Анализ системных свойств асинхронного электропривода. Монография

а при постоянной мощности на валу (1.1) записывается в виде:

При векторном управлении обеспечивается управление модулями и взаимным расположением векторов потокосцепления статора, основного потокосцепления, потокосцепления ротора, токов статора и ротора. От того, какие векторы выбраны в качестве регулируемых, зависят принцип построения и техническая реализация систем векторного управления асинхронным электроприводом.

1.2. Анализ технического уровня современных преобразователей частоты для управления асинхронными двигателями

Силовые полупроводниковые преобразователи асинхронного электропривода различаются по элементной базе, форме выходных напряжений и по их схемному решению.

СПП, применяемые в асинхронных электроприводах, делятся на четыре класса:

1)регуляторы напряжения (РН);

2)усилители мощности;

3)непосредственные преобразователи частоты (НПЧ);

4)преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока (ПЧЗПТ).

С учетом возрастающих требований к энергетическим характеристикам асинхронных электроприводов и их влиянию на сеть развитие получают преобразователи, обеспечивающие экономичные способы управления электроприводами. Изменения схем преобразователей главным образом связаны с появлением новых приборов – мощных полевых транзисторов (MOSFET), биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), запираемых тиристоров (GTO, IGCT).

11

Существуют следующие тенденции развития СПП: расширение границ применения полностью управляемых приборов (транзисторов мощностью до 3 – 5 МВт, тиристоров мощностью до 5 – 20 МВт); распространение методов широтно-импульсной модуляции (ШИМ); блочные принципы построения преобразователей на основе унифицированных силовых гибридных модулей, выполняемых на базе транзисторов и тиристоров; возможность выполнения преобразователей постоянного и переменного тока и их комбинаций на единой конструктивной основе, в том числе на базе интеллектуальных силовых модулей.

Структурные схемы СПП асинхронного электропривода приведены на рис. 1.1, рис. 1.2, где стандартная трехфазная сеть характеризуется постоянными значениями напряжения Uc и частоты fc , выпрямитель

характеризуется выходным напряжением Ud , параметры обмотки статора АД обозначены индексами 1, а параметры обмотки ротора – индексами 2 .

На рис. 1.1 показаны структурные схемы СПП для питания АД с короткозамкнутым ротором, а на рис. 1.2 – структурные схемы СПП для питания АД с фазным ротором [11, 24, 29, 40].

На рис. 1.1 а, рис. 1.1 б показаны структурные схемы силовой части асинхронного электропривода с тиристорным регулятором напряжения и НПЧ соответственно.

В системах частотного регулирования скорости АД преимущественно используются ПЧЗПТ с автономными инверторами напряжения (АИН) или тока (АИТ), питание которых осуществляется от управляемых (УВ) или неуправляемых (НВ) выпрямителей. Между выпрямителями и автономными инверторами устанавливаются сглаживающие фильтры. Структурные схемы ПЧЗПТ приведены на рис. 1.1 в – рис. 1.1 д. Возможность применения полностью управляемых приборов и ШИМ делают эти схемы наиболее часто используемыми в широком диапазоне мощностей. В схеме на рис. 1.1 в существует возможность рекуперации энергии в сеть переменного тока. При этом УВ переводится в режим ведомого сетью инвертора. Если необходимость рекуперации энергии отсутствует, то в схемах на рис. 1.1 в, рис. 1.1 д используют неуправляемый выпрямитель. При необходимости рекуперации энергии совместно с АИН используются активные выпрямители напряжения, схемы которых полностью аналогичны схемам АИН.

12

в

г

д

Рис. 1.1. Структурные схемы СПП для питания АД с короткозамкнутым ротором

СПП, содержащие неуправляемый выпрямитель и ведомый сетью инвертор, составляют основу асинхронного вентильного каскада (АВК), структурная схема которого показана на рис. 1.2 а. Регулирование скорости осуществляется воздействием на инвертор. АВК применяется в приводах большой мощности при ограниченном диапазоне регулирования скорости.

На рис. 1.2 б показана машина двойного питания с преобразователем частоты (ПЧ) в цепи ротора. При этом может быть использован ПЧЗПТ с активным выпрямителем. Определенную перспективу развития имеют

13

мощные НПЧ в машинах двойного питания (рис. 1.2 б) и при управлении низкоскоростными АД.

а

б

P1 – потребляемая активная мощность;

Pp – мощность скольжения

Рис. 1.2. Структурные схемы СПП для питания АД с фазным ротором

Указанные на рис. 1.2 направления передачи мощностей P1 и Pp

соответствуют двигательному режиму. При этом на рис. 1.2 б двигательному режиму на скоростях ниже синхронной соответствует направление передачи мощности Pp от ротора в сеть, а на скоростях выше синхронной – мощность

Pp потребляется от сети.

Элементной базой для РН и НПЧ являются тиристоры. Усилители мощности, которые подразделяются на усилители напряжения или усилители тока, строятся преимущественно на биполярных транзисторах. АИН и АИТ могут быть выполнены на тиристорах, запираемых тиристорах (GTO и IGCT) или на биполярных, MOSFET и IGBT транзисторах.

Форма выходных напряжений СПП может быть различной.

14

Синусоидальные токи и напряжения могут быть получены в УМ, если силовые транзисторы перевести в линейный режим работы и подать в их цепи управления синусоидальные сигналы. Подобная форма выходных напряжений благоприятна для АД, однако, несмотря на простоту силовых схем, КПД усилителей мощности весьма низок. Поэтому такие УМ используются в электроприводах малой мощности.

Несинусоидальной является форма выходных напряжений РН и НПЧ. Для получения высоких значений КПД в преобразовательной технике

транзисторы используются преимущественно в ключевом режиме. При этом выходные напряжения имеют прямоугольную или ступенчатую форму.

Наиболее распространенной схемой для построения АИН и АИТ является трехфазная мостовая, для управления силовыми транзисторами может быть использован 120или 180-градусный закон коммутации.

Недостатком этих способов управления является наличие высших гармоник в кривых выходных напряжений инвертора, что приводит к неравномерному вращению поля статора и возникновению пульсаций электромагнитного момента двигателя. Стремление избавиться от негативного влияния указанного недостатка привело к широкому использованию ШИМ. Применение ШИМ позволяет получить практически синусоидальную форму гладких составляющих напряжений и токов и обеспечить достаточно высокий КПД инвертора.

На современном этапе развития асинхронного электропривода наибольшее распространение получили ПЧЗПТ, составной частью которых являются автономные инверторы на IGBT транзисторах с ШИМ [24, 29, 30, 34].

Разработчиками и производителями преобразователей частоты (ПЧ) являются ведущие электротехнические фирмы – ABB (Швеция, Швейцария),

Control Techniques (Англия), Delta Electronics (Тайвань), Emotron (Швеция), Fuji Electric (Япония), Hitachi (Япония), KEB (Германия), Leroy Somer (Франция), Mitsubishi Electric (Япония), Omron (Япония), Prostar (Китай), Sсhneider Electric (Франция), Siemens (Германия), TECO (Тайвань), Toshiba

(Япония), Yaskawa Electric (Япония) и др. В России производятся ПЧ следующих марок: «Веспер», «КЭУ», «ОВЕН», «ПЧА», «Сапфир», «Триол», «Универсал» и др. Технические данные некоторых ПЧ российских и зарубежных производителей приведены в табл. 1.1.

15

16

ПЧ позволяют реализовать плавный пуск, скалярное или векторное управление скоростью АД, прямое управление моментом, предусмотрена возможность настройки параметров ПИД-регулятора и программирования зависимости U1 f ( f1) , а также времени разгона и торможения. Все производители ПЧ, данные которых приводятся в табл. 1.1, заявляют КПД не ниже 96 – 97 %.

К числу качеств, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели ПЧ, относятся: высокая надежность, достигаемая использованием высоконадежных специальных микросхем; малые габариты, что достигается, наряду с использованием интегральных модулей и IGBT, применением высокоэффективного охлаждения при малогабаритных радиаторах, а также продуманной конструкцией устройства; хорошие статические и динамические характеристики, делающие привод на базе этих преобразователей конкурентоспособным с приводом постоянного тока и являющиеся результатом использования новых алгоритмов управления, в частности, векторного управления с датчиком скорости и без него; простота ввода привода в эксплуатацию благодаря наличию автоматической подстройки преобразователя к характеристикам двигателя; удобство настройки и обслуживания.

ПЧ легко встраиваются в современные системы автоматизации, для чего предлагаются сетевые решения с различными топологиями информационной сети. Наиболее известными и используемыми являются информационные сети: Ethway, Fipio, Fipway, Industrial Ethernet, Mapway, Masterbus, Modbus, Modbus plus, Profibus, Unitelwey [24].

Эксплуатационную надежность электропривода обеспечивает система защит преобразователя, включающая в себя максимально-токовую защиту, защиту от перегрева двигателя и преобразователя, от перегрузки, чрезмерных отклонений напряжения питания, обрыва фазы, междуфазного короткого замыкания, замыкания фазы на землю и др.

1.3. Анализ технического уровня современных асинхронных двигателей

АД можно классифицировать по числу фаз и конструкции ротора.

По числу фаз АД подразделяются на однофазные, двухфазные и трехфазные.

Однофазные АД находят широкое применение в бытовой технике. Двухфазные АД применяются в системах автоматического управления.

17

Наибольшее распространение во многих отраслях промышленности и специальной техники получили трехфазные АД.

По конструкции ротора АД классифицируются следующим образом: с полым, массивным, короткозмкнутым и фазным ротором.

Полый ротор может быть выполнен из магнитного или немагнитного материала. АД с полыми и массивными роторами находят применение в устройствах автоматики. АД с короткозамкнутым ротором находят широкое применение в бытовой, специальной и промышленной технике. АД с фазным ротором используются для привода технологических машин и механизмов со сложными условиями пуска.

Предприятиями электротехнической промышленности России выпускаются асинхронные двигатели c короткозамкнутым ротором общепромышленного назначения серий 4A, АИР, 5А, 6А, RA. Для работы в составе частотно-регулируемого электропривода выпускаются двигатели серии АДЧР. Двигатели АДЧР выпускаются в следующих модификациях: стандартного исполнения; с независимой вентиляцией; с датчиком скорости (положения) и независимой вентиляцией; со встроенным тормозом; со встроенным тормозом и независимой вентиляцией; со встроенным тормозом, датчиком скорости (положения) и независимой вентиляцией. Технические данные двигателей перечисленных серий приведены в табл. 1.2.

Владимирский электромоторный завод (ОАО «ВЭМЗ», г. Владимир) начал производство двигателей для частотно-регулируемых электроприводов серии 7AVE двух классов энергоэффективности по МЭК 60034-30: высокого IE2 и стандартного IE1. Энергосберегающие двигатели 7AVE … IE2 имеют повышенный КПД на 1,1 – 2,4 % и производятся с синхронными частотами вращения 1000, 1500 и 3000 об/мин.

Втабл. 1.3 приводятся технические данные некоторых серий асинхронных двигателей зарубежного производства.

Всовременных асинхронных электроприводах режимы работы и состояние двигателей постоянно контролируются. Для этого вводятся датчики скорости, положения ротора, в двигатели встраиваются датчики Холла, температуры и вибраций. Это дает возможность повысить эксплуатационную надежность АД. Еще одним способом повышения надежности АД в производственных условиях является переход на конструктивно закрытые их варианты с использованием методов интенсивного поверхностного охлаждения.

18

19

Таблица 1.3

Технические данные асинхронных двигателей зарубежного производства

20