических и магнитных потерь, электродинамических усилий, повышению температуры нагрева, уровней звукового давления и вибрации, снижению срока службы и надёжности АД. Использование серийных машин в динамических режимах стало проблематичным, а частотно - регулируемых электроприводов - неоптимальным. Возникла необходимость в разработке специальных модификаций регулируемых АД с учётом указанных факторов.

Кроме того, большое разнообразие структур и принципов частотно - регулируемых электроприводов обусловило необходимость проведения исследований с целью технико-экономического обоснования их выбора.

И, наконец, в связи с активным стремлением отечественного производителя на мировой рынок появилось необходимость учитывать требования международной стандартизации.

Таким образом, к настоящему моменту сложились необходимые условия для предъявления к АД комплекса требований, выполнение которых и определяет их технический уровень. Этот комплекс включает в себя требования к механическим характеристикам для регулируемого электропривода, надёжности, энергетическим показателям, виброакустическим характеристикам, экономической эффективности, соответствию международным стандартам.

Асинхронные двигатели условно можно разделить на регулируемые и нерегулируемые по скорости.

Основные требования к механическим характеристикам нерегулируемых АД: кратность пускового, максимального и минимального моментов, возможность пуска с заданной динамической массой и заданным моментом сопротивления - изложены в документах МЭК.

В основном эти требования касаются пусковых характеристик АД, которые получают разными способами, в то числе: при разработке и конструировании машин; в результате применения специальных бесконтактных пускателей или других электронных устройств.

В свою очередь регулируемый электропривод можно разделить по виду применяемого преобразователя:

1. Преобразователь частоты с непосредственной связью

2. Преобразователь частоты со звеном постоянного тока

3. Преобразователь частоты с инвертором с ШИМ

Преобразователь с непосредственной связью предназначен для преобразования высокой частоты в низкую и состоит из 18 тиристоров, объединённых во встречно - параллельные группы с раздельным управлением (рис. 24). В основе преобразователя лежит трёхфазная нулевая схема выпрямителя; каждая фаза преобразователя состоит из двух таких встречновключенных выпрямителей.

Рис.24 Преобразователь частоты с непосредственной связью

Рис. 25 Структурная схема преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока

К достоинствам этого типа преобразователя относятся:

1. однократное преобразование энергии и, следовательно, высокий КПД (0,97-0,98)

2. возможность независимого регулирования амплитуды напряжения на выходе от частоты

3. свободный обмен реактивной и активной энергией из сети к двигателю и обратно

4. отсутствие коммутирующих конденсаторов

К недостаткам относятся:

1. ограниченное регулирование выходной частоты (от 0% до 40% частоты сети)


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.