3.4.Енергозберігаючі системи регульованого електропривода змінного струму.
Основними типами регульованих асинхронних електроприводів з короткозамкнутими двигунами є:
частотно – регульований електропривод, що дозволяє задовольнити найвищі вимоги по діапазону і якості регулювання швидкості і відробітку складних законів руху;
система з реалізацією енергії ковзання – асихронно-вентильний каскад АВК;
система регулятор тиристора напруги – асинхронний двигун ТРН-АД, призначена для масових електроприводів з керованими пускотормозными режимами, режимами короткочасного зниження швидкості.
Швидкість асинхронних двигунів практично пропорційна частоті напруги живлячої мережі. Таким чином, зміна швидкості обертання двигуна може бути досягнуте шляхом зміни частоти споживаної напруги. З іншого боку, момент двигуна пропорційний магнітному потоку в повітряному зазорі двигуна. Останній, у свою чергу, пропорційний живлячій напрузі і назад пропорційний частоті живлячої напруги. Таким чином, момент двигуна може бути змінений шляхом підстроювання живлячої напруги під будь-яку необхідну частоту.
Відповідно, використовуючи двигун змінного струму для отримання постійного моменту при швидкостях, що змінюються, необхідно мати джерело енергії з регульованою напругою і регульованою частотою, який підтримуватиме постійним відношення
U / f=const
де U - напруга живлячої мережі; f - частота.
Найвідоміший спосіб отримання цього типу енергії - це перетворення змінного струму на промисловій частоті 50 Гц в постійний струм за допомогою випрямляча, а потім назад в змінний струм за допомогою інвертора. У цій схемі напруга регулюється випрямлячем, а частота інвертором.
Основними елементами частотно-регульованого приводу є випрямляч, інвертор, асинхронний або синхронний двигун, програмований мікроконтролер. На додаток до перерахованого використовуються індуктивності і (або) ємкості для стабілізації виходу випрямляча і мінімізації рівня вищих гармонік.
Коли велика індуктивність сполучена послідовно з виходом випрямляча, він називається стабілізатором струму або «джерелом». Така система називається інвертор з джерелом струму (current-source inverter - CSI). Коли ж велика ємкість сполучена паралельно з виходом випрямляча - те це інвертор з джерелом напруги (VSI).
Узагальнена функціональна схема частотно-регульованого електропривода показана на малюнку 6.1.
Мал. 6.1
Системи частотно-регульованого електроприводу можуть бути класифіковані за типом двигуна і за типом перетворювача.
Частотно-регульований електропривод з асинхронним двигуном:
з інвертором струму;
з інвертором напруги.
Частотно-регульований електропривод з синхронним двигуном:
з інвертором струму, часто званим інвертором з комутованим навантаженням (load-commutated inverter - LCI);
з інвертором напруги.
На додаток використовується техніка, відома як широко-імпульсна модуляція ШІМ (PWM). У цій схемі застосовується некерований випрямляч, а змінний струм з регульованою частотою і регульованим рівнем напруги формується інвертором. ШІМ зменшує зміст гармонік на виході інвертора шляхом поліпшення форми кривою струму інвертора струму або форми напруги на виході інвертора напруги. ШИМ до недавнього часу використовувалася при малих потужностях, але зараз використовується і в могутніх частотно-регульованих електроприводах. Можна упевнено сказати, що ШІМ стає домінуючою технологією в частотно-регульованому електроприводі.
Для забезпечення швидкодії електроприводу в перехідних процесах розроблений метод просторового векторного управління, званий також управлінням з орієнтацією магнітного поля. Цей метод заснований на управлінні двома складовими поля статора, одна з яких забезпечує потік в повітряному зазорі двигуна, а інша – момент на його валу. В результаті стає можливим швидко змінювати значення моменту в широкому діапазоні швидкостей. Індукційний двигун при такому способі управління стає подібний до двигуна постійного струму з незалежним збудженням.
Керованими компонентами при реалізації методу є складові струму статора в системі координат, що обертаються. При цьому розрізняють пряме і непряме векторне управління. Існують багато модифікацій систем векторного управління. Зокрема, просторовий вектор обчислюється мікроконтролером з використанням моделі, що враховує параметри конкретного типу двигуна, наприклад, активних опорів ротора, статора, індуктивності розсіяння і ін. Одночасно враховується інформація, що поступає з датчика швидкості двигуна. На рис.6.2 приведена узагальнена схема векторного управління.
Рис.6.2 . Узагальнена схема векторного управління
СК – система керування інвертором; ОВ – обчислювач вектора управління; ДШ – датчик швидкості; Д – двигун; В – випрямляч; І – інвертор.
При будь-якому способі управління за допомогою значення і частоти живлячої напруги в системі електроприводу необхідно мати перетворювач частоти, який може бути виконаний на основі різних схем. До появи нового покоління приладів силової електроніки для цих цілей переважно використовувалися перетворювачі тиристорів частоти з безпосереднім зв'язком з мережею електроживлення (циклоконверторы) і рідше – перетворювачі з явно вираженою ланкою постійного струму із структурою випрямляч-інвертор.
При використанні звичайних тиристорів інвертор напруги виконується по схемі з примусовою комутацією. Перетворювачі тиристорів володіють рядом значних недоліків, які істотно знижують техніко-економічні показники електроприводу в цілому. До таких недоліків відносять, перш за все, украй низькі массогабаритные питомі показники і наявність вищих гармонік у вихідній напрузі, зниженню яких методами ШІМ важко частотними характеристиками тиристорів. Тому для ефективного управління асинхронним електроприводом малої і середньої потужності використовують інвертори напруги на IGBT – транзисторах з робочою частотою, лежачою за переділами звукового діапазону.
Масове виробництво перетворювачів для електроприводу на основі сучасних двохопераційних приладів освоєне практично всіма ведучими електротехнічними компаніями миру. При цьому різноманіттю існуючих перетворювачів властиве використання як силова схема однієї і тієї ж класичної структури (рис.6.3.): трифазний мостовий некерований (нерегульований) випрямляч В, LC – фільтр Ф ланки постійного струму, трифазний мостовий автономний інвертор напруги АІН з широтно-імпульсною модуляцією ШІМ.
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.