ТЭП-Курс_лекций_04-2006

режимах этот показатель можно улучшить. В частности на многих промышленных предприятиях Татнефть широко применяется электропривод станков, - качалок, в которых используются 2-х скоростные АД.

В начале эксплуатации скважины при высоком динамическом уровне жидкости целесообразно использовать двигатели при малом числе оборотов. По истечению определённого срока службы скважины, когда её производительность падает двигатель переводят в режим работы с большим числом оборотов.

При этом переход с меньшей скоростью на большую, производится с циклическим чередованием 2-х скоростей. Промежуток времени циклического чередования с одной скорости на другую равен 10 минутам.

При этом динамический процесс проходит плавно.

4.3.3 Частотное регулирование скорости вращения АД. Принципы и законы частотного регулирования

Необходимо отметить, что частотное регулирование является наиболее целесообразным, эффективным и перспективным способом, регулирования АД с КЗР и кроме того единым способом регулирования СД.

В настоящее время этим способом регулируют ЭП мощностью от нескольких Вт до 10-ти МВт и напряжением от 220 В до 10 кВ.

При изменении частоты напряжения питающего статора, изменяется угловая скорость

ВМП 0 2 f , при этом 0 f , и, соответственно, изменяется скорость вращения вала дви- p

гателя 0 (1 S). При изменении частоты скольжения изменяется, следовательно, и жест-

кость характеристик практически не будет изменяться. Если принять с некоторой долей погрешности , что напряжение на фазе обмотки статора численно равна ЭДС..

U1 E1 4,44КОБWfФ

KОБ - обмоточный коэффициент

W - число витков статорной обмотки f - частота напряжения статора

Предположим, что с целью уменьшения угловой скорости необходимо уменьшить частоту Однако уменьшение частоты при неизменном действующем значении напряжения приведёт к тому что поток увеличится. При увеличении потока больше потока насыщения резко увеличится ток х.х. двигателя, что приведёт к перегреву двигателя. Если же нам требуется увеличивать угловую скорость, то для этом необходимо увеличить частоту, что при U1 const, приведёт к уменьшению потока, и как следствие двигатель будет недогружен по нагреву, при этом уменьшится его КПД и коэффициент мощности Cos , в результате двигатель будет потреблять большое количество реактивной мощности и оказывать вредное «загрязняющее» влияние на сеть. Т.о. при частотном регулировании с целью поддержания постоянства магнитного потока. При одновременном изменении частоты, необходимо изменять напряжение.

При этом соотношение напряжения и частоты зависит от вида производственного механизма. Для механизмов с постоянным статическим моментом статического сопротивления наиболее целесообразным соотношением напряжения и частоты является соотношение:

U UНОМ const

Такой закон регулирования называется пропорциональным. Для механизмов со статическим моментом сопротивления:

102

Для турбомеханизмов, у которых MC 2 , оптимальным вариантом является:

U const . f

С точки зрения оптимальности частотного регулирования – наиболее целесообразным видом является турбомеханизмы . Однако за частую, с целью упрощения системы управления ЭП при регулировании использует пропорциональный закон.

Рассмотрим классификацию методов и технических средств применяемых при частотном регулировании. В общем случае схема частотного регулирования имеет следующий вид:

Рис.117 Схема частотного регулирования.

По структуре преобразования частоты различают:

1.Преобразователи с непосредственным преобразованием частоты НПЧ (однозвенное)

2.Преобразователи частоты промежуточным звеном постоянного тока ПЧсПЗПТ (двухзвенные).

В настоящее время НПЧ как правило используются в качестве вспомогательного преобразовательного блока, а основным видом преобразователей являются преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Процесс преобразования электрической энергии с напряжением и частотой питающей сети в электрическую энергию с изменяемыми напряжением и частотой осуществляется в 2-а этапа:

1.Электрическая энергия переменного тока с напряжением и частотой питающей сети преобразуется в электрическую энергию постоянного пульсирующего тока.

2.Электрическая энергия постоянного тока преобразуется в электрическую энергию переменного тока с изменяющимися напряжением и частотой.

По способу преобразования различают: 1.электромашинный ПЧ

а. СЭМПЧ (синхронный электрошинный ПЧ), основным элементом, которого является синхронный 3-х фазный генератор.

б. АЭМПЧ (асинхронный электрошинный ПЧ), основным элементом которого является асинхронный 3-х фазный генератор.

2. статические преобразования частоты СПЧ (вентильные) элементная база которых включает в себя использование силовых ключей (тиристоров или транзисторов). Рассмотрим структуру статического2-х звенного СПЧ

Рис.118 Структура статического 2-х звенного статического преобразователя частоты.

103

1.– управляемый или неуправляемый выпрямитель предназначен для преобразования 3-х фазного переменного напряжения с частотой и напряжением сети в постоянное с изменяющимся или не изменяющимся действующим значением.

2.– фильтр, предназначен для сглаживания пульсации напряжения или тока с выхода вы-

прямителя Ud и Id .

3.- инвертор, предназначен для преобразования постоянного сглаженного напряжения в переменное 3-х фазное с изменяющимся частотой и напряжением.

Втом случае если блок 1 управляемый, то инвертор изменяет только частоту, в случае если 1 –неуправляемый, инвертор изменит и частоту, и амплитуду напряжения.

БУВ – блок управления выпрямителем. БУН – блок управления инвертором БЗС – блок задания скорости

Внастоящее время использование выпрямительных схем на входе ЭП строго регламентируется. В этом плане значительно предпочтительней является схема, в которой в качестве блока

1используется неуправляемый выпрямитель.

Вэтом случае инвертор, который должен регулировать как частоту, так и напряжением управляется либо по принципу ШИР, либо по принципу ШИМ. С точки зрения влияния на питающую сеть они равноценны, однако с точки зрения влияния на двигатель предположительно инверторы с ШИМ (широтноимпульсная модуляция), т.к. они позволяют воздействовать кроме напряжения и частоты, на форму выходного напряжения, которая, в идеале является синусоидальной.

Механические характеристики при частотном регулировании имеет следующий вид:

Рис.119 Механические характеристики при частотном регулировании

Показатели качества:

направления двузонное и вверх и вниз от основной частоты

плавность - высокая

стабильность - высокая, т.к. наклон регулировочных характеристик, по отношению к естественной, практически не изменяются

допустимая нагрузка, целесообразна чаще регулировать при постоянном моменте

энергетическая эффективность зависит от структуры преобразователя, а также технических средств, с помощью которых он реализован.

Д 1000:1(практически не ограничен).

Т.О. к основным достоинствам частотного регулирования АД Можно отнести:

1.высокие показатели качества

2.минимальная установленная мощность системы по сравнению с другими видами регулирования (не превышает 200% )

как следствие наилучшие массогабаритные показатели

возможность применения в любых производствах

высокая степень автоматизации.

К общепринятым недостаткам частотного регулирования можно отнести:

большое потребление реактивной мощности, низкий Cos и как следствие «загрязнение» питающей сети.

прямоугольность формы выходного напряжения и тока, т.е. наличие высоких гармоник и, как следствие, большие потери в двигателе.

104

В известной степени избавиться от 1-го недостатка является применение частотных преобразований с широтноамплитудным регулированием (ШИР). В этом случае в структуре преобразователя в качестве входного элемента используют не управляемый выпрямитель не УB, а инвертор выполняет функции изменения выходного напряжения и по частоте и по амплитуде.

Различают 3 вида ШИР:

1.ШИР на выходе инвертора, представляющий из себя высокочастотный силовой ключ установленный перед инвертором.

2.ШИР на выходе инвертора, установленный на зажимах двигателя.

3.ШИР в самом инверторе. В этом случае часть силовых ключей входящих в инвертор ра-

ботает в продолжительном режиме с периодами коммутации TK , связанных с выходной час-

тотной f2 1 , а другая часть силовых ключей входящих в состав инвертора работает в им-

TK

пульсном режиме, то выходное напряжение будет складываться из высокочастотной последовательности импульсов одинаковой ширины и амплитуды и при этом если длительность (ширину) импульса обозначать t1 , а промежуток между 2-мя соседними импульсами t2 , то:

t1 t1 t2

то при этом UСР UMAX .

Рис.120 Форма выходного напряжения инвертора

Однако при этом форма тока и напряжения продолжается оставаться существенно не синусоидальной и, кроме того, в рассмотренной системе в качестве ШИР используют силовые ключи, мощность которых должна быть согласованна с мощностью самого двигателя, поэтому такие преобразователи применяют только в частотных ЭП малой и средней мощности.

Избавиться одновременно от 2-х указанных недостатков позволяет применение ЧП. с ШИМ. В таких преобразователях используются инверторы позволяющие регулировать выходное напряжение и по частоте и по амплитуде, а так же придавать ему необходимую форму.

Принцип ШИМ рассмотрим с помощью электрической схемой замещения.

Рис.121 Электрическая схема замещения.

На схеме замещения сглаженное напряжение на выходе фильтра Ud E E поочерёдно с

2 2

помощью высокочастотного силового ключа K подключается к сопротивлению нагрузки (ZH - одна фаза статорной обмотки).

105

Если ключ K замкнуть в положение 1, то работает верхняя половина источника питания. Если K замкнуть в положении 2, то работает нижняя половина источника питания. Ток I

направлен противоположно IH(1) . Если обозначить t1 - длительность замкнутого ключа в по-

ложении 1, а длительность замкнутого ключа в положении 2, обозначим t2 , то если t1 = t2 ,

UH 0.Если соотношение между t1 и t2 , представленное в виде:

t1 t2 изменяется по закону синуса, то :

t1 t2

E

UH 2 Sin t

где t1 - называется несущая глубина модуляции, а t1 t2 , - несущий пери-

t2

од., модуляции, - несущая глубина модуляции .

Т.о, изменяя глубину модуляции можно воздействовать на амплитуду выходного напряжения , изменяя несущую частоту модуляции на выходную частоту. При этом выходное напряжение будет складываться из высокочастотной последовательности импульсов одинаковых по амплитуде , но различных в зависимости от формы выходного напряжения, по ширине импульсов.

В настоящее время частотные преобразователи с ШИМ находят широкое применение при частотном регулировании. При этом энергетические показатели таких приводов следующие:

0,9; 0,85

Рис.121 Форма выходного напряжения

Особенности частотного регулирования СД

Как уже говорилось частотное регулирование является единично возможным способом регулирования скорости СД и при этом имеет некоторые специфические особенности. Дело в том, что в отличии от АД зависимость момента от напряжения СД M U , поэтому при регулировании по пропорциональному закону:

U UНОМ const

Изменение частоты повлияет на применение M в большой степени, чем у АД .Поэтому главной особенностью частотного регулирования СД , является то, что одновременно с изменением частоты изменяется ток возбуждения:

4.3.4 Регулирование скорости вращения АД введением добавочного ЭДС в цепи ротора (каскадное регулирование)

Побудительной причиной применения каскадного способа регулирования АД является возможность полезного использования так называемый энергии скольжения присущей этим двигателям.

Расшифруем понятия энергии скольжения. В общем, виде энергетический баланс АМ может быть представлен в виде:

106

P1 P2 P PS 0

где P1 -электрическая мощность потребляемое АД из сети, которую за вычетом незначительных потерь в статоре можно представить:

P1 3U1I1Cos M 0

P2 - полезная механическая мощность, отдаваемая двигателем механизму, которую можно выразить:

P2 M

P - потери мощности в двигателе

PS - та часть энергии, которая передается ротору (энергия скольжения).

PS P1 P2 M 0 M M 0S .

Уравнение энергетического баланса является алгебраическим, т.е. в нем за исключениемP все члены могут изменить свой знак в зависимости от режима работы ЭП (двигательный, генераторный, все тормозные режимы).

Мощность скольжения у АД в двигательном режиме составляет величину до 18% от P1 . Применительно к мощным ЭП с АД возможность использования этих 18% представляет-

ся весьма привлекающей и перспективной. Очевидно, что такая возможность может быть реализована, только у АД с фазным ротором, у которых энергия скольжения ротора может быть транспортирована либо в питающую электрическую сеть в виде электрической, либо на вал самого двигателя в виде механической. При этом регулирование скорости вращения АД осуществляется посредством введения в цепь ротора так называемой добавочной ЭДС E2Д . Со стороны

преобразователя в цепи ротора, который называется каскад. Если записать уравнение равновесия для цепи ротора, то оно будет иметь следующий вид:

U2 E2S Z2I2

U2 - напряжение на кольцах ротора

E2 - ЭДС индуцируемое в роторный цепи S - скольжение

Z2 - полное сопротивление в цепи ротора

I2 - ток ротора

Решив это уравнение относительно скольжения получим:

В общем случае, преобразователь, включенный в цепь ротора, называется каскад, и представляет совокупность 2-х преобразовательных блоков.

П1- преобразует переменное напряжение на кольцах ротора в постоянное выпрямленное напряжение.

П2 - преобразует постоянное напряжение с выхода П1 в :

а) переменное 3-х фазное напряжение, подключаемое к питающей сети, что даёт возможность транспорта скольжения.

107

б) постоянное напряжение с выхода П1 в механическую энергию, возвращающуюся на вал регулируемого двигателя. Поэтому по способу преобразования энергии скольжения все каскады можно разделить на 2 вида:

1.электрические

2.электромеханические

Кроме того, в ряде случаев для улучшения показателей каскадного регулирования, примет так называемое комбинированное регулирование, в которых энергия скольжения частично преобразуется в электрическую энергию возвращающуюся в питающую сеть, частично в механическую - отдаваемую на вал двигателя. Структурную схему электрического каскада можно представить следующим образом:

Рис.123 Структурная схема электрического каскада

В электрическом каскаде управляющее воздействие с целью регулирования скорости вращения приводного двигателя M вносится в преобразователь P2 . Управляющее воздействия транспортируется через преобразователи П1 и П2 .

Рис.124 Структурная схема электромеханического каскада

Управляющее воздействия вносится в преобразующий элемент П2 и соответственно транспортируется через П1в виде добавочной ЭДС Е2ДОБ

Технические средства, с помощью которых происходит реализация каскадного регулирования.

По этому признаку различают:

1.вентильные каскады. В этом случае преобразователи П1и П2 представляют из себя статические полупроводниковые устройства.

П1-выпрямитель

П2 - инвертор

2.вентильно-машинные каскады. В этом случае один из преобразователей является статическим, а 2-й либо электрошинным, либо сочетанием статического преобразователя с электромашинным либо сочетанием 2-х электрических машин.

Т.о. классификация каскадных схем регулирования может быть представлена следующим образом:

108

1. электрический вентильный каскад электрический вентильно-машинный каскад

3.электромеханический вентильно-машинный каскад.

4.комбинированный вентильно-машинный каскад

Для того чтобы представить себе вид регулировочных механических характеристик при каскадном регулировании, запишем уравнение для тока на выходе преобразователя П1 (выпрямителя).

Id (Ed0S E2ДОБ U);

RЭКВ

где Ed0 -ЭДС наведенная в фазе обмотки ротора при S 1(ротор неподвижен).

Е2ДОБ - добавочное, ЭДС вводимая на кольца ротора со стороны каскада

U - потери напряжения в каскаде.

RЭКВ - эквивалентное, активное сопротивление каскада. Если пренебречь потерями напря-

жения в каскаде U 0, а так же учесть, что ЭДС на кольцах неподвижного ротора Ed0 прак-

тически равно напряжению на обмотках ротора Ed0 U2 , то для режима идеализированного Х.Х.двигателя, т.е. при отсутствии нагрузки на его валу, когда ток в ОР I2 0, а следовательно и Id0 0, получим:

S0 E2ДОБ

U2

В этом выражении: S0 - так называемое скольжение каскада в режиме идеализирован-

ного х.х. Отсюда получим выражение для угловой скорости при каскадном регулировании:

0K - угловая скорость идеального Х.Х. каскада

0 - угловая скорость идеального Х.Х. двигателя – угловая скорость ВМП – (синхронная

скорость).

С учётом этого семейство регулировочных характеристик при каскадном регулировании будет иметь вид:

Рис.125 Семейство регулировочных характеристик при каскадном регулировании

Показатели качества:

1.напряжение: однозонное вниз

2.плавность: зависит от вида каскада, в любом случае высокая

3.допустимая нагрузка на валу: регулирование при постоянном моменте

4.стабильность: высокая, но ниже при частотном регулировании

5.энергетические показатели:

КПД всегда высокое: Cos зависит от вида каскада, но в целом не высокий

6. диапазон регулирования: теоретически может быть любым, но практически не превышает 2:1 Т.к. в дальнейшем при увеличении диапазона существенно ухудшаются массогабаритные показатели.

109

Т.о. главным преимуществом каскадного регулирования является экономия электрической энергии, поэтому целесообразность использования таких ЭП определяется мощностью. Поэтому каскадное регулирование применяют в ЭП менее 1.5 МВт.

110