Електропривод з вентильними індукторними двигунами
Рис.6.3
У силовому каналі: КА – комутаційний апарат; БД – блок датчиків. У системі управління: ДЖ – джерело живлення; МК – мікроконтролер; ВЗ – вузол захисту; ФІ – формувач імпульсів.
Ефективність застосування частотно-регульованих асинхронних електроприводів на основі IGBT – інверторів з МСУ включає:
· енерго і ресурсозберігання;
· істотне зниження споживання реактивної потужності з мережі;
· збільшення ресурсу роботи електричного, механічного і гідравлічного устаткування;
· автоматизація і оптимізація управління технологічними процесами.
Асинхронний електропривод з фазовим управлінням
Відомо, що найкрупнішим споживачем електроенергії в основному є електроприводи змінного струму, і особливо з асинхронними електродвигунами, які споживають близько половини електроенергії, що виробляється в світі. Якщо врахувати, що основна маса цих електродвигунів працює з недовантаженням, то очевидний їх істотний вплив на помітне зниження ККД і cosц як самих електродвигунів, так і електроприводу в цілому.
Просте з таких пристроїв виконується по схемі зустрічно-паралельно включених тиристорів і використовується для забезпечення "м'якого" пуску двигуна. Прикладом таких пристроїв можуть служити апарати "м'якого пуску" серії SIKOSTART фірми "Siemens", що забезпечують для двигунів потужністю до 710 кВт на базі мікроконтролерів управління ефективним значенням напруги на клемах двигуна, чим досягається вплив на момент і струм. Разом з численними можливостями настройки для м'якого старту (зростання напруги, обмеження струму, пускового імпульсу і тому подібне), які дозволяють узгодження з різними видами навантаження (насос, вентилятор) в апарат введені додаткові функції управління після старту і під час відключення (гальмування). У СНД випускаються пускові пристрої тиристорів потужністю 75-400 кВт (УПТ-2), які забезпечують плавний розгін двигуна під навантаженням з обмеженням пускового струму до 4Iном, бездуговую комутацію асинхронного двигуна до мережі (функція контактора), захист двигуна від перевантаження, обриву фази, короткого замикання, підвищення напруги, перевищення допустимої температури обмоток і підшипників, пуск механізмів з підвищеним моментом чіпання (більш 2Мном), ненаголошене закриття клапанів зворотного ходу в гідравлічних системах (плавна зупинка двигуна насоса), контроль ізоляції обмоток двигуна, примусове гальмування електродвигуна.
У розробці і проектуванні енергозбережних систем автоматизованого електроприводу з АД з високими техніко-економічними і енергетичними показниками важливим є визначення умови мінімізації втрат в електродвигуні. Оптимізація управління особливо характерна для механізмів, що працюють в тривалих режимах, де забезпечення високих енергетичних показників має важливе значення.
Рис.6.16.Структура енергозберігаючого приводу з екстремальним управлінням
На рис.6.16,а приведені залежності струму від напруги при різних моментах навантаження. Як видно, при кожному навантаженні АД є така напруга, при якій споживаний двигуном струм мінімальний. Штрихова лінія, проведена через точки мінімумів струму для кожного навантаження, визначає закон регулювання напруги у функції струму. При реалізації такого закону при будь-якому навантаженні з мережі споживається мінімальний струм.
На рис.6.16,б представлена структура енергозбережного приводу з екстремальним управлінням. У її склад входять електродвигун Д; тиристорний регулятор напруги ТРН; система управління СУ регулятором; датчик напруги ДН електродвигуна, підключений до блоку диференціювання сигналу напруги БДН; датчик потужності ДМ електродвигуна, підключений до блоку множення БУ; арифметичний блок АБ; блок диференціювання сигналу потужностей БДМ; блок ділення БР(БД).
Зменшення втрат електроенергії в асинхронних електроприводах при їх роботі з навантаженням, що змінюється, досягається регулюванням напруги на статорі АД у функції навантаження або струму.
У робочому режимі електродвигуна на виходах датчиків напруги і моменту виділяються сигнали. Сигнал з датчика напруги поступає в блок диференціювання сигналу напруги. Сигнал, що поступає з датчика моменту, перемножується з сигналом, пропорційним величині (1-зн), який поступає з арифметичного блоку. На його виході формується сигнал, пропорційний ДРУ сумі втрат в електродвигуні, які складаються з електромагнітних і механічних втрат. Сигнал dДР/dt втрат потужності, що продиференціював, в БДМ ділиться на диференційований сигнал dU/dt в блоці ділення. Відповідно, на виході цього блоку отримаємо сигнал (dДР/dt)/(dU/dt)=dДР/dU.
Залежно від навантаження сигнал, рівний dДР/dU, міняє свій знак. Так, для забезпечення екстремального регулювання вихідне значення цього сигналу повинне дорівнювати нулю, в суматорі проводиться віднімання або складання сигналів, яке забезпечує роботу електродвигуна в екстремальній зоні регулювання при різних значеннях навантаження на валу двигуна.
Таким чином, система асинхронного електроприводу з екстремальним управлінням забезпечує мінімізацію сумарних втрат АД при будь-якому рівні навантаження. Це приводить до істотного підвищення ККД електроприводу і ефективному використанню встановленої потужності АД.
СПОСОБИ УПРАВЛІННЯ ВЕНТИЛЬНИМИ ДВИГУНАМИ
В даний час зважаючи на простоту найбільшого поширення набули вентильні двигуни постійного (рис.6.18,а) і змінного струму (рис.6.18,б) з перетворювачами, що працюють в режимі джерела струму.
б
Ріс.6.18.Вентильні двигуни постійного(а) і змінного струму(б)
На відміну від частотно-регульованого приводу, у вентильному двигуні комутація тиристорів здійснюється за рахунок ЕДС двигуна (машинна). Машинна комутація дозволяє відмовитися від високовольтних громіздких реактивних елементів в інверторі. Це значно спрощує схему і зменшує її габаритну потужність, і зрештою покращує якість перетворення енергії. Але при пуску і низьких швидкостях відбувається зрив комутації через відсутність або малої величини ЕДС. У вентильному двигуні постійного струму можливі наступні способи пуску:
· асинхронний;
· по схемі ВД з штучною комутацією;
· по схемі ВД з примусовою комутацією.
Перший спосіб при своїй простоті, що здається, має серйозні недоліки — пуск некерований і необхідні перемикання в силових, як правило, високовольтних ланцюгах.
Другий спосіб пуску передбачає застосування автономного інвертора, в якому використовується реактивна енергія комутуючих елементів (ємкостей і дроселів). В цьому випадку помітно ускладнюється схема, збільшуються вага і вартість інвертора.
Третій спосіб пуску з примусовою комутацією здійснюється відсіченням імпульсів, що управляють, або циклічним перекладом випрямляча в инверторный режим на час комутації тиристорів інвертора. Цей спосіб найбільш переважний, оскільки вимагає мінімальних витрат. Характерними недоліками способу є зменшення пускового моменту двигуна і деяке збільшення споживаної реактивної потужності двигуна.
Найпростіше проблема пуску вирішується в системі з циклоконвертором (рис.6.18 би), в якій функції випрямляння і інвертування виконують одні і ті ж тиристори, чим досягається перетворення напруги і частоти джерела безпосередньо в напругу і частоту двигуна. Така система містить більше число тиристорів, чим перетворювач з ланкою постійного струму, але завдяки відсутності пускових пристроїв, одноразовому перетворенню енергії і зменшенню еквівалентного струму тиристора вона економічна і надійна.
Перехід від нерегульованого електроприводу до регульованого – головна тенденція розвитку багатьох сучасних технологій, пов'язаних з електромеханічним перетворенням енергії. Разом з традиційним шляхом використання частотно – регульованого асинхронного електроприводу, в світовій практиці останніми роками намітився і інтенсивно реалізується альтернативний шлях – застосування різних типів приводу з вентильними двигунами, зокрема, принципово нового вентильно-індукторного регульованого електроприводу (SRD – Switched Reluctance Drive ).
Вентильно-індукторний привід, одна з можливих схем якого показана на рис.6.41,а складається із спеціальної чотирьохфазної електричної машини, електронного комутатора на силових транзисторних модулях і блоку микроконтроллерного управління.
У індукторної машини (ВІМ) магнітна індукція в кожній точці робочого зазору змінюється тільки по величині, а її напрям залишається постійним. Звідси витікає, що індукція в зазорі індукторних машин має пульсуючий характер і містить змінну (робочу) і постійну (неробочу) складові. Зміна в часі магнітного потоку, зчепленого з обмоткою якоря, досягається за рахунок періодичної зміни магнітного опору на шляху робочого потоку при обертанні зубчатого ротора. Оскільки число зубців на роторі можна зробити великим, ВІМ характеризується підвищеними частотами струму (f 400.30000 Гц).
рис.6.41 Вентильно-індукторний привід
Статор і ротор електричної машини виконані шихтованными
явнополюсными, причому число полюсів статора і ротора неоднаково: 6/4, 8/6 і так далі На статорі розташовані зосереджені обмотки (котушки), сполучені через електронний комутатор з джерелом живлення постійного струму (випрямляч, акумулятор).
Принцип дії приводу заснований на магнітному тяжінні найближчого полюса ротора до активізованого індуктора – полюса статора з котушкою (рис.6.41,б). Так, перемикання струму з котушки А статора, до якої притягав полюс a ротора, на котушку В статора (за годинниковою стрілкою) приведе до повороту ротора, такому, що до полюса В притягнеться найближчий полюс b ротора (проти годинникової стрілки). Повторення вказаних перемикань, що диктується датчиками фактичного положення ротора, приведе до безперервного обертання з необхідною частотою.
До переваг ВІМ відносять:
· висока технологічність і за рахунок цього низька трудомісткість виробництва двигуна (проста конфігурація магнітної системи, відсутність колектора, білячої клітки, постійних магнітів, машинне намотування котушок);
· економія активних матеріалів до 30%, використання лише недефіцитних і недорогих матеріалів (не використовуються дорогі рідкоземельні магніти);
· низька собівартість машини – в 1,7 – 2 рази нижче за собівартість найдешевшого асинхронного короткозамкнутого двигуна (по оцінках західних фахівців);
· спрощена і надійніша в порівнянні з перетворювачем частоти для асинхронного електроприводу схема і конструкція силового комутатора за рахунок однополярной комутації;
· широкі функціональні можливості – робота в зоні низьких (десятки – сотні об/мин) або високих (десятки тисяч об/мин) частот обертання з широким діапазоном регулювання і великими моментами в зоні низьких частот;
· високі енергетичні показники, не поступливі найближчим аналогам;
· висока надійність приводу в цілому;
· екологічна чистота виробництва (відсутня шкідлива для навколишнього середовища операція просочення статора в цілому, просочуються лише котушки) і утилізації (легко розділяються залізо і мідь, відсутні шкідливі в переробці рідкоземельні магніти).