4. Эффективность применения частотно-регулируемых электроприводов

В подавляющем большинстве случаев электроприводы технологических установок транспорта углеводородного сы­рья являются нерегулируемыми, что не обеспечивает режим рационального электропотребления. Выбранные по максиму­му производительности эти рабочие машины могут значи­тельную часть времени работать с меньшей производитель­ностью и со значительным удельным расходом энергии на транспорт перекачиваемой жидкости или газа.

Существующие в настоящее время системы нерегулируе­мого электропривода турбомашин с регулированием расхода дросселированием (задвижкой) не обеспечивают заметного снижения потребляемой мощности при уменьшении расхода.

Мощность Р (в кВт), потребляемая турбомашиной, опреде­ляется по формуле

(7.13)

где Q — расход, м³/с; Н — напор, м; g = 9,8 — ускорение свободного падения, м/с²; ρ — плотность перекачиваемой жидкости или газа; кг/дм³; η — КПД установки, η= η_д·η_т·η_п; η_д,η_т,η_п — КПД соответственно электродвигателя, турбомашины и преобразователя частоты.

При применении частотно-регулируемого электропривода может быть достигнута экономия электроэнергии до 20 — 30 % по сравнению с регулированием расхода дросселированием потока. При этом энергосберегающий эффект будет достиг­нут тем выше, чем больше неравномерность графика потреб­ления жидкости (газа).

Помимо энергосбережения применение частотно-регули­руемого электропривода обеспечивает ресурсосберегающий эффект за счет уменьшения утечек перекачиваемого вещест­ва через уплотнения и увеличения в 2 — 3 раза межремонтных периодов перекачивающих агрегатов и запорной арматуры, функционирующих в щадящих режимах.

5. Частотно-регулируемый электропривод с вентильным двигателем

Вентильные двигатели (ВД) сочетают в себе преимущества машин постоянного тока, имея разнообразные механические характеристики, хорошие регулировочные свойства и бесконтактность асинхронных машин. Поэтому ВД также назы­вают бесконтактными двигателями постоянного тока.

Вентильный двигатель представляет собой систему (рис. 4, а), состоящую из синхронной машины СМ, датчика положения ротора ДПР, установленного на его валу, и внеш­него электронного коммутатора ЭК, исполняющего роль коллектора обычной машины постоянного тока. Синхрон­ная машина имеет фазные обмотки на статоре (якоре) и ротор с обмоткой возбуждения или постоянные магниты из материалов, имеющих большую коэрцитивную силу (до 6·10³ кА/м).

Электронный коммутатор обеспечивает ступенчатое изме­нение фазных напряжений. Он включает в себя распредели­тель импульсов РИ, управляющий транзисторами Т1—Тб ин­вертора И.

Рис. 4. Частотно-регулируемый электропривод с вентильным двигателем:

а – принципиальная схема; б – векторные диаграммы магнитодвижущих сил (МДС) в фазных обмотках статора и графики фазных напряжений

Использование ДПР является особенностью вентильного двигателя, так как сигналы на переключение полупроводни­ков инвертора поступают от системы управления в зависимо­сти от положения ротора, благодаря чему может изменяться частота тока в обмотке статора. Если бы инвертор был неза­висимым и частота инвертируемого тока поддерживалась неизменной, то рассматриваемая электромеханическая сис­тема инвертор — электрическая машина являлась бы обыч­ным синхронным двигателем без регулирования частоты вращения.

Промежуточное звено постоянного тока разделяет частоты сети переменного тока и выхода инвертора, поэтому частота вращения двигателя не ограничивается частотой сети.

Принцип работы ВД поясняют диаграммы фазных напря­жений (рис. 4, 6). Если ротор синхронной машины СМ на­ходится в положении 0°, то открыты транзисторы Т1, ТЗ и Т6. При этом, как следует из диаграмм, обмотки статора А и С присоединяются параллельно к положительному полюсу ис­точника питания. Поэтому на каждой из них будет напряже­ние 1/3 U, а на обмотке В — 2/3 U (положение 1 на диаграм­ме фазных напряжений).

При повороте ротора на 30° закрывается транзистор Т1 и открывается Т2. Фазные напряжения становятся такими, как изображено в положении 2 на диаграмме (см. ряс. 4, б). Изменится и векторная диаграмма фазных токов. Каждое по­ложение токов и фазных напряжений сохраняется в течение времени поворота ротора на 60°. Таким образом, в расточке статора образуется вращающееся магнитное поле, с которым синхронно вращается ротор.

Двигатели с возбуждением от постоянных магнитов вы­полняются на мощности до 30 кВт обычно в многополюсном исполнении. В этом диапазоне мощности ВД с постоянными магнитами имеют меньшие габариты и массу и белее высо­кий КПД по сравнению с ВД, имеющими обмотку возбужде­ния. В последнем случае обмотка возбуждения ВД получает питание от источника постоянного тока через контактные кольца и щетки.

Регулирование скорости ВД может осуществляться изме­нением напряжения U и тока возбуждения (при наличии об­мотки возбуждения).

Для получения высокого качества регулирования в стати­ческих и динамических режимах в электроприводах с ВД ис­пользуются различные обратные связи. Диапазон регулиро­вания скорости, который можно получить в системе привода с ВД, имеющими дополнительную обратную связь по скоро­сти, может достигать 1:50000.

Вентильные двигатели обладают рядом положительных свойств. К ним следует отнести возможность изготовления в широком диапазоне мощностей, частот вращения и напря­жений. Они характеризуются высокой надежностью, боль­шим сроком службы и высоким качеством регулирования. ВД могут быть выполнены во взрывозащищенном исполнении. Они находят применение для привода рабочих машин, для которых использование коллекторных машин либо затрудне­но, либо вообще невозможно, и вместе с тем требуются ха­рактеристики коллекторных машин. Весьма перспективно применение ВД в электроприводах установок магистрального транспорта углеводородного сырья.

По сравнению с асинхронным двигателем, питаемым от пре­образователя частоты, вентильный двигатель обладает следую­щими преимуществами: лучший КПД вследствие отсутствия потерь на скольжение, малый момент инерции и вследствие этого более высокое быстродействие и лучшая управляемость.