Підвищення енергетичної ефективності підйомних машин з електроприводом змінного струму

1 Основні напрями розвитку електроприводу змінного струму

У кожній промислово розвиненій країні більше половини всієї електроенергії, що виробляється, перетворюється в механічну форму, необхідну для реалізації механічних процесів, зокрема виробничих всіх видів. Це перетворення здійснюється за допомогою електричних приводів, широке застосування яких обумовлене тим, що їм властивий ряд важливих переваг. Це, перш за все, виключно широкий діапазон потужностей (від 1Вт в електричних годинниках до 103Мвт в приводах насосів, що встановлюються на гідроелектростанціях), великий момент (більше 106Н м), що обертає, і висока швидкість обертання, а також можливість роботи у всіх чотирьох квадрантах механічної характеристики, високий ККД.

Електропривод може забезпечувати можливість роботи з регульованим обертаючим моментом, прискоренням, швидкістю і положенням, що забезпечує плавний хід і швидкий перехід від одного сталого стану до іншого [18].

Більшість використованих електроприводів в даний час належать до нерегульованих, тобто забезпечують приблизно постійну частоту обертання. Проте, в зв’язку із зростанням рівня автоматизації питома вага регульованих по частоті обертання двигунів неминуче зростатиме.

На сьогоднішній день електроприводи з регульованою частотою обертання - це, в основному, приводи постійного струму, але все більше спостерігається тенденція використання регульованих приводів змінного струму, яка посилюється завдяки прогресу напівпровідникової техніки.

Для живлення регульованого приводу змінного струму потрібний зовнішній перетворювач, здатний виробляти змінну напругу і струми з регульованими амплітудою, частотою і фазою. Процес перетворення живлячої напруги незмінної частоти і фази здійснюється зазвичай в два етапи з використанням проміжної ланки постійного струму (рис.4.1,а).

а)

б)

Рисунок 4.1 - Функціональні схеми приводів змінного струму з ланкою постійнного струму

Перетворювач на стороні живлячої мережі, що подає в ланку постійного струму змінну напругу і струм, відноситься до типу перетворювачів, комутованих мережею. Перетворювач на стороні електричної машини (інвертор) необхідний для вироблення змінної напруги із змінною амплітудою і частотою. При рекуперації енергії випрямляч і інвертор міняються ролями. На відміну від приводів постійного струму, в яких силові схеми досить однотипні, в регульованих приводах змінного струму ця ситуація набагато складніша, оскільки в даний час існують різні типи машин змінного струму і перетворювачів. В майбутньому таке положення може змінитися, проте, маловірогідно, щоб все різноманіття звелося до одної-двух схем.

Більшість двигунів змінного струму є зворотніми по відношенню до двигунів постійного струму в тому сенсі, що підведення основного електроживлення здійснюється у них з боку статора, щоб уникнути проблем, пов'язаних з наявністю ковзаючих контактів при високій потужності і частоті обертання. У сучасних синхронних двигунах збудження з боку ротора здійснюється постійними магнітами або спеціальною обмоткою збудження, в яку подається струм або за допомогою контактних кілець і щіток, або через випрямляч, що обертається, від збудника змінного струму (допоміжного генератора змінного струму).

Характерною особливістю всіх синхронних двигунів, що живляться і керуються перетворювачем, є те, що їх не можна вивести з синхронізму, оскільки аналогічно машині постійного струму послідовність комутації інвертора задається в них положенням ротора двигуна. У сталому стані крива струму статора синхронної машини підтримується в синхронізмі з ротором. Отже, найкраще управляти струмом статора в координатах, пов'язаних з ротором, використовуючи перетворення координат, засноване на величині кута повороту ротора.

Перспективною для регульованого електроприводу змінного струму є комбінація асинхронного двигуна з силовим перетворювачем. У асинхронній машині струми в короткозамкнутій обмотці ротора індукуються магнітним потоком статора, що рухається відносно поверхні ротора із швидкістю ковзання, яка складає лиш декілька відсотків номінальної частоти обертання, інакше коефіцієнт потужності зменшився б і втрати в роторі стали б дуже великими. Асинхронний двигун ідеально підходить для багатьох застосувань, особливо в тих випадках, коли потрібна висока частота обертання. Звичайно, інвертор повинен забезпечувати двигун не тільки активною потужністю, але і реактивною для намагнічування.

У тих випадках, коли від приводу вимагається лише обмежений діапазон частот обертання, наприклад, зміна, щодо номінальної частоти обертання на 26-30 %, то найбільш доцільне застосування асинхронних двигунів з подвійним живленням. При з'єднанні обмотки статора колекторного двигуна подвійного живлення з живлячою мережею постійної частоти і подачі через фазні кільця в роторну обмотку або витягання з неї потужності з частотою ковзання, розрахункова потужність перетворювача на стороні ротора визначається потужністю ковзання.

На рис.4.1,б показана схема приводу із статичним перетворювачем, в якому потужність, отримана з роторної обмотки, передається в мережу через перетворювач із ланкою постійного струму, що містить діодний випрямляч і інвертор з фазним управлінням на стороні мережі живлення. Регулювання здійснюється за допомогою зміни кута управління інвертора, що викликає зміну зустрічної напруги в ланці постійного струму. Це приводить до відповідної зміни напруги обмотки ротора, з тим, щоб підтримати заданий струм у проміжній ланці, тобто забезпечити заданий момент, що обертає. Система управління досить проста і аналогічна системі управління приводом машиною постійного струму, що містить внутрішній контур струму і зовнішній контур регулювання частоти обертання. У руховому режимі такий привід може працювати тільки нижче за синхронну швидкість обертання. Саме тому він носить назву субсинхронного перетворювального каскаду. Проте і тут можливий генераторний режим при роботі з частотою обертання вище синхронної, що, зокрема, представляє інтерес для приводів з активним навантаженням.

Характерною особливістю електроприводів з двигунами змінного струму є те, що практично неможливо уніфікувати приводи в широкому діапазоні можливих номінальних потужностей, тобто жоден з типів двигунів або силових перетворювачів потужності не придатний для всіх можливих застосувань. Крім того, навіть для однієї і тієї само промислової установки, що працює з різними режимами, один і той же тип приводу не може бути однаково ефективним.

За даними закордоних фірм, найбільш перспективні регульовані електроприводи змінного струму базуються на наступних машинах змінного струму: синхронна машина зі збудженням від постійнних магнітів, реактивний шаговий двигун, асинхронна машина с короткозамкнутим ротором, асинхронна машина подвійного живлення з роторною обмоткою і фазними кільцями, синхронна машина з обмоткою збуждення і демпферною обмоткою. Три із п’яти вказанних двигунів відносяться до типу синхронних машин, в яких магнітний потік обертається синхронно з ротором, тобто, в залежності від величини , величина , (тут - число пар полюсів; - кутова швидкість руху магнітного поля статора; - кутова частота змінного струму ротора; - кутова швидкість ротора). Частота струму статора прямопропорційна швидкості обертання.

Синхронні двигуни, що працюють від мережі з незмінною напругою і частотою, схильні до коливань, що вимагає установки на роторі короткозамкнутих демпферних обмоток, які служать також для асинхронного запуску таких двигунів. Якщо є джерело живлення з регульованою частотою, то обидва вказані ефекти можуть бути досягнуті за допомогою перетворювача, що в принципі робить зайвими демпферні обмотки. Проте і тут демпферна обмотка може виявитися корисною для придушення вищих гармонік, а також для зниження надперехідного реактивного опору машини, що полегшує комутацію інвертора.

Реактивний кроковий (релуктансний) двигун представляє собою особливу конструкцію. Тут розташована на статорі обмотка, що створює збудження і ампервитки, а ротор з виступаючими полюсами, що не має ніяких обмоток, аналогічно кроковому двигунові здійснює кутові переміщення синхронно з магнітним полем. На обмотку статора послідовно подаються однополярні імпульси струму, які при низьких частотах можуть бути преривистими. При відповідному управлінні, який залежить від кута повороту ротора, частоти обертання і моменту, що розвивається, у цього двигуна можна отримати плавний безперервний рух і хороші динамічні характеристики.

Асинхронні машини з короткозамкнутим ротором, як вже наголошувалося вище, є найбільш широко використовуваними електричними двигунами в приводах з постійною частотою обертання. Проте комбінація асинхронного двигуна з силовим перетворювачем представляється перспективною і для регульованих приводів.

Схема перетворювачів вказаних вище приводів підрозділяється на дві групи: перетворювачі з ланкою постійного струму і перетворювачі без ланки постійного струму. У перетворювачах першої групи незмінна напруга і частота перетворяться в регульовану напругу змінної частоти в два етапи, що забезпечує необхідну розв'язку і відсутність небажаних взаємодій.

Якщо перетворювачі мають ланку постійного струму з малим повним опором, то забезпечується майже незмінна напруга на вході інвертора, що включається на стороні електричної машини (інвертор напруги), який може працювати при обох напрямах випрямленого струму. Управління інвертором напруги зазвичай здійснюється методом широтно-імпульсної модуляції (ШІМ), при якій виходи обмотки двигуна по черзі підключаються то до однієї, то до іншої шини ланки постійної напруги, внаслідок чого виходить приблизно синусоїдальний струм двигуна. При високій частоті обертання широтно-імпульсна модуляція перестає діяти. Тому на виході інвертора виходить напруга з прямокутною формою кривої, в якому основна гармоніка досягає найбільшої величини. При використанні замикаючих тиристорів (ЗТ), додатковий ланцюг примусової комутації в інверторі виключається, а на стороні мережі можна значно понизити небажаний негативний вплив перетворювача на мережу, пов'язаний із споживанням від мережі реактивної потужності і наявністю в струмі вищих гармонік. В результаті можна отримати майже синусоїдальний мережевий струм з коефіцієнтом потужності, близьким до одиниці.

У схемах з ланкою постійного струму з високим повним опором, із-за наявності послідовного реактора випрямлений, струм може протікати в одному напрямі. Такий інвертор називають перетворювальним-інвертором струму: середнє значення струму і, отже, струм двигуна регулюється за допомогою перетворювача на стороні мережі. Струм двигуна при живленні від такого інвертора преривистий. Він має паузу тривалістю 60 ел.град, протягом кожного півперіоду живлячої напруги. Перетворювачі з проміжною струмовою ланкою часто економічніші, ніж перетворювачі з ланкою напруги. Оскільки рекуперація енергії при гальмуванні машини досягається зміною знаку напруги в проміжній ланці, а не зміною напряму струму ланки, достатньо, щоб перетворювач був однонаправленим. Реактор в проміжній ланці може бути відносно громіздким, але він спрощує захист у разі зриву нормального процесу комутації в інверторі, оскільки обмежує швидкість наростання струму ланки. При низькій частоті обертання інвертор струму також може працювати в режимі широтно-імпульсної модуляції з тим, щоб уникнути нерівномірного обертання двигуна, викликаного пульсаціями електромагнітного моменту.

Звичайні тиристори тут можуть бути замінені замикаючими, що спрощує схеми.

Перетворення незмінної напруги і частоти в змінні можливо і без ланки постійного струму, але також або з примусовою, або з природною комутацією. До теперішнього часу на практиці застосовується тільки другий з цих варіантів. Його ідея грунтується на тому, що двонаправлений, комутований мережею перетворювач, подібний використовуваному в приводах постійного струму, є джерелом живлення, яке може працювати у всіх чотирьох квадрантах площини . Отже, він може живити одну із обмоток статора двигуна змінного струму напругами і струмами низької частоти; застосовуючи окремі джерела живлення для кожної із статорних обмоток, отримуємо симетричну багатофазну систему напруги. Перетворювачі цього типу носять назву циклоконверторів, тому що крива їх вихідної напруги утворена послідовно з окремих ділянок вхідної напруги мережі. Це обмежує частоту вихідної напруги і частиною (наприклад, 40 %) частоти мережі. Тому при частоті 50 або 60Гц область використання таких перетворювачів обмежується низькошвидкісними приводами. Циклоконвертор з трифазним входом і виходом вимагає, як мінімум, 8 тиристорів, тому його застосування може представляти інтерес у разі громіздких приводів. Слід зазначити, що циклоконвертори, так само як і всі перетворювачі з імпульсно-фазовим управлінням, представляють значне реактивне навантаження для живлячої мережі.