2. Область применения частотно-регулируемых электроприводов в горной промышленности

В настоящее время на всех стадиях добычи, первичной переработки и транспортировки горного сырья в ос­новном применяются электроприводы переменного тока с асинхронными и синхронными электродвигателями.

Основные направления развития электропривода техноло­гических установок горной промышленности совпа­дают с общей тенденцией развития электропривода на со­временном этапе - все более широким применением регу­лируемого электропривода и компьютерных средств автома­тизации при создании нового и модернизации действующего технологического оборудования. Также следует отметить спе­цифические для горной промышленности направления дальнейшего совершенствования электропривода — повыше­ние надежности и взрывозащищенности. Перечислим эти направления.

1. Широкое применение полупроводниковых преобразова­телей для регулирования координат (скорости, положения, момента) электроприводов.

2. Стандартизация и унификация силового электрообору­дования, повышение степени его заводской готовности.

3. Повышение КПД, коэффициента мощности и других технико-экономических показателей.

4. Создание серии комплектных электроприводов, вклю­чающих силовое электрооборудование, системы автоматиче­ского управления, контроля, защиты и диагностики.

5. Унификация и миниатюризация аппаратуры управления.

6. Применение средств вычислительной техники, исполь­зование модульного принципа построения систем управления.

7. Разработка типовых структур электроприводов.

8. Совершенствование конструкции двигателей, полупроводниковых преобразователей и аппаратуры управления с целью повышения надежности, взрывозащищенности и уменьшения массогабаритных показателей.

В ближайшие годы основной объем внедрения регулируе­мых электроприводов в горной промышленности будет связан с ее реконструкцией. При этом наряду с заменой из­ношенного или морально устаревшего оборудования возмож­на модернизация существующих электрических машин и систем управления полупроводниковыми преобразователями и другими компонентами регулируемого электропривода. При этом ожидаемая экономия электроэнергии за счет внедрения регулируемого электропривода может составить до 40 % от ожидаемой экономии по всей совокупности мероприятий.

Применение в горной промышленности регулируе­мых электроприводов позволяет повысить производительность рабочих машин и механизмов, автоматизировать многие технологические процессы, уменьшить энергопотребление и другие материальные затраты.

3. Основные законы скалярного управления частотно-регулируемых электроприводов

Принцип скалярного управления частотно-регулируемого асинхронного электропривода базируется на изменении час­тоты и текущих значений напряжения, магнитного потока и тока двигателя. Управляемость двигателя при этом может обеспечиваться взаимосвязанным регулированием либо час­тоты и напряжения, либо частоты и тока статора двигателя. Первый способ управления принято называть частотным управлением, а второй — частотно-токовым управлением. Выбор способа управления определяется совокупностью ста­тических, динамических и энергетических требований к электроприводу.

Скалярный принцип частотного управления является наи­более распространенным в электроприводах с асинхронным двигателем.

При частотном управлении электромагнитный момент асинхронного двигателя зависит от частоты и напряжения переменного тока, питающего статор электрической машины. Наличие двух независимых каналов управления (уровнем на­пряжения и частотой) дает возможность реализовать в сис­теме преобразователь частоты — асинхронный двигатель (ПЧ — АД) различные законы управления.

Академиком М.П. Костенко установлено, что при сохране­нии постоянной перегрузочной способности двигателя λ = М_к/М_ном регулирование параметров двигателя и сети должно осуществляться по закону

(1)

где М_к, М_ном - соответственно критический (максимальный) и номинальный момент электродвигателя; M₁, M₂ — значения электромагнитного момента, соответствующие значениям магнитного потока Ф₁ и Ф₂; U₁ ,U₂ — значения напряжений на статоре; f₁ , f₂ — значения частоты переменного тока, питающего статор двигателя.

Если индексы величин знаменателей в формулах (1) от­нести к номинальным значениям (напряжению и частоте тока сети), то можно записать

(2)

где U₁, f₁ - соответственно напряжение и частота на выходе преобразователя частоты.

Обозначив U₁ /U_ном = γ; f₁/f_ном =α; М₁/M_ном=μ, оконча­тельно получим

(3)

Управляя двигателем в соответствии с выражением (3) при ненасыщенной магнитной системе электрической маши­ны, можно сохранить практически неизменными коэффици­ент мощности, скольжение, перегрузочную способность не­зависимо от изменения частоты.

Виды нагрузки определяют различные формы взаимосвя­занного управления напряжением и частотой.

При постоянном моменте нагрузки

, или U/f=const. (4)

При постоянной мощности Р=cMf = const, здесь с — конструктивная постоянная двигателя, будем иметь

(5)

Часто нагрузка зависит от скорости исполнительного ор­гана рабочей машины ω

или . (6)

При вентиляторной нагрузке (n = 2) будем иметь

(7)

Механические характеристики привода, сохраняющего теоретически постоянство перегрузочной способности двига­теля при указанных видах нагрузки, приведены на рис. 2. Однако, как видно из графиков, изображенных пунктирными линиями, сохранить постоянство перегрузочной способности двигателя не удается. Это связано с тем, что с уменьшением частоты растет влияние падения напряжения в активном со­противлении статорной цепи, которое при выводе основных законов управления не учитывалось.

Рис. 2. Механические характеристики привода, управляемого по системе преобразователь частоты - асинхронный двигатель:

a — при постоянном моменте; б — при постоянной мощности; в — при вен­тиляторной нагрузке

Для того чтобы реализовать принцип скалярного частот­ного управления, необходимо в соответствии с выражением (2) взаимосвязано управлять напряжением на статоре асин­хронной машины при изменении частоты.

В разомкнутых системах ПЧ —АД не удается достичь боль­шого диапазона регулирования скорости, поскольку в значительной степени проявляется статизм (влияние измене­ния момента нагрузки на механическую характеристику при­вода). Например, уже при диапазоне регулирования 6:1 ста­тизм может достигать около 30 %. В частотно-управляемых замкнутых (с обратными связями по току, скорости или дру­гим величинам) системах электропривода диапазон регули­рования скорости расширяется до 50:1 и более, а в асинхрон­ных приводах с векторным принципом управления до 1000:1 и более.

Скалярное управление может быть реализовано при от­сутствии датчиков напряжения, тока и скорости. Тем не ме­нее, все современные ПЧ содержат датчики тока и напряже­ния для обеспечения сервисных защитных и других дополни­тельных функций. Датчики напряжения устанавливаются, как правило, в звене постоянного тока, а датчики тока — на вы­ходе инвертора в двух фазах.

При частотном регулировании скорости синхронных дви­гателей для случая постоянного момента сопротивления на валу двигателя напряжение на выходе ПЧ следует изменять по закону U/f = const. Если же момент приводимой рабочей машины зависит от скорости, то при изменении частоты тре­буется наряду с изменением напряжения регулировать ток возбуждения двигателя.

Рассмотрим законы скалярного управления при частотном регулировании скорости синхронного двигателя с неявно вы­раженными полюсами из условия обеспечения заданной пе­регрузочной способности (угол нагрузки θ=θ_ном=const).

Электромагнитный момент синхронного двигателя опреде­ляется следующей зависимостью:

(8)

где U — фазное напряжение на зажимах статора; Е — ЭДС, индуцируемая в обмотке статора; ω₀ - угловая скорость маг­нитного поля; х — синхронное индуктивное сопротивление.

Пренебрегая насыщением магнитной цепи, формулу (8) можно записать в виде

(9)

где I_В — ток возбуждения синхронного двигателя; А — посто­янная величина.

При постоянном значении угла нагрузки двигателя (θ=θ_ном) закон регулирования напряжения и тока возбужде­ния определится из соотношения

(10)

откуда следует

(11)

При U/f = U_ном/f_ном= const из (10) получим зависимость тока возбуждения синхронного двигателя от момента на валу

(12)

т.е. при U/f = const возбуждение синхронного двигателя должно изменяться пропорционально моменту нагрузки.

Для I_в /I_в.ном= const из (10) также следует, что U/f = U_ном/f_ном = const и регулирование проводится при постоян­ном моменте (М = М_ном).

При регулировании в режиме постоянной мощности регу­лирование осуществляется изменением только частоты при неизменных значениях тока возбуждения и напряжения.

По аналогии с двухзонным регулированием скорости дви­гателя постоянного тока независимого возбуждения можно реализовать аналогичное регулирование скорости синхронно­го двигателя. При постоянном моменте используется регули­рование скорости в зоне ниже номинального значения, а при постоянной мощности — в зоне выше номинального значе­ния скорости.