Перспективность частотного регулирования наглядно видна из рисунка 25.

Рис.25. Частотное регулирование

Таким образом, при дросселировании поток вещества, сдерживаемый задвижкой или клапаном, не совершает полезной работы. Применение регулируемого электропривода насоса или вентилятора позволяет задать необходимое давление или расход, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снизит потери транспортируемого вещества.

7.1.3.4 Структура частотного преобразователя

Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.

Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.

Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.

В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями

7.1.3.5 Принцип работы преобразователя частоты

Преобразователь частоты состоит из (рис.26.):

- неуправляемого диодного силового выпрямителя В, служащего для получения постоянного тока из трехфазного переменного тока

- автономного инвертора, устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением величины напряжения

- системы управления ШИМ(широтно-импульсная модуляция) процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путем изменения скважности импульсов, при постоянной частоте.

- системы автоматического регулирования (дросселя Lви конденсатора фильтра Cв

Регулирование выходной частоты fвых. и напряжения Uвых осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления.

Рис.26. Преобразователь частоты

Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя.

Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи.

Таким образом, форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов (рис.27.). Частота импульсов определяется частотой ШИМ, длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН промодулирована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока (тока в обмотках асинхронного электродвигателя) практически синусоидальна.

Регулирование выходного напряжения инвертора можно осуществить двумя способами: амплитудным (АР) за счет изменения входного напряжения Uв и широтно-импульсным (ШИМ) за счет изменения программы переключения вентилей V1-V6 при Uв = const.

Второй способ получил распространение в современных преобразователях частоты благодаря развитию современной элементной базы (микропроцессоры, IBGT-транзисторы). При широтно-импульсной модуляции форма токов в обмотках статора асинхронного двигателя получается близкой к синусоидальной благодаря фильтрующим свойствам самих обмоток.

Рис.27.Форма кривой выходного напряжения

Такое управление позволяет получить высокий КПД преобразователя и эквивалентно аналоговому управлению с помощью частоты и амплитуды напряжения.

Современные инверторы выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов - запираемых GTO - тиристоров, либо биполярных IGBT-транзисторов с изолированным затвором. На рис.28. представлена 3-х фазная мостовая схема автономного инвертора на IGBT-транзисторах.

Она состоит из входного емкостного фильтра Cф и шести IGBT-транзисторов V1-V6 включенными встречно-параллельно диодами обратного тока D1-D6.

За счет поочередного переключения вентилей V1-V6 по алгоритму, заданному системой управления, постоянное входной напряжение Uв преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение. Через управляемые ключи V1-V6 протекает активная составляющая тока асинхронного электродвигателя, через диоды D1-D6 - реактивная составляющая тока.

Рис.28. 3-х фазная мостовая схема автономного инвертора на IGBT-транзисторах

И - трехфазный мостовой инвертор;

В - трехфазный мостовой выпрямитель;

Сф - конденсатор фильтра;

7.1.3.6 Частотные преобразователи: критерии выбора

Преобразователи частоты активно завоевывают рынок, поэтому сейчас крайне актуально «повышение квалификации» инженерно-технического персонала. Автор статьи не ставит перед собой цель изложить тему полностью, однако постарается помочь разработчикам машиностроительного оборудования лучше сориентироваться в вопросах выбора и применения преобразователей в повседневной практике.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором на сегодняшний день является одним из самых дешевых и надежных и поэтому, активно применяется в промышленности. Однако нет в мире ничего идеального, и этот двигатель - не исключение. Недостатков у него два. Во-первых, не удается простым способом регулировать скорость двигателя и, как следствие, производительность механизма. Проблема, конечно, решается: в насосах применяются задвижки, ограничивающие поток жидкости, в вентиляторах - шибера и заслонки, в промышленных механизмах - разного рода редукторы. Однако все эти варианты имеют свои минусы: одни неэкономичны, другие ненадежны, третьи обеспечивают лишь конечный набор скоростей и необходимость остановки механизма для переключения и т.д. Вторая проблема - очень большой пусковой ток (в 5-7 раз, превышающий номинальный) и момент, приводящий к ударным механическим нагрузкам при пуске. Соответственно необходимо использование более устойчивой коммутационной аппаратуры и применение тех или иных демпфирующих устройств.

В результате многолетних попыток решить эти проблемы родился прибор, оптимальный по своим функциям и обеспечивающий возможность плавного запуска и непрерывного регулирования скорости электронным способом, по определению являющимся более надежным, чем механический. Прибор более надежным, чем механический. Прибор этот получил название преобразователь частоты.

Рассмотрим применения частотных преобразователей по степени популярности:

Насосы. Потребляемая насосом мощность пропорциональна кубу скорости вращения, поэтому использование частотного преобразователя дает экономию электроэнергии до 30% и даже больше по сравнению со способом регулирования мощности заслонками на трубе. Эта экономия позволяет окупить частотный преобразователь примерно за год. Попутно решается проблема гидравлических ударов: при работе преобразователя частоты пуск и останов насоса происходят плавно. Современные преобразователи ведущих фирм имеют систему управления, позволяющую управлять группой насосов, то есть практически построить насосную станцию без привлечения дополнительного контроллера.

Вентиляторы. Все, что было сказано для насосов, относится и к вентиляторам. Экономия электроэнергии здесь обычно еще больше, поскольку для обеспечения прямого пуска тяжелых вентиляторов часто применяются двигатели повышенной мощности. При проектировании новых установок можно использовать с преобразователем двигатель меньшей мощности, а при модернизации существующих установок дополнительная экономия получается за счет снижения потерь холостого хода.

Взгляните на рисунок 29: переменное напряжение сети выпрямляется, сглаживается конденсаторами, а затем из полученного постоянного напряжения выходной генератор формирует напряжение необходимой частоты и амплитуды.

Рис.29. Формирование напряжения необходимой частоты и амплитуды

Формирование это схематически показано на рис. 30: по существу генератор просто открывает и закрывает нужные выходные ключи, формируя последовательность импульсов различной ширины; результат отнюдь не похож на синусоиду. Однако в работе участвует и двигатель, индуктивность которого приводит к сглаживанию кривой тока, который оказывается пропорциональным среднему значению напряжения (собственно, поэтому от преобразователя частоты без специальных мер нельзя питать другие нагрузки).

Рис.30. Формирование напряжения необходимой частоты и амплитуды схематически

По такой силовой схеме собрано подавляющее большинство представленных на рынке преобразователей частоты. Все отличия кроются в функциях системы управления, которые можно разделить на три группы:

1. Управление силовыми ключами выходного генератора;

2. Обеспечение защиты двигателя, сети и самого преобразователя частоты;

3. Система обмена информацией с внешним миром.

8. Разработка системы насосной станции

Перекачивание воды со скважин идет через систему труб и установленную группу насосов (рис.).

Очевидно, что в установившемся режиме работы приток равен стоку. Таким образом, управляющей величиной является приток жидкости, управляемой - величина уровня, а главным возмущением - изменение потока жидкости потребителей.

Передаточная функция объекта управления представляет собой интегрирующее звено вида:

где T-постоянная времени численно T=S

Структурная схема объекта управления имеет вид и представлена на рисунке 31.

Рис.31. Структурная схема объекта управления

Функциональная схема системы автоматического регулирования имеет вид и представлена на рисунке 32.

Рис.32. Структурная схема САР электропривода

8.2 Передаточная функция насосного агрегата

Передаточная функция насоса имеет вид:

где производительность насоса пропорциональна входной величине:

Передаточная функция насосного агрегата пропорциональна коэффициенту усиления насосного агрегата:

где

где q - объем рабочей камеры насоса или удельная производительность насоса.

Производительность центробежного насоса прямо пропорциональна угловой скорости вращения приводного электродвигателя:

8.3 Передаточная функция частотного преобразователя

Преобразователь частоты обеспечивает регулировку, как по частоте, так и по напряжению, причем выходное напряжение пропорционально частоте. В связи с этим возьмем в качестве выходного параметра напряжение, и представим структурную схему преобразователя частоты в виде передаточной функции:

где - постоянная времени преобразователя (для преобразователей на быстродействующих транзисторах 0,001 с), - коэффициент усиления преобразователя по напряжению.

В трехфазном преобразователе входное напряжение с регулятора является входным для каждой фазы. Схемы регуляторов собраны на основе операционных усилителей. Максимальное напряжение задания на выходе с регулятора составляет 10 В.

Коэффициент усиления преобразователя:

8.4 Структурная схема асинхронного двигателя

Пусковой момент:

522 Н•м

Пусковой ток:

Данные для анализа САР электропривода приведены в таблице 8.1.

Таблица 8.1. Параметры двигателя

Для вывода передаточных функций используем упрощенную Г-образную схему замещения асинхронного двигателя представлена на рисунке 33.

По II-му закону Кирхгофа:

Рис.33. Г-образная схема замещения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

При пуске двигателя:

где - сопротивления короткого замыкания двигателя

Отсюда:

где

- постоянная времени АД

- коэффициент двигателя

Получаем,

Ток статора:

где - коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания и сопротивления обмоток на отношение I₁/I₂, при .Находим значение коэффициента из графика на рисунке 34.

Рис.34. Зависимость коэффициента от коэффициента мощности

Уравнение движения АД:

Т.к. максимальный момент развиваемый двигателем при работе равен

Следовательно, характеристика двигателя на этом участке близка к линейной.

Жесткость механической характеристики в равна:

Электромагнитный момент:

Т.к. электромагнитный момент пропорционален току :

то для момента пуска:

Запишем уравнение в операторной форме:

Таким образом, звено представлено интегрирующим звеном с передаточной функцией:

Составим структурную схему АД с короткозамкнутым ротором на рисунке 35.

Рис.35. Структурная схема АД с короткозамкнутым ротором

8.4 Регулятор тока

1. Клевцов. А. В. Преобразователи частоты для электропривода переменного тока.: Гриф и Ко, 2008.

2. Попов. А. И. Основы электромеханики асинхронного частотного электропривода.: ЛКИ, 2007.

3. Епифанов. А. П., Малайчук Л. М., Гущинский. А. Г. Электропривод: Лань, 2012.

4. Никитенко. Г. В. Электропривод производственных механизмов: Лань,2013.

5. Соколовский. Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: «Академия», 2006

6. Бекишев. Р. Ф. Электропривод: Юрайт, 2015.

7. Онищенко. Г. Б. Теория электропривода: Инфра-М, 2015.

8. Петренко Ю.Н. Системы автоматизированного управления электроприводами. Мн.: Новое знание, 2004.

9. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. М.: Энергоатомиздат, 1987.

10. Теплотехника: Учеб. для вузов. / Под ред. А.П. Баскакова. М.: Энергоатомиздат, 1991.

11. Лезнов Б.С. Частотно-регулируемый электропривод насосных установок. Москва, Издательство Машиностроение, 2013

Размещено на Allbest.ru