Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Эффективное использование энергии является одной из важнейших проблем народного хозяйства. Её решение позволит снизить потребление энергетических и материальных ресурсов при производстве промышленной и сельскохозяйственной продукции, уменьшить большие непроизводительные расходы государства и населения в сфере жилищно – коммунального хозяйства, улучшить экологическую обстановку в стране. Важную роль в решении этой проблемы играет электропривод, который является основным потребителем электрической энергии.

В общем случае энергосбережение может осуществляться как в самом ЭП, так и в обслуживаемых им технологических процессах, где используется вырабатываемая им механическая энергия. При этом применение регулируемого ЭП позволяет обеспечить при реализации многих технологических процессов энергосбережение, иногда во много раз превосходящее экономию энергии в самом ЭП.

Например, регулирование скорости ленты транспортера за счет ЭП, подающего детали в закалочную печь, позволяет минимизировать количество тепловой энергии на их закалку в зависимости от их сортамента, технологии закалки и других факторов. Весьма эффективно регулируемый по скорости ЭП может обеспечить энергосбережение в таких рабочих машинах, как насосы, вентиляторы и компрессоры. Поскольку эти рабочие машины широко используются в промышленности, на транспорте, в сельском и в жилищно – коммунальном хозяйстве, потребляя по различным оценкам 30–40% вырабатываемой электроэнергии, энергосбережение в этой сфере средствами ЭП оказывается очень эффективным.

1. Актуальность темы

Очень важным пунктом является снижение энергетических затрат. Особенно это касается больших предприятий, где затраты в основном осуществляются при снабжении электродвигателей. Применение преобразователей частоты решает некоторые проблемы связанные с энергопотреблением, однако есть определенные особенности. В большинстве случаев используют статические преобразователи частоты с использованием широтно – импульсной модуляции (ШИМ). Эффективность современных ПЧ составляет около 95%. Использование ШИМ вносит дополнительные гармонические компоненты, наличие которых отрицательно сказывается на производительности и эффективности электродвигателя. Таким образом, ПЧ влияет на характеристики АД и создает помехи в питающей сети. Вследствие этого коэффициент полезного действия (КПД) АД подключенного к ПЧ снижается. Наличие гармоник главным образом увеличивает электрические потери в меди. Увеличение потерь приведет к увеличению температуры двигателя и как следствие уменьшает его КПД. В связи с этими особенностями на сегодняшний день исследование энергетических показателей и дальнейшее уменьшение затрат является актуальной темой на сегодняшний день.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью магистерской работы является исследование энергетических режимов регулируемого электропривода работающего от преобразователя частоты, и определение условий обеспечения наиболее энергоэффективного режима работы.

Основные задачи исследования:

  1. Изучение литературных источников по вопросам энергетики электроприводов.
  2. Экспериментальное исследование изменения КПД преобразователя и двигателя при различных режимах работы.
  3. Исследование влияния преобразователя на сеть.
  4. Определение методов повышения КПД системы частотный преобразователь – асинхронный электродвигатель и проверка их эффективности.
  5. Разработка методических рекомендаций по настройке систем преобразователь частоты-асинхронный электродвигатель для обеспечения высоких энергетических показателей.

3. Обзор литературных источников

3.1 Энергетические показатели электропривода на базе частотного преобразователя

На долю электропривода приходится около 70% всей вырабатываемой электроэнергии. Поэтому эффективность использования этой электроэнергии имеет огромное техническое и экономическое значение. Питание на электрические приводы (за исключением приводов транспортных или мобильных машин) поступает от промышленной сети переменного тока частотой 50 Гц. Электроприводы потребляют (а при работе в рекуперативном тормозном режиме и отдают) из сети активную мощность. Активная мощность расходуется на полезную работу и покрытие потерь во всей электромеханической системе рабочей машины. Анализируя эффективность использования электрической энергии, следует различать энергетическую эффективность самого технологического процесса, который осуществляется рабочей машиной с электроприводом, и эффективность собственно электропривода, характеризуемую его КПД, который представляет собой отношение выходной мощности Рвых данного устройства к входной мощности Рвх, или отношение полезной мощности Рпол (или энергии) к затраченной Рзатр [1], [2]:

Формула – Отношение выходной мощности к выходной мощности

где ΔP – потери в данном устройстве, Формула – Потери в рассматриваемом устройстве

Поскольку силовая часть электропривода состоит из электродвигательного, передаточного и преобразовательного устройств, то КПД электропривода

Формула – КПД электропривода

У асинхронных двигателей мощностью выше 0,1 кВт номинальный КПД составляет 0,85…0,9. С ростом мощности номинальный КПД повышается и у крупных высокоскоростных двигателей переменного тока мощностью свыше 1000 кВт может достигать 0,97. КПД электродвигателей существенно зависит от нагрузки на валу двигателя. Для анализа этой зависимости пользуются методом разделения потерь ΔР на постоянные К и переменные V:

Формула – Анализ зависимости КПД от нагрузки

Для нерегулируемых по скорости двигателей постоянные потери включают в себя [1]:
• потери в стали;
• механические потери, в том числе на самовентиляцию;
• добавочные потери.

Переменные потери V вычисляют по следующим формулам:
– для машин постоянного тока – V = Iя2 Rя;
– для асинхронных двигателей – V = 3I12r1 + 3I22r2;
где 3I12r1 – потри в обмотке статора; 3I22r2 – потери в обмотке ротора.

Потери в роторной цепи

Формула – Потери в роторной цепи

Ориентировочно можно считать, что потери в обмотках статора относятся к потерям в обмотках ротора пропорционально r1/r2. Тогда переменные потери для асинхронных двигателей:

Формула – Переменные потери для асинхронных двигателей

Очевидно, что при работе с неполной нагрузкой КПД двигателя снижается. Типичная кривая зависимости КПД асинхронного двигателя от нагрузки показана на рис. 1. Из рис. 1 видно, что завышение установленной мощности двигателя ведет к снижению его эксплуатационного КПД, т. е. к непроизводительному расходу электроэнергии. КПД преобразовательного устройства, выполненного на базе силовых полупроводниковых приборов, довольно велико. Потери в преобразователе определяются главным образом прямым падением напряжения в полупроводниковом приборе. В среднем можно считать, что U = 2 В, для мостовых схем U = 4,0 В.

Рисунок 1 – Зависимость КПД асинхронного двигателя от нагрузки

Рисунок 1 – Зависимость КПД асинхронного двигателя от нагрузки

Таким образом номинальные потери для преобразователей напряжением 440 В составляют 1%, а для преобразователей напряжением 220 В – 2%. С учетом потерь в реактивных элементах полупроводниковых преобразователей можно принимать их КПД равным 0,95…0,98. Потери в механических передаточных устройствах (редукторе, трансмиссии и др.) определяются главным образом силами трения. Эти потери, а, следовательно, КПД механической передачи зависят от типа используемых подшипников, класса обработки зубчатых колес, систем смазки и др. КПД механической передачи существенно зависит от передаваемого момента. Под КПД рабочей машины (РМ) понимают произведение КПД электропривода ηэп на КПД рабочей машины. Так, для вентиляторной установки

Формула – КПД для вентиляторной установки

где ηвен – аэродинамический КПД вентилятора; Q – производительность вентилятора, м3/с; H – напор; Pзатр – затраченная электрическая мощность, кВт.

Если рабочая машина работает в энергетически постоянном режиме, то ее энергоемкость, выражаемая через КПД, определяется по формуле (1.6). Если рабочая машина работает циклически (например, грузоподъемные механизмы, продольно – строгальные станки и др.), то более правильно КПД рабочей машины определять по затратам энергии за цикл работы [2]:

Формула – КПД рабочей машины по затратам энергии за цикл работы

где Формула – соответственно полезная работа за цикл – соответственно полезная работа за цикл,

Формула – затраченная энергия за цикл – затраченная энергия за цикл.

В сети переменного тока, из которой поступает питание на электропривод, циркулирует реактивная мощность, вследствие чего происходит загрузка сети питания реактивным током, не создающим работы. Реактивная мощность оценивается величиной cos φ, где угол φ – фаза сдвига первой гармоники тока относительно первой гармоники напряжения. У асинхронных короткозамкнутых двигателей номинальный cos φ = 0,7…0,8. Недогрузка асинхронного двигателя ведет к дальнейшему снижению cos φ. В приводах по системе ТП – Д cos φ = cos α, что определяется запаздыванием, устанавливаемым системой импульсно – фазового управления, открывания тиристоров. Поэтому в приводах ТП – Д при высокой скорости cos φ в сети питания переменного тока будет высоким (0,8…0,9), по мере снижения скорости, когда угол α растет, cos φ будет уменьшаться. При включении привода ТП – Д происходят броски реактивной мощности. В современных системах регулируемого электропривода стремятся использовать неуправляемые выпрямители, осуществляя регулирование величины напряжения, подаваемого к обмоткам двигателя, широтно – импульсными методами. В этом случае cos φ в сети питания будет не ниже 0,95. С точки зрения компенсации реактивной мощности многих потребителей электроэнергии эффективно использование для нерегулируемых электроприводов синхронных двигателей большой мощности, которые при перевозбуждении способны генерировать реактивную мощность для её компенсации в энергосистеме предприятия.

3.2 Обеспечение максимально достижимого КПД на выпускаемых преобразователях частоты.

Для двигателей, работающих с полной нагрузкой, понижение напряжения приводит к уменьшению частоты вращения. Если производительность механизмов зависит от частоты вращения двигателя, то на выводах таких двигателей рекомендуется поддерживать напряжение не ниже номинального. При значительном снижении напряжения момент сопротивления механизма может превысить вращающий момент, что приводит к опрокидыванию двигателя, т. е. к его остановке. Во избежание повреждений двигатель необходимо отключить от сети [4].

Если двигатель длительно работает при пониженном напряжении, то из‑за ускоренного износа изоляции срок службы двигателя уменьшается [5]. Поэтому с точки зрения нагрева двигателя более опасны в рассматриваемых пределах отрицательные отклонения напряжения.

Для анализа различных показателей работы электрооборудования с ним проводятся приборные исследования, которые дают следующие результаты.

В процессе исследований изучается влияние частоты, напряжения и температуры на электропотребление и рабочие характеристики АД [3].

В качестве выходных значений регистрируются: напряжение, ток, частота сети, активная и полная мощность, КПД трехфазного инвертора; напряжение, частота, момент на валу, линейные токи, cos φ, частота вращения, подводимая активная и полезная мощности на валу, КПД АД.

В качестве объекта исследования используется АД номинальной мощностью 60, 1100, 1700 Вт.

I. Сравнение характеристик АД при изменении напряжения и частоты с помощью трехфазного инвертора и синхронного генератора (СГ) [3].

С помощью однофакторного дисперсионного анализа в программном продукте Microsoft Excel, Stat Graphics и Statistica изучается влияние трехфазного инвертора на электропотребление и рабочие характеристики АД. С интервалом 10 В изменяется напряжение на выходе трехфазного инвертора, а затем синхронного генератора, регистрируя выходные данные при фиксированных нагрузках на валу.

Для инвертора и синхронного генератора различие между средними линейными токами обмотки статора и частотой вращения ротора статистически значимо (на уровне, соответственно p = 0,00667 и 0,216, т. е. меньше, чем критическое значение 0,05), что обусловлено влиянием формы кривой напряжения. То есть от СГ при тех же нагрузках протекает меньший ток в статорной обмотке по сравнению с инвертором.

КПД АД значимо выше для пониженных напряжений, создаваемых СГ, по сравнению с трехфазным инвертором.

На основании результатов исследований приведенных в [3] выдвигаются различные гипотезы о виде регрессионной зависимости между переменными с целью подбора уравнения регрессии. Затем приводятся некоторые результаты одиночной и множественной регрессии, установленных в ходе проведенных исследований:

– КПД АД и КПД трехфазного инвертора существенно не изменяется с ростом напряжения при фиксированных нагрузках на валу;

– изменение частоты в диапазоне от 45 до 52 Гц при фиксированных нагрузках на валу значимо влияет на КПД АД (η = – 0,002 ηf3 + 0,330 f2 – 16,11 f + 262,4; RI = 1), создавая локальный минимум на частоте 47 Гц, и максимум при 51 Гц;

– также наблюдается влияние частоты на выходе инвертора на его КПД: η = – 0,005 f 3 + 0,778 f 2 – 38,77 f + 643,6; RI = 1;

– исключение слагаемых (пошаговый регрессионный анализ в программе Statgraphics) незначимо ухудшает предсказательные возможности уравнения регрессии (коэффициент детерминации уменьшился). При этом значение приведенного коэффициента детерминации увеличивается.

Дальнейшие попытки добавления в уравнение еще не включенных слагаемых незначимо улучшают модель; а попытки удаления уже включенных в модель слагаемых значимо ее ухудшают, поэтому процедура пошагового регрессионного анализа прекращается.

II. Анализ результатов для изменения напряжения и частоты с помощью трехфазного инвертора [3]:

Информационная часть окна указывает на следующие параметры анализа:

– коэффициент множественной корреляции R = 0,99726;

– коэффициент детерминации, показывающий долю общего разброса (относительно выборочного среднего зависимой переменной), которая объясняется построенной регрессией R2 = 0,9945;

III. При изменении нагрузки двигателя происходит изменение как тока I1 и мощности P1, так и частоты вращения ротора n2, скольжения s, КПД η и cos φ1. Зависимости n2, s, М2, I1, cos φ1, η и P1 от P2 при U1 = const и f1 = const называются рабочими характеристиками асинхронного двигателя. Их примерный вид (имелись отличия для различных мощностей) для значимо изменяющихся рабочих характеристик по сравнению с естественными [6] (сплошные линии) для АД представлен на рисунке 2:

а (пунктиром) – тенденция к их изменению при уменьшении напряжения с помощью инвертора;

б (точками) – с помощью СГ относительно малой мощности;

в – указаны при уменьшении частоты инвертором.

Рисунок 2 – Примерный вид значимо изменяющихся рабочих характеристик АД

Рисунок 2 – Примерный вид значимо изменяющихся рабочих характеристик АД: а – при изменении напряжения с помощью трехфазного инвертора; б – при изменении напряжения с помощью СГ; в – при изменении частоты с помощью инвертора
(анимация: 6 кадров; 7 циклов; 69 килобайт)

3.3 Расчет индуктивности сетевых дросселей

3.3.1 Методы расчета индуктивностей

Индуктивностью (коэффициентом самоиндукции) называют коэффициент пропорциональности между током и возбуждаемым им потокосцеплением. Если речь идет об отношении потокосцепления одного из двух контуров в силе обусловливающего его тока в другом контуре, то говорят о взаимной индуктивности (коэффициенте взаимной индуктивности).

Рисунок 3 – Явление взаимной индукции

Рисунок 3 – Явление взаимной индукции

Поскольку индуктивность, как это следует из определения, зависит от распределения тока в проводниках, при ее расчете надо учитывать влияние частоты. Под низкой частотой понимается такая, при которой можно пренебречь неравномерностью распределения тока по сечениям проводов; длина электромагнитной волны при этом значительно больше линейных размеров сечения. Под весьма высокой частотой понимают частоту, длина волны которой значительно меньше размеров поперечного сечения провода; при этом ток можно считать сосредоточенным в поверхностном слое нулевой толщины. Высокие частоты занимают промежуточное положение.

3.3.2 Воздушные контуры

Под воздушными контурами подразумевают такую систему проводов, для которых магнитная проницаемость равна проницаемости окружающей среды. Расчет в общем случае сводится к следующему. Задаваясь токами в рассматриваемых контурах, разбивают каждый из токов на элементарные нити и на основе закона Био‑Савара определяют индуктивность в выбранной точке поля. По ее значению находят поток, сцепляющийся с какой‑нибудь нитью тока, затем вычисляют полный магнитный поток, сцепляющийся с рассматриваемым контуром и определяемый соответствующим током.

Если справедливо предположение, что ток распределен равномерно по сечению или по поверхности провода, применяют вариант метода, заключающийся в следующем. Поток, сцепляющийся с какой‑нибудь нитью тока, выражают как сумму потоков взаимной индукции, создаваемых другими нитями, причем суммирование должно быть распространено на все нити данного контура при вычислении взаимной индуктивности. При этом получают выражения, содержащие в явном виде указания на необходимые математические операции.

Получение расчетных соотношений для индуктивности возможно на основе и иных соображений. По определению индуктивность [8]:

Формула – Формула индуктивности

где I – ток; ψ – обусловленное им потокосцепление; ω – число витков; G – некоторая величина, являющаяся функцией геометрических размеров системы и имеющая размерность магнитной проводимости.

Если частные потоки сцепляются со всеми витками, то для расчета индуктивности берется проводимость пространства, в котором рассматривается суммарный поток.

Расчет индуктивностей катушек выполняют по одному из двух методов суммирования или массивного витка. Метод суммирования, заключающийся в учете частичных собственных и взаимных индуктивностей отдельных витков, не имеет явных преимуществ и применяется довольно редко (главным образом для численных расчетов катушек сложной формы). Методом массивного витка сравнивают индуктивность рассматриваемой катушки с индуктивностью массивного витка, имеющего такую же форму и размеры, при этом предполагая, что коэффициент заполнения равен единице. Таким образом, находят расчетную индуктивность, к которой затем вычисляют поправки на изоляцию [9], [10].

3.3.3 Катушки с замкнутыми магнитопроводами (сердечниками).

Расчет индуктивности катушек в магнитопроводах замкнутой формы осуществляют по общим соотношениям для магнитных цепей. В конечном своем виде эти соотношения отличаются от результатов, полученных для воздушных катушек, наличием множителя, учитывающего свойства сердечника и равного его магнитной проницаемости.

Рисунок 4 – Катушки с замкнутым магнитопроводом

Рисунок 4 – Катушки с замкнутым магнитопроводом

Если для какой – либо цепи возможно интегральное определение формализованной магнитной проводимости (или сопротивления), для вычисления индуктивности можно использовать формулу

Формула – Формула вычисления индуктивности

связывающую индуктивность с магнитным сопротивлением RM, в виде

Формула – Формула связывающая индуктивность с магнитным сопротивлением

где SM – площадь поперечного сечения магнитопровода; lM – длина средней магнитной силовой линии; μa – абсолютная магнитная проницаемость материала сердечника.

Более подробную информацию можно найти по ссылке [7].

Выводы

  1. Асинхронный электродвигатель, питаемый ШИМ напряжением, имеет более низкую эффективность, чем при питании синусоидальным напряжением, в связи с увеличением потерь, вызванных гармониками.
  2. При работе АД от частотных преобразователей должна оцениваться эффективность системы в целом, а не только электродвигателя.
  3. Каждый случай должен быть должным образом проанализирован с учетом характеристик, как двигателя, так и преобразователя, учитывая следующие параметры: рабочая частота, частота переключения, диапазон скоростей, нагрузка и мощность двигателя, суммарный коэффициент гармонических искажений и т. д.
  4. Увеличение частоты коммутации увеличивает КПД двигателя и снижает КПД инвертора (из-за увеличения потерь на переключениях силовых ключей).

На момент написания данного реферата магистерская работа еще не завершена. Ориентировочная дата завершения магистерской работы: июнь 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Энергетические показатели электропривода на базе частотного преобразователя // Евроредуктор [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.artesk.ru/invertor…, свободный.
  2. Влияние преобразователя частоты на коэффициент полезного действия асинхронного двигателя // Омский государственный технический университет [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://research-journal.org/…, свободный.
  3. Статистический анализ влияния на рабочие характеристики асинхронного двигателя трехфазного инвертора и синхронного генератора / А. В. Дробов – Учреждение образования Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого, Беларусь, 2017 г. – 4 с.
  4. Дробов А. В. Электрические машины: учеб. пособие / А. В. Дробов, В. Н. Галушко. – Минск: РИПО, 2015. – 292 с.
  5. Галушко В. Н. Надежность электроустановок и энергетических систем: учеб.–метод. пособие / В. Н. Галушко, С. Г. Додолев. – Гомель: БелГУТ, 2014. – 154 с.
  6. Черномашенцев В. Г. Электрические машины: учеб.– метод. пособие для самостоятельной проработки курс.: Ч. I. Трансформаторы. Асинхронные машины / В. Г. Черномашенцев, В. А. Пацкевич, В. Н. Галушко. – Гомель : БелГУТ, 2011. – 129 с.
  7. Расчет индуктивности / Учебные материалы [Электронный ресурс] – Режим доступа:https://works.doklad.ru/…, свободный.
  8. Индуктивность / Учебные материалы [Электронный ресурс] – Режим доступа:https://works.doklad.ru/…, свободный.
  9. Электроизоляционные материалы / Электромеханика [Электронный ресурс] – Режим доступа:https://www.electromechanics.ru/…, свободный.
  10. Испытания изоляции электрооборудования / Учебные материалы для студентов [Электронный ресурс] – Режим доступа:https://studme.org/239931/…, свободный.