Русский   English
Перейти на головну сторінку ДонНТУ Перейти на портал магістрів ДонНТУ

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Проблема раціонального використання електроенергії була і залишається актуальною, особливо в промисловості. Основними споживачами електроенергії на виробництві є трифазні електродвигуни змінного струму, а саме асинхронні електродвигуни з короткозамкненим ротором (АДКЗ). Масове застосування даного типу двигунів обумовлено надійністю, дешевизною і простотою в експлуатації. Недолік даних двигунів полягає в тому, що швидкість їх обертання залежить від конструкції двигуна і частоти мережі живлення. Раніше асинхронні двигуни використовувалися, як правило, в нерегульованих електроприводах, пуск яких здійснювався прямим включенням в мережу. Прямий пуск (ПП) АДКЗ є не ефективним, так як при пуску створюється великий пусковий струм, який надає значне навантаження на мережу живлення викликаючи значні падіння напруги і збільшуючи втрати електроенергії, а також супроводжується електродинамічними і термічними перевантаженнями обмоток, що зменшує довговічність роботи двигуна. Частково усунути недоліки ПП можна обмеживши пусковий струм, для цього послідовно з обмоткою статора включають додатковий резистор або індуктивність. Також використовується автотрансформаторний пуск і пуск з перемиканням обмоток статора із зірки на трикутник. Ці способи дозволяють обмежити пусковий струм, але не забезпечують плавність пуску і регулювання швидкості АДКЗ. Вирішенням цих проблем є використання пристроїв плавного пуску, які дозволяють поліпшити перехідні процеси при пуску і дають можливість формувати необхідну плавність розгону і гальмування або перетворювачів частоти (ПЧ) для регулювання не тільки плавність розгону, а й швидкості електродвигуна [1].

1. Актуальність теми

Однією з основних завдань удосконалення технологічного процесу в промисловості є мінімізація споживаної енергії і забезпечення безпеки, як обладнання, так і технічного персоналу.

Застосування перетворювачів частоти в системах регульованого електроприводу, дозволяє здійснювати автоматизацію всієї роботи електродвигуна: пуск, гальмування, реверс і зміна його швидкості, при цьому автоматично плавно включаючи пускові опору, які забезпечують регулювання струму в необхідних межах. Особливістю застосування перетворювачів в приводах з АДКЗ є те, що вони керують швидкістю електродвигуна у відповідності з характером навантаження, це зменшує різкі зміни напруги в мережі живлення і збільшує економічність споживання енергії, а також надійність всього приводу [2]. Більшість сучасних ПЧ мають простий інтерфейс і вхідні і вихідні уніфіковані сигнали, які дають можливість підключення до них зовнішніх керуючих систем більш високого рівня, пристроїв дистанційного керування та відображення інформації. Можливість плавного регулювання швидкості дозволяє відмовитися від більшості передавальних механізмів, що використовуються в приводах, це ще більше збільшує надійність і зменшує вартість системи.

Розвиток технологій у сфері напівпровідникових елементів і мікропроцесорної техніки дозволяє, в даний час створювати перетворювачі частоти, які мають низьку вартість, високу надійність і широкі функціональні можливості. Більшість промислових підприємств знаходяться на території СНД, вимагають або заміни застарілих засобів автоматизації і управління, або і зовсім перехід до автоматизованого виробництва, тому дана проблема є актуальною [3].

2. Мета і задачі дослідження

Метою є підвищення ефективності експлуатації перетворювача частоти електроприводів гірничих машин за рахунок обґрунтування і розробки схеми і оптимізації алгоритмів керування.

Основні завдання дослідження:

  1. Аналітичний огляд відомих схем, з визначенням їх переваг та недоліків.
  2. Вибір оптимального схемного рішення.
  3. Розробка математичної моделі роботи перетворювача.
  4. Дослідження режимів роботи інвертора на моделі для визначення необхідних алгоритмів управління.

3. Огляд існуючих перетворювачів частоти

3.1 Перетворювачі частоти з безпосереднім зв'язком

 

Історично першими з'явилися перетворювачі з безпосереднім зв'язком. В них вихідна напруга формується з ділянок синусоїд напруги мережі живлення, при цьому двигун в процесі роботи перетворювача через відкриті ключі в кожен момент часу виявляється підключеним безпосередньо до джерела живлення. Це дозволяє без використання додаткових пристроїв забезпечити двосторонній обмін енергією між АД і мережею живлення, що, в свою чергу, створює можливість роботи двигуна в двох квадрантах механічної характеристики. НПЧ в принципі можуть будуватися на основі частково або повністю керованих ключів. У першому випадку в якості ключів використовують тиристори (сімістори) з природною комутацією (ПК); у другому – небудь повністю керовані тиристори або тиристори з штучною комутацією, або транзистори. Застосування штучної комутації дозволяє регулювати вихідну частоту в області нижче і вище частоти мережі. Однак комутаційні пристрої тиристорних ключів істотно погіршують масогабаритні показники. Застосування транзисторних ключів виключає цей недолік, але сам принцип роботи НПЧ вимагає використання принаймні потрійного кількості ключових елементів порівняно з ПЧ з інверторами. Крім того, для деяких завдань в НПЧ використовують вхідні або вихідні трансформатори, що ще більше знижує їх конкурентоспроможність. Тому в перетворювачах цього типу найчастіше використовують природну комутацію і застосовують їх в приводах, де виразно проявляються переваги тиристорних ключів – у приводах великої потужності [5]. Функціональна схема перетворювача частоти з безпосереднім зв'язком представлена на рисунку 1

Функциональная схема преобразователя частоты с непосредственной связью

Рисунок 1 – Функціональна схема перетворювача частоти з безпосереднім зв'язком [4]

З допомогою трьохфазно-трифазних НПЧ ПК можна формувати фазні струми АД з коефіцієнтом викривлення порядку 0,99-0,9999, тобто струми, що містять практично тільки основну гармоніку. Однак з підвищенням частоти основної гармоніки викривлення збільшуються і при живленні від мережі 50 Гц граничної вихідною частотою з задовільним спектром струму вважається 20 Гц. Підвищення цієї частоти в 1,5-2 рази можливе за допомогою вхідних трансформаторів і додаткових ключів, але таке рішення істотно погіршує масогабаритні показники. У будь-якому випадку використання НПЧ для струмового керування АД дозволяє здійснити глибоке регулювання частоти обертання аж до роботи на упор з номінальною перевантажувальною здатністю, а також забезпечити запуск двигуна у важких умовах.

Наявність відносно великої кількості ключів є недоліком НПЧ, але надійність і потужність тиристорних комутаторів визначили область, в якій майже виключно застосовуються НПЧ ПК. Це приводи великої потужності з важкими умовами пуску такі, як тяговий привід на транспорті, гребні вали судів, цементні млини і т. п.

3.2 Перетворювачі частоти з ланкою постійного струму

3.2.1 Перетворювачі частоти з ланкою постійного струму і керованим випрямлячем

В даний час більш поширені ПЧ з ланкою постійного струму. На вході енергетичного каналу цих ПЧ встановлений керований або некерований випрямляч. Після перетворення випрямлячем енергії змінного струму з постійними значеннями напруги і частоти в енергію постійного струму, вона надходить на вхід інвертора (І) і знову перетворюється в енергію трифазного змінного струму, але вже з регульованими параметрами. Таким чином, в ПЧ цього типу відбувається подвійне перетворення енергії, що дещо знижує його ККД, але інші істотні переваги цих перетворювачів забезпечують їм домінуюче положення в сучасному автоматизованому приводі.

Для енергетичної розв'язки випрямляча та інвертора між ними обов'язково встановлюють накопичувач енергії. Залежно від виду цього накопичувача – конденсатор або дросель– інвертор працює або в режимі джерела напруги (ДН), або джерела струму (ДС). Функціональна схема зображена на малюнку 2(а) – для джерела напруги та 2(б) – для джерела струму.

Функциональные схемы преобразователей с управляемым выпрямителем

Рисунок 2 – Функціональні схеми перетворювачів з керованим випрямлячем

Накопичувач енергії необхідний тому, що енергія постійного струму чисто активна, а для формування магнітних полів у двигуні потрібен обмін реактивної енергією з джерелом живлення, який і забезпечує накопичувач. При переході АД в генераторний режим змінюється знак активної складової струму статора, тобто її напрямок по відношенню до напруги. Цей струм і напруга приблизно відповідають величинам на вході І, тому при зміні режиму АД має бути змінені взаємне напрямок струму і напруги в ланці постійного струму. Але в ПЧІН змінити напрямок може тільки напруга, а в ПЧІТ – струм. Зміна напрямку напруги в ПЧІТ при збереженні напрямку струму призведе до того, що УВ перейде в режим інвертування і надлишкова енергія буде повернута в мережу. У ПЧІН перехід АД в генераторний режим призведе до зміни напрямку струму в інверторі. У цьому випадку надмірна енергія не може бути повернута в мережу через випрямляч, так як його ключі володіють односторонньою провідністю. Вона може або рекуперуватись керованим мережею інвертором, включеним зустрічно-паралельно з УВ, або бути розсіяним на гальмівному резисторі, що включається з цією метою на вході інвертора. Таким чином, ПЧІТ забезпечує двосторонній напрямок обміну енергією між АД і мережею без застосування додаткових пристроїв і, отже, роботу двигуна в двох квадрантах механічної характеристики, у той час як ПЧІН тільки в одному квадрантіу. Тим не менш, більш поширеними на практиці є ПЧІН. Це пов'язано з тим, що велика частина завдань приводу не вимагає роботи АД в генераторному режимі, а короткочасні виходи в цю область пов'язані з помірною кількістю виробленої енергії, яка може розсіюватися гальмівним резистором. Крім того, дросель має істотно гіршими масогабаритними показниками.

Зсув фаз між вихідними напругами І забезпечується алгоритмом роботи ключів, а частота регулюється тактовою частотою комутації, що задається пристроєм управління (ПУ). Управління амплітудою напруги або струму здійснюється за допомогою УВ. Як правило, канали керування частотою та амплітудою в ПУ з'єднані між собою через функціональний перетворювач, що забезпечує необхідний закон управління.

З розглянутих особливостей ПЧ з інверторами, що працюють з шістьма коммутациями за період, можна зробити висновок, що ПЧІН слід застосовувати для багатодвигунних і одиночних приводів потужністю до 200 кВт, працюють в одному квадранті з діапазоном регулювання 1:20. При цьому в ПУ зазвичай використовується функціональний перетворювач з законом керування. Для одиночних приводів потужністю до 400 кВт, що працюють в двох квадрантах приблизно з тим же діапазоном регулювання, застосовують ПЧІТ.

3.2.2 Перетворювачі частоти з ланкою постійного струму і керованим випрямлячем

Інший клас перетворювачів з ланкою постійного струму складають пристрої, в яких функції регулювання обох вихідних параметрів (амплітуди і частоти) покладено на інвертор, а у випрямлячі використовуються некеровані діоди. Такий тип ПЧ відносять до широтно-імпульсних перетворювачів (ШІП), а інвертор, що працює в режимі широтноімпульсною модуляції – до широтно-імпульсним регуляторам (ШІР). Функціональна схема перетворювача з керованим випрямлячем зображена на малюнку 3. В даний час, завдяки розвитку силової електроніки і, насамперед, появи силових транзисторів з ізольованим затвором (IGBT – insulated gatebipolar transistor), цей тип ПЧ став найбільш распространеннымю. ШІП практично повністю витіснили другиетипы ПЧ в масовому асинхронному приводі потужністю від 0,5 до 100000 кВт [6].

Функциональная схема преобразователя с неуправляемым выпрямителем

Рисунок 3 – Функціональна схема перетворювача з керованим випрямлячем

Сучасні ШІП можуть працювати з частотами комутації ключів 2-20 кГц, що дозволяє забезпечити високу динаміку приводу і сформувати в обмотках статора практично синусоїдальні струми. Вони можуть формувати в обмотках заданий напруга або струм, тобто працювати в режимі джерела напруги і в режимі джерела струму. При цьому все різноманіття параметрів і режимів ПЧ визначається тільки алгоритмом роботи ключів ШІР. На практиці використовують ШІП з синусоїдальної і простірновекторною модуляцією (ПВМ), а також з формуванням струмів навантаження [7].

Висновки

  1. Провівши аналіз основних переваг та недоліків існуючих перетворювачів частоти, можна зробити висновок, що в більшості випадків більш доцільно застосовувати перетворювачі частоти з ланкою постійного струму.
  2. Перетворювачі частоти з ланкою постійного струму потребують оптимізації алгоритмів управління.
  3. Підвищення ефективності експлуатації перетворювачів частоти призведе до зменшення споживаної енергії і збільшення надійності і швидкодії технологічного процесу. На момент написання даного реферату магістерська робота ще не завершена.

    4. Орієнтовна дата завершення магістерської роботи: червень 2018 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

    Список джерел

    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.