Калачев Ю.Н. "Управляемый асинхронный электропривод"
Еще недавно, лет шесть-семь назад, в нашей стране, утверждение о том, что обычный общепромышленный асинхронный двигатель может с успехом использоваться в регулируемом по скорости электроприводе, вызывало удивление, или недоверие, у многих главных и не очень главных конструкторов и инженеров. Сегодня же, можно сказать, что страна вполне активно включилась в общемировой бум по использованию регулируемого по скорости асинхронного электропривода во всех областях промышленности и хозяйства.
Развитие асинхронного электропривода, и вытеснение им других типов управляемых электроприводов, в первую очередь, связано с непревзойденными эксплуатационными свойствами асинхронного электродвигателя. Эта “рабочая лошадка” мирового прогресса, не имеет аналогов по простоте и надежности.
- Именно он тратит большую часть вырабатываемой на Земле электроэнергии.
- Именно он является самым массовым, дешевым и надежным.
- Именно он, одинаково успешно может удалять навоз из коровника или управлять графитовыми стержнями ядерного реактора.
- Именно он подает воду и тепло в наши дома и доставляет нас на лифте к порогу родного дома.
- Именно он может работать там, где другие двигатели работать просто не могут, в запыленной, взрывоопасной и агрессивной среде, в вакууме и под водой.
Несмотря на это, до недавнего времени, в качестве регулируемых по скорости электроприводов, в нашей стране, в основном, использовались электропривода постоянного тока. Системы регулирования скорости двигателя постоянного тока достаточно просты, но слабым местом такого электропривода является двигатель. Он дорог а, коллекторно-щеточный механизм является его основной проблемой. При работе, коллектор подгорает, двигатель требует постоянного обслуживания, не может работать в запыленной и агрессивной среде.
Асинхронный двигатель дешев. Он не имеет подвижных контактов, что определяет его высокую надежность, но управление им до недавнего времени вызывало большие проблемы. То есть, теория то в нашей стране, как всегда развивалась хорошо. Основной закон управления асинхронным двигателем в частотном режиме был сформулирован еще в тридцатых годах академиком Костенко. Реализовать данный закон удалось гораздо позже, когда появились мощные тиристоры.
Совершенствование и дальнейшее развитие асинхронного электропривода было связано с силовыми транзисторными схемами. Примерно в одно и то же время, в России, Германии и Японии были разработаны принципы векторного регулирования скорости асинхронного двигателя, но реализовали эти принципы впервые, на фирме “Сименс”, в ставшей хрестоматийной системе “Трансвектор”. Отставание практики от теории в области асинхронного электропривода, у нас в стране, было в первую очередь, обусловлено отставанием уровня развития силовой электронной элементной базы от мирового уровня. Советские разработчики зажатые рамками доступной элементной базы не могли создать простых и надежных систем, в то время, как в Европе, Японии и США такие системы успешно разрабатывались и внедрялись. Эти системы получили название преобразователей частоты. В настоящее время, широкий поток зарубежных преобразователей потихоньку заливает необъятные просторы нашей Родины.
Что же такое преобразователь частоты.
Преобразователи частоты это электронные устройства для плавного бесступенчатого регулирования скорости вращения вала асинхронного двигателя.
Частотное регулирование
В простейшем случае частотного регулирования управление скоростью вращения вала осуществляется с помощью изменения частоты и амплитуды трехфазного напряжения подаваемого на двигатель.
Структура преобразователя частоты
Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей:
- звена постоянного тока
Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети (L1, L2, L3) преобразуется в нем в напряжение постоянного тока (+, -).
Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей соединенных по схеме приведенной выше. Каждая обмотка двигателя подсоединяется через соответствующий ключ к положительному и отрицательному полюсу звена постоянного тока.
Инвертор осуществляет преобразование напряжения постоянного тока в трехфазное переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды
(U, V, W), управляющее двигателем.
Система управления осуществляет управление силовым инвертором.
Прочитав последние строки и внимательно посмотрев на рисунок, Вы можете задаться вопросом:
“ А как же это с помощью ключевых схем можно осуществить преобразование постоянного напряжение в синусоидальное напряжение переменной частоты и амплитуды? Неувязочка у Вас, автор, получается.”
Действительно, непосредственно, приложить синусоидальное напряжение переменной частоты и амплитуды к обмоткам двигателя данная схема не позволяет, но она позволяет, используя Широтно Импульсную Модуляцию (сокращенно ШИМ), импульсно прикладывать к обмоткам двигателя напряжение звена постоянного тока, таким образом, что эффект оказывается практически эквивалентен, приложению синусоидального напряжения, требуемой частоты и амплитуды.
ШИМ
ШИМ характеризуется периодом модуляции, внутри которого вывод обмотки подключается, по очереди, к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность этих состояний, внутри периода ШИМ, модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2 … 15 кГц), тактовых частотах ШИМ, в обмотках двигателя, вследствие их фильтрующих свойств, протекают синусоидальные токи. Их частота и амплитуда определяются соответствующими параметрами модулирующей функции. Подобное импульсное управление позволяет получить очень высокий КПД преобразователя и практически эквивалентно, аналоговому управлению с помощью частоты и амплитуды напряжения.
Векторное регулирование
При векторном регулировании, в отличие от частотного, управление скоростью вращения двигателя осуществляется с помощью регулирования амплитуды и фазы вектора поля двигателя. Такое управление является наиболее точным в динамике и статике, а так же более экономичным.
Преимущества векторного регулирования:
- Точная отработка скорости с компенсацией скольжения (даже без обратной связи по скорости).
- Глубокий диапазон регулирования
- В области малых частот двигатель работает плавно и сохраняет момент вплоть до нулевой скорости.
- Быстрая реакция на скачки нагрузки.
- При резких скачках нагрузки практически не происходит скачков скорости, вследствие высокой динамики регулирования.
- Оптимизация КПД двигателя на низких частотах.
- За счет регулирования тока намагничивания, осуществляется оптимизация режима работы двигателя и снижение потерь.
Примеры применения преобразователей частоты.
Преобразователи широко применяются в различных областях промышленности и хозяйства. Внедрение регулируемого асинхронного электропривода позволяет получать новые качества систем и часто дает удивительный эффект в области энергосбережения. В данной статье я буду ссылаться на опыт НТЦ “Приводная Техника”. Эта организация, как раз, работает в области производства и внедрения асинхронного электропривода.
ПРИМЕР РЕГУЛИРОВАНИЯ 1.
Г. Зеленоград, ПУ “Зеленоградводоканал”, станция подкачки №164
Функцией насосной станции подкачки является поддержание заданного давления в сети, причем расход перекачиваемой жидкости, как правило, может существенно изменяться в зависимости от конкретных условий.
В случае применения преобразователя частоты, осуществляется поддержание давления в гидросистеме независимо от расхода, с помощью регулирования частоты вращения электродвигателя насоса. Таким образом, при малых расходах насос вращается на малой скорости необходимой только для поддержания номинального давления и не расходует лишней энергии. На станции подкачки, предназначенной для подачи холодной питьевой воды в несколько жилых домов с населением 5026 человек, на насос К-90/35, мощностью 11 кВт, был установлен преобразователь частоты MITSUBISHI ELECTRIC. Приведенный справа график был снят во время работы преобразователя и иллюстрирует процесс регулирования.В течение суток расход воды меняется почти в 6 раз. Ночью он минимален, а утром и вечером наблюдаются максимумы. За счет плавного регулирования скорости вращения двигателя насоса, преобразователь частоты в любых условиях, даже при резком изменении расхода, поддерживает напор в системе постоянным.
При сравнении с нерегулируемым режимом насоса, были получены следующие результаты
:экономия электроэнергии 54% (за счет оптимизации расхода энергии)
экономия холодной питьевой воды 34% (за счет отсутствия избыточного давления ночью)
Подобные цифры экономии не являются исключением. Как правило, экономия энергии при таком использовании преобразователей составляет 25-60%.
Пример регулирования 2
Г. Жуковский, МП “ТЕПЛОЦЕНТРАЛЬ”
На данном предприятии, по инициативе НТЦ “Пиводная Техника”, был проведен эксперимент по оценке эффективности использования преобразователей частоты на тепловых станциях для управления приводами дымососов и вентиляторов газовых котлов.
В зависимости от различных внешних условий (расхода воды, температуры воздуха, лимитов газа и т. д.) из карты режимов выбирается тот или иной режим работы котла. Режим работы котла определяется расходом газа, который, в свою очередь, связан с давлением воздуха на входе котла и разрежением на выходе. Давление создается с помощью нагнетающего вентилятора, а разряжение с помощью дымососа.
Традиционно для регулирования давления и разряжения используются заслонки, так называемые шибера, которые изменяют производительность вентилятора и дымососа. При использовании регулируемого привода, производительность дымососа и вентилятора может изменяться, за счет изменения скорости вращения соответствующих электродвигателей.
Испытания проводилось в два этапа:
Измерение затрат электроэнергии при работе с преобразователями частоты (MITSUBISHI ELECTRIC)
Измерение затрат электроэнергии при работе с шиберами
Затраты электроэнергии измерялись при следующих расходах газа:
Максимальный расход (90% загрузка) – 2800 м
Среднее значение 1 – 2200 м3/час
Среднее значение 2 – 1450 м3/час
Минимальный расход (30% загрузка) – 900 м3/час
В “Журнале учета электроэнергии” фиксировались показания счетчиков
Результаты эксперимента приведены ниже.
|
Время работы |
Расход газа (м3/час) |
Расход э/энергии (Квт) |
Экономия э/энергии | |
|
Шибера |
Преобразователь |
|||
|
6 |
2800 |
495 |
144,6 |
71% |
|
6 |
2200 |
449,4 |
84 |
81% |
|
6 |
1450 |
352,2 |
19,8 |
94% |
|
6 |
900 |
316,8 |
9,6 |
97% |
Приведенные цифры могут вызвать у Вас улыбку и серьезные подозрения во вменяемости автора, но в действительности, они показывают лишь состояние дел в области энергосбережения, у нас в стране. Такая экономия не может получаться при правильном проектировании и нормальном состоянии оборудования. Например, в вышеприведенном случае, после проведения эксперимента, стало ясно, что при использовании преобразователей, в данной системе, могут применяться двигатели существенно меньшей мощности.
Внедрение преобразователей в системы управления на этапе проектирования, позволит оптимизировать состав систем, что приведет к уменьшению их стоимости и повышению энергоэффективности.
Отечественные преобразователи частоты, пока не могут конкурировать с зарубежными, по надежности и функциональности. Наша задача - решить эту проблему и обеспечить оптимальное соотношение цена-качество в новых преобразователях частоты отечественного производства.
То ли еще будет …
Источник:http://www.privod.ru