Телефон: +7 (383)-202-16-86

Статья опубликована в рамках: III Международной научно-практической конференции «Наука вчера, сегодня, завтра» (Россия, г. Новосибирск, 21 августа 2013 г.)

Наука: Технические науки

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Алексеев В.А., Артемьев В.С. АСИНХРОННЫЕ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ДЛЯ СИСТЕМ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ // Наука вчера, сегодня, завтра: сб. ст. по матер. III междунар. науч.-практ. конф. № 3. – Новосибирск: СибАК, 2013.
Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

Алексеев  Владислав  Алексеевич

канд.  техн.  наук,  профессор  Волжский  филиал  Московского  автомобильно-дорожного  государственного  технического  университета  (МАДИ)  г.  Чебоксары

Артемьев  Виктор  Степанович

аспирант  ФГБОУ  ВПО  «Чувашская  государственная  сельскохозяйственная  академия»  г.  Чебоксары


 


Введение


В  современных  производственных  механизмах,  особенно  в  гибких  производственных  системах  (ГПС),  электропривод  является  одним  из  элементов,  определяющих  технологические  возможности  и  надежность  функционирования  механизмов.  Благодаря  простоте  и  надежности  асинхронного  двигателя  с  короткозамкнутым  ротором  (АД),  как  за  рубежом,  так  и  в  нашей  стране  все  более  широкое  распространение  в  различных  отраслях  народного  хозяйства  находят  частотно-регулируемые  электроприводы.


Ранее  в  основном  использовали  тиристорные  электроприводы  на  базе  двигателей  постоянного  тока  (ДПТ),  с  простой  схемой  управления,  хорошими  статическими  и  динамическими  показателями.  ДПТ,  с  высоким  быстродействием  регулирования  скорости.  Но  щеточно-коллекторный  узел  ДПТ  состоит  из  большого  количества  медных  сегментов,  разделенных  тонким  слоем  изолирующего  материала,  например,  слюды.  Такая  конструкция  требует  тщательного  изготовления,  трудоемка  в  изготовлении.  Износ  щеток  и  коллектора  усиливается  при  искрении,  а  диэлектрические  свойства  слюды  ограничивают  напряжение  меду  сегментами.  Ток  якоря  и  его  приращение  имитируется  условиями  коммутации.  Ротор  АДКЗР  имеет  короткозамкнутую  обмотку,  изготавливаемую  литьем.  Стержни  обмотки  не  требуется  изолировать  от  пластин  сердечника  ротора:  АД  с  беличьей  клеткой  имеют  малый  момент  инерции  и  могут  длительно  работать  при  высоких  температурах  и  скоростях  вращения  без  профилактики.  Такие  АД  значительно  дешевле  ДПТ  с  такими  же  значениями  мощности  и  скорости.  Их  удельная  мощность  (отношение  мощности  АД  с  беличьей  клеткой  и  его  массе)  в  два  раза  больше,  чем  у  ДПТ.


Очевидна  и  меньшая  величина  ущерба  от  простоя  и  ремонтов,  особенно  в  дорогостоящих  ГПС,  из-за  простоты  АД,  чем  при  применении  ДПТ.


Благодаря  простоте  и  надежности  асинхронного  двигателя  с  короткозамкнутым  ротором  (АД)  все  больше  распространяют  в  системах  энергосбережения  частотно-регулируемые  электроприводы  (ЧРЭП),  в  том  числе  выполненные  на  базе  АД  и  преобразователей  частоты.  Например,  разработанные  во  ВНИИР  тиристорные  асинхронные  электроприводы  серии  ЭТА1-01  [1],  на  базе  трехфазно-  двухфазных  преобразователей  частоты  с  непосредственной  связью  (НПЧ)  и  двухфазных  асинхронных  двигателей  (АД)  с  короткозамкнутым  ротором  высот  оси  вращения  от  112  до  355  мм  (в  дальнейшем  «электроприводы»),  предназначенные  для  использования  в  различных  производственных  механизмах  охватывают  диапазон  мощностей  3,0…265  кВт  при  номинальных  скоростях  вращения  1000  и  2000  об/мин.


Электроприводы  обеспечивают  следующие  режимы  работы:


·     пуск  до  заданной  скорости  с  регулируемым  темпом  разгона;


·     плавное  регулирование  скорости  от  нуля  до  номинальной  скорости  при  работе  «Вперед»  и  «Назад»;


·     рекуперативное  с  регулируемым  темпом  торможения;


·     реверс  с  любой  скорости.


Питание  электроприводов  осуществляется  от  трехфазной  промышленной  сети  переменного  тока  напряжением  380  В  частоты  50  Гц  —  для  нужд  народного  хозяйства.


Применение  двухфазного  двигателя  с  короткозамкнутым  ротором  вместо  традиционного  трехфазного  позволило  дополнительно  улучшить  технико-экономические  показатели  ЧРЭП  с  НПЧ,  поскольку  при  этом  незначительном  ухудшении  показателей  двигателя  (снижение  момента  на  3—10  %)  существенно  почти  в  полтора  раза  упрощается  силовая  часть  и  система  управления  НПЧ  с  соответственным  повышением  надежности  [1].


При  выборе  целесообразного  построения  асинхронного  частотно-  регулируемого  электропривода,  определения  областей  рационального  применения  ЧРЭП  и  рассмотрения  конкурентоспособности  был  сопоставлен  весь  комплекс  показателей  с  коэффициентами  их  относительной  весомости,  а  именно  технико-  экономические  показатели  (включая  массогабаритные);  энергетические;  динамические;  эксплуатационные;  надежность  и  другие.


Электроприводы  ЭТА1-01  мощностью  до  30  кВт  обеспечивают  полосу  пропускания  частот  при  отсутствие  дополнительных  моментов  инерции  и  при  задающем  напряжение,  соответствующем  линейной  области,  не  менее  20  т  Гц.  Для  электроприводов  ЭТА1-01  мощностью  более  30  кВт  и  для  электропривода  ЭТА1-02  полоса  пропускания  частот  не  лимитируется.


 

Рисунок  1.Схема  силовой  части  электропривода


 


Электропривод  тиристорный  асинхронный  серии  ЭТА1-01  на  базе  тиристорного  преобразователя  частоты  с  непосредственной  связью  и  двухфазного  асинхронного  двигателя  типа  АДЧ  или  АИФ. 


Электропривод  (рис  1,  2)  на  базе  трехфазно-двухфазного  преобразователя  частоты  (ПЧ)  реализует  частотно-токовый  способ  управления  и  принцип  ориентации  системы  координат  двигателя  путем  задания  угла  поворота  ее  осей  относительно  ротора  двигателя  [1,  2,  4].


Силовая  схема  ПЧ  состоит  из  двух  реверсивных  тиристорных  преобразователей  постоянного  тока  типа  ТП1  и  ТП2  с  раздельным  управлением  комплектами  вентилей.  Статорные  обмотки  асинхронного  двигателя  М  питаются  от  автономных  преобразователей,  гальванически  развязанных  друг  от  друга.


В  систему  управления  электропривода  входят:  задатчик  интенсивности  ЗИ,  предназначенный  для  формирования  темпа  разгона  и  торможения  двигателя;  ПИ-регулятор  скорости  РС;  координатный  преобразователь  КП,  предназначенный  для  задания  синусоидальных  токов  в  обмотках  двигателя;  узел  «напряжение-частота»  УНЧ,  предназначенный  для  преобразования  аналогового  реверсивного  выходного  сигнала  регулятора  скорости  ωsUрс  в  положительные  прямоугольные  импульсы  с  частотой  следования,  пропорциональной  частоте  скольжения  ротора  двигателя;  узел  формирования  узких  импульсов  УФИ,  выполняющий  преобразование  выходных  импульсов  УНЧ  и  импульсов  датчика  положения  ДПР  (fос)  в  сдвинутые  по  времени  друг  от  друга  синхронизированные  импульсы  ωри  и  ωsи;  узел  направления  вращения  УНВ  и  узел  логики  УЛ,  формирующие  в  зависимости  от  знаков  аналоговых  сигналов  ωs  и  ωр  команд  «вперед»  или  «назад»,  определяющих  режим  работы  электропривода  (двигательный  или  тормозной)  и  формирующих  команды  на  пропускание  на  входы  счетчика  генератор  синусоидальных  колебаний  ГСК  суммы  и  разности  импульсных  сигналов  ωsи  и  ωри;  генератор  синусоидальных  колебаний  ГСК,  преобразующий  импульсные  сигналы  ω  в  синусоидальные  кодовые  сигналы 


 


Рисунок  2.  Система  управления  электропривода


sinω1t  и  cosω1t  с  помощью  которых  модулируются  опорные  сигналы    и    в  КП;  два  пропорциональные  регулятора  тока  РТ1–РТ2;  датчики  тока  ДТ1,  ДТ2;  нелинейные  звенья  (НЗ1,  НЗ2),  поддерживающие  постоянство  коэффициента  усиления  тиристорных  преобразователей  (ТП1,  ТП2)  в  режимах  непрерывного  и  прерывистого  токов;  функциональный  преобразователь  э.д.с.  ФПЕ1,  ФПЕ  2,  компенсирующие  нелинейности  характеристик  ТП.  Системы  НЗ  и  ФПЕ  образуют  адаптивное  устройство,  линеаризующее  структуру  электропривода  и  улучшающее  его  динамические  характеристики;  формирователи  э.д.с.  ФЕ1  и  ФЕ2,  формирующие  синхронизированные  с  активной  составляющей  тока  статора  синусоидальные  сигналы  е1,  е2;  датчики  проводимости  вентилей  ДПВ1  и  ДПВ2,  обеспечивающие  переключение  блоков  логики  ЛУ1  и  ЛУ2  только  при  отсутствии  токов  в  цепях  статора;  системы  импульсно-фазового  управления  (СИФУ),  преобразующая  управляющее  напряжения  системы  автоматического  регулирования  электроприводом,  в  последовательность  прямоугольных  управляющих  импульсов  соответствующей  фазы.  СИФУ,  состоящая  из  управляющего  органа  УО1,  формирователя  импульсов  УФИ1  и  ключей  В1,  Н1,  выполнена  по  вертикальному  принципу.


Работа  схемы  осуществляется  следующим  образом:  задающее  воздействие  через  ЗИ  поступает  на  вход  регулятора  скорости  РС,  где  сравнивается  с  сигналом  обратной  связи  по  скорости  ωр,  снимаемым  с  тахогенератора  BR.  Регулятор  скорости  РС  формирует  аналоговый  сигнал  задания  ωs,  пропорционально  которому  задается  приведенный  к  статору  ток  ротора  .  Сигнал,  пропорциональный  ,  подается  на  вход  координатного  преобразователя  КП.  На  второй  вход  КП  поступает  сигнал  задания  амплитуды  тока  намагничивания  Iμ.  Координатный  преобразователь  преобразует  опорные  входные  сигналы    и  Iμ  в  сигналы  задания  синусоидальных  токов  i=iα  и  i=iβ,  поступающих  на  входы  регуляторов  тока  РТ1  и  РТ2.


УНЧ  преобразует  аналоговый  сигнал  задания  частоты  скольжения  ωs  РС  в  прямоугольные  импульсы  с  частотой  следования,  пропорциональной  частоте  скольжения  ротора  двигателя.  Узел  сложения-вычитания  УСВ  на  основе  информации  о  частоте  скольжения  ωsи  и  частоте  вращения  ωри,  а  также  информации  узла  логики  УЛ  формирует  сигнал  задания  скорости  ротора  ω1и.  Если  знаки  этих  сигналов  совпадают,  то  узел  логики  УЛ  выдает  в  УСВ  команду  на  сложение  импульсных  сигналов,  т.е.  ,  что  соответствует  двигательному  режиму  работы.  Если  знаки  ωsи  и  ωри  не  совпадают,  то  в  УСВ  происходит  вычитание  импульсных  сигналов  ωsи  и  ωри  и  двигатель  переходит  в  тормозной  режим  работы.


Направление  вращения  вектора  поля  статора  задается  в  узел  логики  УЛ  в  зависимости  от  знаков  аналоговых  сигналов  ωsωр.  Каналы  управления  тиристорными  преобразователями  ТП1  и  ТП2  полностью  аналогичны  друг  другу.  Рассмотрим  один  из  них.  На  входе  П-регулятора  тока  РТ1  осуществляется  алгебраическое  сложение  сигнала  задания  синусоидального  тока  iа  и  сигнала  отрицательной  обратной  связи,  формируемого  задатчиком  ДТ1  и  ПХ3.  Выходное  напряжение  РТ1  поступает  на  вход  НЗ1,  имеющего  характеристику  обратную  регулировочной  характеристике  преобразователя  в  зоне  прерывистых  токов,  что  обеспечивает  постоянство  общего  коэффициента  передачи  ТП1  в  режимах  непрерывного  и  прерывистого  токов.


Формирователь  э.д.с.  ФЕ1  и  функциональный  преобразователь  ФПЕ1  с  арксинусной  характеристикой  компенсируют  нелинейность  характеристики  «вход-выход»  тиристорного  преобразователя  ТП1.  Далее  сигнал  поступает  на  ПХ1  и  на  СИФУ  (управляющий  орган  1  УО1,  УФИ1  и  ключи  В1,  Н1),  которая  подает  команду  на  открывание  тиристоров.


  Диапазон  регулирования  скорости  электроприводов  ЭТА1-02  для  производственных  механизмов,  не  требующих  широкого  регулирования  скорости,  не  более  1:10,  но  более  высокая  надежность  по  сравнению  с  электроприводами  ЭТА1-01  из-за  отсутствия  датчика  ПДФ-9  на  валу  двигателя.  Тиристорные  блоки  обеих  модификаций  электроприводов  имеют  одни  и  те  же  конструкции,  меняются  лишь  две  платы  системы  управления.


Как  правило,  во  многих  отраслях  народного  хозяйства,  в  т.  ч.  жилищно-коммунальном  хозяйстве  (ЖКХ),  установлены  электродвигатели  с  большим  запасом  по  мощности  в  расчете  на  максимальную  производительность  оборудования,  несмотря  на  то,  что  часы  пиковой  нагрузки  составляют  всего  15—20  %  общего  времени  его  работы.  В  результате  электродвигатели  с  постоянной  скоростью  вращения  потребляют  среднесуточно  значительно,  иногда  до  60  %,  больше  электроэнергии,  чем  это  необходимо.


Оценка  мировой  и  отечественной  практики  показывает,  что  наибольший  экономический  эффект  при  реализации  программ  энергосбережения  дает  использование  асинхронных  электроприводов  (55—60  %  всей  потребляемой  энергии)  в  отраслях  промышленности  (прессы,  станки,  электротранспортеры  и  конвейеры,  печи,  мельницы  и  др.  и  коммунального  хозяйства.) 


Наиболее  дающим  большую  экономию  электроэнергии  способом  (до  30—50  %)  является  оснащение  АД  частотными  преобразователями,  позволяющими  регулировать  частоту  их  вращения  в  зависимости  от  реальной  нагрузки  [3].


В  жилищно-коммунальном  хозяйстве  это:


·насосы  холодной  и  горячей  воды  в  центральных  тепловых  пунктах;


·насосные  установки  водоканальных  и  тепловых  сетей  и  очистных  станций;


·компрессоры,  вентиляторы,  кондиционеры,  установленные  в  зданиях.


В  топливно-энергетическом  комплексе: 


·буровые  установки,  насосы  нефтеперекачки;


·экскаваторы,  электротрансмиссии  мощных  карьерных  самосвалов,  карьерные  дизель-троллейвозы,  транспортеры  и  конвейеры,  дробилки  и  мельницы,  шахтные  подъемные  машины  и  шахтный  электротранспорт;


·насосные  и  вентиляторные  установки  ТЭС,  ТЭЦ,  РТС  и  котельных,  насосные  установки  тепловых  сетей  и  др.


В  целом  электродвигатели  мощностью  до  100  кВт  составляют  ~  90  %  и  потребляют  90  %  электроэнергии,  преобразуемой  в  механическую.


Следующее  достоинство  регулируемого  электропривода  —  это  снижение  эксплуатационных  затрат  (снижение  величины  пусковых  токов,  исключая  вредное  их  воздействие  на  питающую  сеть;  исключение  из  работы  дросселей,  заслонок,  различных  клапанов,  гидроударов  в  гидравлической  сети,  плавным  изменением  подачи  воздуха  в  вентиляторах  и  др.;  увеличение  срока  службы  вращающихся  частей,  со  значительным  снижением  эксплуатационных  расходов  и  возможности  аварий  оборудования.)


Разработка  и  внедрение  регулируемого  электропривода  является  одним  из  самых  перспективных  и  экономически  оправданных  направлений  из  всех  энергосберегающих  технологий  и  обеспечит  в  народном  хозяйстве  экономию  энергоносителей  (от  общего  потребления):  электроэнергии  до  15—20  %,  воды  питьевого  качества  до  10—12  %,  топлива  —  8—10  %  и  экономию  денежных  средств  за  счет  уменьшения  потребления  энергоносителей.  Сроки  окупаемости  внедрения  регулируемого  электропривода  менее  одного  года.


Впервые  разработанные  электроприводы  на  базе  двухфазных  асинхронных  двигателей  с  непосредственными  преобразователями  частоты  имеют  технические  характеристики,  близкие  электроприводам  постоянного  тока,  внедрены  кроме  вышеперечисленных  областей,  в  областях,  где  не  могут  использоваться  двигатели  постоянного  тока  и  асинхронные  двигатели  с  фазным  ротором  (предприятия  мукомольной,  химической,  текстильной  и  др.)


 


Список  литературы:


1.Алексеев  В.А.,  Горчаков  В.В.,  Гудков  И.И.,  Чернов  Н.П.  Электроприводы  тиристорные  асинхронные  серии  ЭТА1-00.  (Отраслевой  каталог)  М.:  Информэлектро,  1998  г.


2.Алексеев  В.А.  и  др.  Частотно-регулируемые  электроприводы  на  базе  двухфазных  асинхронных  двигателей  и  преобразователей.  М.:  Электротехника,  —  №  5,  —  1989. 


3.Алексеев  В.А.,  Артемьев  В.С.  Энергосберегающие  технологии  для  автотранспортной  отрасли.  Чебоксары,  Волжский  филиал  МАДИ,  2012.  —  192  с.


4.Алексеев  В.А.  Электроприводы  асинхронные  в  системах  энергосбережения//Сборник  материалов  VI  научно-практической  конференции  «Дорожно-транспортный  комплекс:  состояние,  проблемы  и  перспективы  развития».  Чебоксары,  Волжский  филиал  МАДИ,  2012.  —  С.  125—131.

Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

Оставить комментарий