Українська   English
Перейти на главную страницу ДонНТУ Перейти на портал магистров ДонНТУ

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Проблема рационального использования электроэнергии была и остается актуальной, особенно в промышленности. Основными потребителями электроэнергии на производстве являются трехфазные электродвигатели переменного тока, а именно асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором (АДКЗ). Массовое применение данного типа двигателей обусловлено надежностью, дешевизной и простотой в эксплуатации. Недостаток данных двигателей заключается в том, что скорость их вращения зависит от конструкции двигателя и частоты питающей сети. Раньше асинхронные двигатели использовались, как правило, в нерегулируемых электроприводах, пуск которых осуществлялся прямым включением в сеть. Прямой пуск (ПП) АДКЗ является не эффективным, так как при пуске создается большой пусковой ток, который оказывает значительную нагрузку на питающую сеть вызывая значительные падения напряжения и увеличивая потери электроэнергии, а также сопровождается электродинамическими и термическими перегрузками обмоток, что уменьшает долгосрочность работы двигателя. Частично устранить недостатки ПП можно ограничив пусковой ток, для этого последовательно с обмоткой статора включают дополнительный резистор или индуктивность. Также используется автотрансформаторный пуск и пуск с переключением обмотки статора со звезды в треугольник. Эти способы позволяют ограничить пусковой ток, но не обеспечивают плавность пуска и регулирование скорости АДКЗ. Решением данных проблем является использование устройств плавного пуска, которые позволяют улучшить переходные процессы при пуске и дают возможность формировать необходимую плавность разгона и торможения либо преобразователей частоты (ПЧ) для регулирования не только плавности разгона, а и скорости электродвигателя [1].

1. Актуальность темы

Одной из основных задач усовершенствования технологического процесса в промышленности является минимизация потребляемой энергии и обеспечение безопасности, как оборудования, так и технического персонала.

Применение преобразователей частоты в системах регулируемого электропривода, позволяет осуществлять автоматизацию всей работы электродвигателя: пуск, торможение, реверс и изменение его скорости, при этом автоматически плавно включая пусковые сопротивления, которые обеспечивают регулирование тока в требуемых пределах. Особенностью применения преобразователей в приводах с АДКЗ является то, что они управляют скоростью электродвигателя в соответствии с характером нагрузки, это уменьшает резкие изменения напряжения в сети питания и увеличивает экономность потребления энергии, а также надежность всего привода [2]. Большинство современных ПЧ имеют простой интерфейс и входные и выходные унифицированные сигналы, которые дают возможность подключения к ним внешних управляющих систем более высокого уровня, устройств дистанционного управления и отображения информации. Возможность плавного регулирования скорости позволяет отказаться от большинства передаточных механизмов, используемых в приводах, это еще больше увеличивает надежность и уменьшает стоимость системы.

Развитие технологий в сфере полупроводниковых элементов и микропроцессорной техники позволяет, в настоящее время создавать преобразователи частоты, которые имеют низкую стоимость, высокую надежность и широкие функциональные возможности. Большинство промышленных предприятий находящихся на территории СНГ, требуют либо замены устаревших средств автоматизации и управления, либо и вовсе переход к автоматизированному производству, поэтому данная проблема является актуальной [3].

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью является повышение эффективности эксплуатации преобразователя частоты электроприводов горных машин за счет обоснования и разработки схемы и оптимизации алгоритмов управления.

Основные задачи исследования:

  1. Аналитический обзор известных схем, с определением их достоинств и недостатков.
  2. Выбор оптимального схемного решения.
  3. Разработка математической модели работы преобразователя.
  4. Исследование режимов работы инвертора на модели для определения необходимых алгоритмов управления.

3. Обзор существующих преобразователей частоты

3.1 Преобразователи частоты с непосредственной связью

 

Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью. В них выходное напряжение формируется из участков синусоид напряжения сети питания, при этом двигатель в процессе работы преобразователя через открытые ключи в каждый момент времени оказывается подсоединенным непосредственно к источнику питания. Это позволяет без использования дополнительных устройств обеспечить двухсторонний обмен энергией между АД и питающей сетью, что, в свою очередь, создает возможность работы двигателя в двух квадрантах механической характеристики. НПЧ в принципе могут строиться на основе частично или полностью управляемых ключей. В первом случае в качестве ключей используют тиристоры (симисторы) с естественной коммутацией (ЕК); во втором – либо полностью управляемые тиристоры или тиристоры с искусственной коммутацией, либо транзисторы. Применение искусственной коммутации позволяет регулировать выходную частоту в области ниже и выше частоты сети. Однако коммутационные устройства тиристорных ключей существенно ухудшают массогабаритные показатели. Применение транзисторных ключей исключает этот недостаток, но сам принцип работы НПЧ требует использования по крайней мере тройного количества ключевых элементов по сравнению с ПЧ с инверторами. Кроме того, для некоторых задач в НПЧ используют входные или выходные трансформаторы, что еще более снижает их конкурентоспособность. Поэтому в преобразователях этого типа чаще всего используют естественную коммутацию и применяют их в приводах, где отчетливо проявляются достоинства тиристорных ключей – в приводах большой мощности [5]. Функциональная схема преобразователя частоты с непосредственной связью представлена на рисунке 1

Функциональная схема преобразователя частоты с непосредственной связью

Рисунок 1 – Функциональная схема преобразователя частоты с непосредственной связью [4]

С помощью трехфазно-трехфазных НПЧ ЕК можно формировать фазные токи АД с коэффициентом искажения порядка 0,99-0,9999, т.е. токи, содержащие практически только основную гармонику. Однако с повышением частоты основной гармоники искажения увеличиваются и при питании от сети 50 Гц предельной выходной частотой с удовлетворительным спектром тока считается 20 Гц. Повышение этой частоты в 1,5-2 раза возможно с помощью входных трансформаторов и дополнительных ключей, но такое решение существенно ухудшает массогабаритные показатели. В любом случае использование НПЧ для токового управления АД позволяет осуществить глубокое регулирование частоты вращения вплоть до работы на упор с номинальной перегрузочной способностью, а также обеспечить запуск двигателя в тяжелых условиях.

Наличие относительно большого количества ключей является недостатком НПЧ, но надежность и мощность тиристорных коммутаторов определили область, в которой почти исключительно применяются НПЧ ЕК. Это приводы большой мощности с тяжелыми условиями пуска такие, как тяговый привод на транспорте, гребные валы судов, цементные мельницы и т.п.

3.2 Преобразователи частоты со звеном постоянного тока

3.2.1 Преобразователи частоты со звеном постоянного тока и управляемым выпрямителем

В настоящее время более распространены ПЧ со звеном постоянного тока. На входе энергетического канала этих ПЧ установлен управляемый или неуправляемый выпрямитель. После преобразования выпрямителем энергии переменного тока с постоянными значениями напряжения и частоты в энергию постоянного тока, она поступает на вход инвертора (И) и снова преобразуется в энергию трехфазного переменного тока, но уже с регулируемыми параметрами. Таким образом, в ПЧ этого типа происходит двойное преобразование энергии, что несколько снижает его КПД, но другие существенные преимущества этих преобразователей обеспечивают им доминирующее положение в современном автоматизированном приводе.

Для энергетической развязки выпрямителя и инвертора между ними обязательно устанавливают накопитель энергии. В зависимости от вида этого накопителя – конденсатор или дроссель– инвертор работает либо в режиме источника напряжения (ИН), либо источника тока (ИТ). Функциональная схема изображена на рисунке 2(а) – для источника напряжения и 2(б) – для источника тока.

Функциональные схемы преобразователей с управляемым выпрямителем

Рисунок 2 – Функциональные схемы преобразователей с управляемым выпрямителем

Накопитель энергии необходим потому, что энергия постоянного тока чисто активная, а для формирования магнитных полей в двигателе нужен обмен реактивной энергией с источником питания, которую и обеспечивает накопитель. При переходе АД в генераторный режим изменяется знак активной составляющей тока статора, т.е. ее направление по отношению к напряжению. Этот ток и напряжение примерно соответствуют величинам на входе И, поэтому при изменении режима АД должно изменяться взаимное направление тока и напряжения в звене постоянного тока. Но в ПЧИН изменить направление может только напряжение, а в ПЧИТ – ток. Изменение направления напряжения в ПЧИТ при сохранении направления тока приведет к тому, что УВ перейдет в режим инвертирования и избыточная энергия будет возвращена в сеть. В ПЧИН переход АД в генераторный режим приведет к изменению направления тока в инверторе. В этом случае избыточная энергия не может быть возвращена в сеть через выпрямитель, т.к. его ключи обладают односторонней проводимостью. Она может либо рекуперироваться ведомым сетью инвертором, включенным встречно-параллельно с УВ, либо быть рассеянной на тормозном резисторе, включаемом с этой целью на входе инвертора. Таким образом, ПЧИТ обеспечивает двухстороннее направление обмена энергией между АД и сетью без применения дополнительных устройств и, следовательно, работу двигателя в двух квадрантах механической характеристики, в то время как ПЧИН только в одном квадранте (двигательном). Тем не менее, более распространенными на практике являются ПЧИН. Это связано с тем, что большая часть задач привода не требует работы АД в генераторном режиме, а кратковременные выходы в эту область связаны с умеренным количеством производимой энергии, которая может рассеиваться тормозным резистором. Кроме того, дроссель обладает существенно худшими массогабаритными показателями.

Сдвиг фаз между выходными напряжениями И обеспечивается алгоритмом работы ключей, а частота регулируется тактовой частотой коммутации, задаваемой устройством управления (УУ). Управление амплитудой напряжения или тока осуществляется с помощью УВ. Как правило, каналы управления частотой и амплитудой в УУ соединены между собой через функциональный преобразователь, обеспечивающий требуемый закон управления.

Из рассмотренных особенностей ПЧ с инверторами, работающими с шестью коммутациями за период, можно сделать вывод, что ПЧИН следует применять для многодвигательных и одиночных приводов мощностью до 200 кВт, работающих в одном квадранте с диапазоном регулирования до 1:20. При этом в УУ обычно используется функциональный преобразователь с законом управления. Для одиночных приводов мощностью до 400 кВт, работающих в двух квадрантах примерно с тем же диапазоном регулирования, применяют ПЧИТ .

3.2.2 Преобразователи частоты со звеном постоянного тока и неуправляемым выпрямителем

Другой класс преобразователей со звеном постоянного тока составляют устройства, в которых функции регулирования обоих выходных параметров (амплитуды и частоты) возложены на инвертор, а в выпрямителе используются неуправляемые диоды. Такой тип ПЧ относят к широтно-импульсным преобразователям (ШИП), а инвертор, работающий в режиме широтноимпульсной модуляции – к широтно-импульсным регуляторам (ШИР). Функциональная схема преобразователя с неуправляемым выпрямителем изображена на рисунке 3. В настоящее время, благодаря развитию силовой электроники и, прежде всего, появлению силовых транзисторов с изолированным затвором (IGBT – insulated gatebipolar transistor), этот тип ПЧ стал наиболее распространеннымю. ШИП практически полностью вытеснили другиетипы ПЧ в массовом асинхронном приводе мощностью от 0,5 до 100000 кВт [6].

Функциональная схема преобразователя с неуправляемым выпрямителем

Рисунок 3 – Функциональная схема преобразователя с неуправляемым выпрямителем

Современные ШИП могут работать с частотами коммутации ключей 2–20 кГц, что позволяет обеспечить высокую динамику привода и сформировать в обмотках статора практически синусоидальные токи. Они могут формировать в обмотках заданное напряжение или ток, т.е. работать в режиме источника напряжения и в режиме источника тока. При этом все многообразие параметров и режимов ПЧ определяется только алгоритмом работы ключей ШИР. На практике используют ШИП с синусоидальной и пространственновекторной модуляцией (ПВМ), а также с формированием токов нагрузки [7].

Выводы

  1. Произведя анализ основных преимущест и недостатков существующих преобразователей частоты, можно сделать вывод, что в большинстве случаев более целесообразно применять преобразователи частоты со звеном постоянного тока.
  2. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока нуждаются в оптимизации алгоритмов упраления.
  3. Повышение эффективности эксплуатации преобразователей частоты приведет к уменьшению потребляемой энергии и увеличению надежности и быстродействия технологического процесса.

    На момент написания данного реферата магистерская работа еще не завершена. Ориентировочная дата завершения магистерской работы: июнь 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

    Список источников

    1. Преобразователи частоты преимущества использования [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://elpriv...,свободный.
    2. Преимущества частотного регулирования электродвигателя [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://priv...,свободный.
    3. Частотно-регулируемый привод экономит и повышает надежность производства энергии [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://driv...,свободный.
    4. Виды частотных преобразователей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://electric...,свободный.
    5. Основные типы преобразователей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ets.ifm...,свободный.
    6. Усольцев А. А.Частотное управление асинхронными двигателеми: учебное пособие. – Санкт-Петербург: Изд-во ИТМО, 2006. – 94 с., ил.
    7. Чернышев А. Ю., Деменьтьев Ю. Н., Чернышев И. А. Электропривод переменного тока: учебное пособие. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 213 с.