ДонНТУ   Портал магістрів

Балабанов Євген Юрійович

Електротехнічний факультет

Кафедра електроприводу та автоматизації промислових установок

Спеціальність Електромеханічні системи автоматизації та електропривод

Аналіз енергетичних режимів електроприводів змінного струму з живленням від перетворювача частоти

Науковий керівник: к.т.н., доц. Світличний Олексій Васильович

Резюме Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати
• 3. Огляд літературних джерел
• 3.1 Енергетичні показники електроприводу на базі частотного перетворювача
• 3.2 Забезпечення максимально досяжного ККД на що випускаються перетворювачах частоти
• 3.3 Рорахунок індуктивності мережевих дроселів
• 3.3.1 Методи розрахунку індуктивностей
• 3.3.2 Повітряні контури
• 3.3.3 Котушки з замкнутими магнитопроводами (сердечниками)
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Ефективне використання енергії є однією з найважливіших проблем народного господарства. Її рішення дозволить знизити споживання енергетичних і матеріальних ресурсів при виробництві промислової і сільськогосподарської продукції, зменшити великі непродуктивні витрати держави і населення в сфері житлово – комунального господарства, поліпшити екологічну обстановку в країні. Важливу роль у вирішенні цієї проблеми відіграє електропривод, який є основним споживачем електричної енергії.

У загальному випадку енергозбереження може здійснюватися як в самому ЕП, так і в обслуговуваних їм технологічних процесах, де використовується виробляється їм механічна енергія. При цьому застосування регульованого ЕП дозволяє забезпечити при реалізації багатьох технологічних процесів енергозбереження, іноді у багато разів перевершує економію енергії в самому ЕП.

Наприклад, регулювання швидкості стрічки транспортера за рахунок ЕП, що подає деталі в гартівну піч, дозволяє мінімізувати кількість теплової енергії на їх загартування в залежності від їх сортаменту, технології гарту і інших чинників. Досить ефективно регульований по швидкості ЕП може забезпечити енергозбереження в таких робочих машинах, як насоси, вентилятори і компресори. Оскільки ці робочі машини широко використовуються в промисловості, на транспорті, в сільському і в житлово – комунальному господарстві, споживаючи за різними оцінками 30–40% вироблюваної електроенергії, енергозбереження в цій сфері засобами ЕП виявляється дуже ефективним.

1. Актуальність теми

Дуже важливим пунктом є зниження енергетичних витрат. Особливо це стосується великих підприємств, де витрати в основному здійснюються при постачанні електродвигунів. Застосування перетворювачів частоти вирішує деякі проблеми пов'язані з енергоспоживанням, проте є певні особливості. У більшості випадків використовують статичні перетворювачі частоти з використанням широтно – імпульсной модуляції (ШІМ). Ефективність сучасних ПЧ становить близько 95%. Використання ШІМ вносить додаткові гармонійні компоненти, наявність яких негативно позначається на продуктивності і ефективності електродвигуна. Таким чином, ПЧ впливає на характеристики АД і може бути небезпечним для мережі живлення. Внаслідок цього коефіцієнт корисної дії (ККД) АД підключеного до ПЧ знижується. Наявність гармонік головним чином збільшує електричні втрати в міді. Збільшення втрат призведе до збільшення температури двигуна і як наслідок зменшує його ККД. У зв'язку з цими особливостями на сьогоднішній день дослідження енергетичних показників і подальше зменшення витрат є актуальною темою на сьогоднішній день.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою магістерської роботи є дослідження енергетичних режимів регульованого електроприводу працюючого від перетворювача частоти, та визначення умов забезпечення найбільш енергоефективного режиму роботи.

Завдання

1. Iзучення літературних джерел з питань енергетики та електроприводів.
2. Експериментальне дослідження зміни ККД перетворювача і двигуна при різних режимах роботи.
3. Дослідження впливу перетворювача на мережу.
4. Визначення методів підвищення ККД системи частотний перетворювач – асинхронний електродвигун і перевірка їх ефективності.
5. Розробка методичних рекомендацій по налаштуванню систем перетворювач частоти-асинхронний електродвигун для забезпечення високих енергетичних показників.

3. Огляд літературних джерел

3.1 Енергетичні показники електроприводу на базі частотного перетворювача

На частку електроприводу припадає близько 70% всієї електроенергії, що виробляється. Тому ефективність використання цієї електроенергії має величезне технічне та економічне значення. Живлення до електричних приводiв (за винятком приводів транспортних або мобільних машин) надходить від промислової мережі змінного струму частотою 50 Гц. Електроприводи споживають (а при роботі в рекуперативному гальмівному режимі і віддають) з мережі активну потужність. Активна потужність витрачається на корисну роботу і покриття втрат в усій електромеханічної системі робочої машини. Аналізуючи ефективність використання електричної енергії, слід розрізняти енергетичну ефективність самого технологічного процесу, який здійснюється робочою машиною з електроприводом, і ефективність власне електроприводу, яка характеризується його ККД, який являє собою відношення вихідної потужності Р_вих даного пристрою до вхідної потужності Р_вх, або відношення корисної потужності Р_кор (або енергії) до витраченої Р_затр [1], [2]:

де ΔP – втрати в цьому пристрої;

Оскільки силова частина електроприводу складається з електродвигунного, передавального і перетворювального пристроїв, то ККД електроприводу

У асинхронних двигунів потужністю вище 0,1 кВт номінальний ККД становить 0,85…0,9. З зростанням потужності номінальний ККД підвищується і у великих високошвидкісних двигунів змінного струму потужністю понад 1000 кВт може досягати 0,97. ККД електродвигунів істотно залежить від навантаження на валу двигуна. Для аналізу цієї залежності користуються методом поділу втрат ΔР на постійні K і змінна V:

Для нерегульованих по швидкості двигунів постійні втрати включають в себе [1]:
• втрати в сталі;
• механічні втрати, в тому числі на самовентиляцію;
• додаткові втрати.

Змінні втрати V обчислюють за такими формулами:
– для машин постійного струму – V = I_я² R_я;
– для асинхронних двигунів – V = 3I₁²r₁ + 3I₂²r₂;
де 3I₁²r₁ – втрати в обмотці статора; 3I₂²r₂ – втрати в обмотці ротора.

Втрати в роторному ланцюгу

Орієнтовно можна вважати, що втрати в обмотках статора відносяться до втрат в обмотках ротора пропорційно r₁/r₂. Тоді змінні втрати для асинхронних двигунів:

Очевидно, що при роботі з неповним навантаженням ККД двигуна знижується. Типова крива залежності ККД асинхронного двигуна від навантаження показана на мал. 1. З мал. 1 видно, що завищення встановленої потужності двигуна веде до зниження його експлуатаційного ККД, тобто до непродуктивних витрат електроенергії. ККД перетворюючого пристрою, виконаного на базі силових напівпровідникових приладів, досить велике. Втрати в перетворювачі визначаються головним чином прямим падінням напруги в напівпровідниковому приладі. В середньому можна вважати, що U = 2 В, для мостових схем U = 4,0 В.

Таким чином номінальні втрати для перетворювачів напругою 440 В складають 1%, а для перетворювачів напругою 220 В – 2%. З урахуванням втрат в реактивних елементах напівпровідникових перетворювачів можна приймати їх ККД рівним 0,95…0,98. Втрати в механічних передавальних пристроях (редукторі, трансмісії та ін.) Визначаються головним чином силами тертя. Ці втрати, а, отже, ККД механічної передачі залежать від типу використовуваних підшипників, класу обробки зубчастих коліс, систем змащення та ін. ККД механічної передачі істотно залежить від переданого моменту. Під ККД робочої машини (РМ) розуміють твір ККД електроприводу η_эп на ККД робочої машини. Так, для вентиляційної установки

де η_вен – аеродинамічний ККД вентилятора; Q – продуктивність вентилятора, м³/с; H – натиск; P_витр – витрачена електрична потужність, кВт.

Якщо робоча машина працює в енергетично постійному режимі, то її енергоємність, що виражається через ККД, визначається за формулою (1.6). Якщо робоча машина працює циклічно (наприклад, вантажопідйомні механізми, поздовжньо – фрезерні верстати та ін.), то більш правильно ККД робочої машини визначати за витратами енергії за цикл роботи [2]:

де – відповідно корисна робота за цикл,

– витрачена енергія за цикл.

В мережі змінного струму, з якої надходить живлення на електропривод, циркулює реактивна потужність, внаслідок чого відбувається завантаження мережі живлення реактивним струмом, що не створює роботи. Реактивна потужність оцінюється величиною cos φ, де кут φ – фаза зсуву першої гармоніки струму відносно першої гармоніки напруги. У асинхронних короткозамкнених двигунів номінальний cos φ = 0,7…0,8. Недовантаження асинхронного двигуна веде до подальшого зниження cos φ. У приводах по системі ТП – Д cos φ = cos α, що визначається запізненням, що встановлюються системою імпульсно – фазового управління, відкривання тиристорів. Тому в приводах ТП – Д при високій швидкості cos φ в мережі змінного струму буде високим (0,8…0,9), по мірi зниження швидкості, коли кут α зростає, cos φ буде зменшуватися. При включенні приводу ТП – Д відбуваються кидки реактивної потужності. У сучасних системах регульованого електроприводу прагнуть використовувати некеровані випрямлячі, здійснюючи регулювання величини напруги, що подається до обмоток двигуна, широтно – імпульсними методами. В цьому випадку cos φ в мережі живлення буде не нижче 0,95. З точки зору компенсації реактивної потужності багатьох споживачів електроенергії ефективно використання для нерегульованих електроприводів синхронних двигунів великоїпотужності, які при збудження здатні генерувати реактивну потужність для її компенсації в енергосистемі підприємства.

3.2 Забезпечення максимально досяжного ККД на випущених перетворювачах частоти.

Для двигунів, що працюють з повним навантаженням, зниження напруги призводить до зменшення частоти обертання. Якщо продуктивність механізмів залежить від частоти обертання двигуна, то на висновках таких двигунів рекомендується підтримувати напругу не нижче номінальної. При значному зниженні напруги момент опору механізму може перевищити обертаючий момент, що приводить до перекидання двигуна, т. т. до його зупинки. Щоб уникнути пошкоджень двигун необхідно відключити його від мережі [4].

Якщо двигун довго працює при зниженій напрузі, то через прискорений зносу ізоляції термін служби двигуна зменшується [5]. Тому з точки зору нагріву двигуна більш небезпечні в розглянутих межах негативні відхилення напруги.

Для аналізу різних показників роботи електрообладнання з ним проводяться приладові дослідження, які дають такі результати.

У процесі досліджень вивчається вплив частоти, напруги і температури на електроспоживання та робочі характеристики АД [3].

Як вихідних значень реєструються: напруга, струм, частота мережі, активна і повна потужність, ККД трифазного інвертора; напруга, частота, момент на валу, лінійні струми, cos φ, частота обертання, що підводиться активна і корисна потужності на валу, ККД АД.

Як об'єкт дослідження використовується АД номінальною потужністю 60, 1100, 1700 Вт.

I. Порівняння характеристик АД при зміні напруги і частоти за допомогою трифазного інвертора і синхронного генератора (СГ) [3].

Для інвертора і синхронного генератора відмінність між середніми лінійними струмами обмотки статора і частотою обертання ротора статистично значимо, що обумовлено впливом форми кривої напруги. Тобто від СГ при тих же навантаженнях протікає менший струм в обмотці статора в порівнянні з інвертором.

ККД АД значимо вище для знижених напруг, створюваних СГ, в порівнянні з трифазним інвертором.

На підставі результатів досліджень наведених в [3] висуваються різні гіпотези про вид регресійної залежності між змінними з метою підбору рівняння регресії. Потім наводяться деякі результати одиночної і множинної регресії, встановлених в ході проведених досліджень:

– ККД АД і ККД трифазного інвертора істотно не змінюється зі зростанням напруги при фіксованих навантаженнях на валу;

– зміна частоти в діапазоні від 45 до 52 Гц при фіксованих навантаженнях на валу значимо впливає на ККД АД (η = - 0,002 ηf ³ + 0,330 f ² - 16,11 f + 262,4; RI = 1), створюючи локальний мінімум на частоті 47 Гц, і максимум при 51 Гц;

– також спостерігається вплив частоти на виході інвертора на його ККД: η = - 0,005 f ³ + 0,778 f ² - 38,77 f + 643,6; RI = 1;

– виключення доданків незначимо погіршує предсказувальнi можливості рівняння регресії (коефіцієнт детермінації зменшився). При цьому значення наведеного коефіцієнта детермінації збільшується.

II. Аналіз результатів для зміни напруги і частоти за допомогою трифазного інвертора [3]:

– виконаний множинний кореляційний і регресійний аналіз в програмному продукті Statistica для залежності струму холостого ходу від лінійної напруги і частоти.

Інформаційна частина вікна вказує на наступні параметри аналізу:

– коефіцієнт множинної кореляції R = 0,99726;

– коефіцієнт детермінації, що показує частку загального розкиду (щодо вибіркового середнього залежною змінною), яка пояснюється побудованої регресією R₂ = 0,9945;

III. При зміні навантаження двигуна відбувається зміна як струму I₁ так i потужності P₁, так і частоти обертання ротора n₂, ковзання s, ККД η і cos φ₁. Залежності n₂, s, М₂, I₁, cos φ₁, η і P₁ від P₂ при U₁ = const і f₁ = const називаються робочими характеристиками асинхронного двигуна. Їх приблизний вигляд (були відмінності для різних потужностей) для значимо змінюючихся робочих характеристик в порівнянні з природними [6] (суцільні лінії) для АД представлений на малюнку 2:

а (пунктиром) – тенденція до їх зміни при зменшенні напруги за допомогою інвертора;

б (точками) – за допомогою СГ щодо малої потужності;

в – вказані при зменшенні частоти інвертором.

3.3 Розрахунок індуктивності мережевих дроселів

3.3.1 Методи розрахунку індуктивностей

Індуктивністю (коефіцієнтом самоіндукції) називають коефіцієнт пропорційності між струмом і збуджуючим їм потокозчеплення. Якщо мова йде про ставлення потокосцепления одного з двох контурів в силі обумовлює його струму в іншому контурі, то говорять про взаємної індуктивності (коефіцієнті взаємної індуктивності).

Оскільки індуктивність, як це випливає з визначення, залежить від розподілу струму в провідниках, при її розрахунку треба враховувати вплив частоти. Під низькою частотою розуміється така, при якій можна знехтувати нерівномірністю розподілу струму по перетинах проводів; довжина електромагнітної хвилі при цьому значно більше лінійних розмірів перетину. Під досить високою частотою розуміють частоту, довжина хвилі якої значно менше розмірів поперечного перерізу проводу; при цьому струм можна вважати зосередженим в поверхневому шарі нульової товщини. Високі частоти займають проміжне положення.

3.3.2 Повітряні контури

Під повітряними контурами на увазі таку систему проводів, для яких магнітна проникність дорівнює проникності навколишнього середовища. Розрахунок в загальному випадку зводиться до наступного. Переймаючись струмами в розглянутих контурах, розбивають кожен з струмів на елементарні нитки і на основі закону Біо – Савара визначають індуктивність на потрібній точці поля. За її значенням знаходять потік, зчіплюються з якою‑небудь ниткою струму, потім обчислюють повний магнітний потік, зчіплюються з даним контуром і визначається відповідним струмом.

Якщо справедливо припущення, що струм розподілений рівномірно по перетину або по поверхні дроту, застосовують варіант методу, що полягає в наступному. Потік, зчіплюються з якою – небудь ниткою струму, висловлюють як суму потоків взаємної індукції, що створюються іншими нитками, причому підсумовування має бути поширене на всі нитки даного контуру при обчисленні взаємної індуктивності. При цьому отримують вирази, що містять в явному вигляді вказівки на необхідні математичні операції.

Отримання розрахункових співвідношень для індуктивності можливо на основі та інших міркувань. За визначенням індуктивність [8]:

де I – струм; ψ – обумовлене їм потокосцепление; ω – число витків; G – деяка величина, що є функцією геометричних розмірів системи і має розмірність магнітної провідності.

Якщо приватні потоки зчіплюються з усіма витками, то для розрахунку індуктивності береться провідність простору, в якому розглядається сумарний потік.

Розрахунок індуктивностей котушок виконують по одному з двох методів підсумовування або масивного витка. Метод підсумовування, що полягає в обліку часткових власних і взаємних індуктивностей окремих витків, не має явних переваг і застосовується досить рідко (головним чином для чисельних розрахунків котушок складної форми). Методом масивного витка порівнюють індуктивність даної котушки з індуктивністю масивного витка, що має таку ж форму і розміри, при цьому припускаючи, що коефіцієнт заповнення дорівнює одиниці. Таким чином, знаходять розрахункову індуктивність, до якої потім обчислюють поправки на ізоляцію [9], [10].

3.3.3 Котушки з замкнутим магнітопроводів (сердечниками).

Розрахунок індуктивності котушок в магнитопроводах замкнутої форми здійснюють за загальними співвідношенням для магнітних кіл. В кінцевому своєму вигляді ці співвідношення відрізняються від результатів, отриманих для повітряних котушок, наявністю множника, що враховує властивості сердечника і рівного його магнітної проникності.

Малюнок 4 – Котушки із замкнутим магнітопроводом

Якщо для будь‑якого ланцюга можливо інтегральне визначення формалізованої магнітної провідності (або опору), для обчислення індуктивності можна використовувати формулу

зв'язує індуктивність з магнітним опором R_M, у вигляді

де S_M – площа поперечного перерізу магнітопроводу; l_M – довжина середньої магнітної силової лінії; μ_a – абсолютна магнітна проникність матеріалу сердечника.

Більш детальну інформацію можна знайти за посиланням [7].

Висновки

1. Асинхронний електродвигун, що живиться ШІМ напругою, має більш низьку ефективність, ніж при живленнi синусоїдальною напругою, в зв'язку зi збільшенням втрат, викликаних гармоніками.
2. При роботі АД від частотних перетворювачів повинна оцінюватися ефективність системи в цілому, а не тільки електродвигуна.
3. Кожен випадок повинен бути належним чином проаналізовано з урахуванням характеристик, як двигуна, так і перетворювача, з огляду на наступні параметри: робоча частота, частота перемикання, діапазон швидкостей, навантаження і потужність двигуна, сумарний коефіцієнт гармонійних спотворень і т. п.
4. Збільшення частоти комутації збільшує ККД двигуна і знижує ККД інвертора (через збільшення втрат на переходах силових ключів).

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2019 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

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.