Основные понятия и тенденции развития энергосбережения

Простейшее из таких устройств  выполняется по схеме встречно-параллельно  включенных тиристоров и используется для обеспечения "мягкого" пуска  двигателя. Примером таких устройств  могут служить аппараты "мягкого  пуска" серии SIKOSTART фирмы "Siemens", обеспечивающие для двигателей мощностью до 710 кВт на базе микроконтроллеров управление эффективным значением напряжения на клеммах двигателя, чем достигается влияние на момент и ток. Наряду  с многочисленными возможностями настройки для мягкого старта (роста напряжения, ограничения тока, пускового импульса и т.п.), которые позволяют согласование с различными видами нагрузки (насос, вентилятор) в аппарат введены дополнительные функции управления после старта и во время отключения (торможение).

В разработке и проектировании энергосберегающих систем автоматизированного  электропривода с АД с высокими технико-экономическими и энергетическими показателями важным является определение условия  минимизации потерь в электродвигателе. Оптимизация управления особенно характерна для механизмов, работающих в продолжительных режимах, где обеспечение высоких энергетических показателей имеет важное значение.

Рисунок 2.9 - зависимости тока от напряжения при различных моментах нагрузки

 

На рис.2.9,а приведены зависимости тока от напряжения при различных моментах нагрузки. Как видно, при каждой нагрузке АД имеется такое напряжение, при котором потребляемый двигателем ток минимален. Штриховая линия, проведенная через точки минимумов тока для каждой нагрузки, определяет закон регулирования напряжения в функции тока. При реализации такого закона при любой нагрузке из сети потребляется минимальный ток.На рис.2.9,б представлена структура энергосберегающего привода с экстремальным управлением. В ее состав входят электродвигатель Д; тиристорный регулятор напряжения ТРН; система управления СУ регулятором; датчик напряжения ДН электродвигателя, подключенный к блоку дифференцирования сигнала напряжения БДН; датчик мощности ДМ электродвигателя, подключенный к блоку умножения БУ; арифметический блок АБ; блок дифференцирования сигнала мощностей БДМ; блок деления БД.

Уменьшение потерь электроэнергии в асинхронных электроприводах  при их работе с изменяющейся нагрузкой  достигается регулированием напряжения на статоре АД в функции нагрузки или тока.

В рабочем режиме электродвигателя  на выходах датчиков напряжения и  момента выделяются сигналы. Сигнал с датчика напряжения поступает в блок дифференцирования сигнала напряжения.

В зависимости от нагрузки сигнал, равный dΔР/dU, меняет свой знак. Так, для обеспечения экстремального регулирования выходное значение этого сигнала должно быть равно нулю, в сумматоре производится вычитание или сложение сигналов, которое обеспечивает работу электродвигателя в экстремальной зоне регулирования при различных значениях нагрузки на валу двигателя.

Таким образом, система асинхронного электропривода с экстремальным  управлением обеспечивает минимизацию  суммарных потерь АД при любом  уровне нагрузки. Это приводит к  существенному повышению КПД  электропривода и эффективному использованию  установленной мощности АД.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ГЛУБОКОРЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С СИНХРОННЫМИ МАШИНАМИ (ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ)

 

3.1 Способы управления  вентильными электродвигателями

 

В настоящее время ввиду  простоты наибольшее распространение  получили вентильные двигатели постоянного (рис.3.1 ,а) и переменного тока (рис.3.1,б) с преобразователями, работающими в режиме источника тока.

 

б

Рисунок 3.1 - Вентильные двигатели постоянного (а) и переменного (б) тока

 

В отличие от частотно-регулируемого  привода, в вентильном двигателе  коммутация тиристоров осуществляется за счет ЭДС двигателя (машинная). Машинная коммутация позволяет отказаться от высоковольтных громоздких реактивных элементов в инверторе. Это значительно упрощает схему и уменьшает ее габаритную мощность, и в конечном итоге улучшает качество преобразования энергии. Но при пуске и низких скоростях происходит срыв коммутации из-за отсутствия или малой величины ЭДС. В вентильном двигателе постоянного тока возможны следующие способы пуска:

- асинхронный;

- по схеме ВД с искусственной коммутацией;

- по схеме ВД с принудительной коммутацией.

Первый способ при своей  кажущейся простоте имеет серьезные  недостатки — пуск неуправляемый и необходимы переключения в силовых, как правило, высоковольтных цепях.

Второй способ пуска предусматривает  применение автономного инвертора, в котором используется реактивная энергия коммутирующих элементов (емкостей и дросселей). В этом случае заметно усложняется схема, увеличиваются  вес и стоимость инвертора.

Третий способ пуска с  принудительной коммутацией осуществляется отсечкой управляющих импульсов  или цикличным переводом выпрямителя  в инверторный режим на время  коммутации тиристоров инвертора. Этот способ наиболее предпочтителен, т.к. требует  минимальных затрат. Характерными недостатками способа являются уменьшение пускового  момента двигателя и некоторое  увеличение потребляемой реактивной мощности двигателя.

Наиболее просто проблема пуска решается в системе с  циклоконвертором (рис.6.18 б), в которой  функции выпрямления и инвертирования выполняют одни и те же тиристоры, чем достигается преобразование напряжения и частоты источника  непосредственно в напряжение и  частоту двигателя. Такая система  содержит большее число тиристоров, чем преобразователь со звеном постоянного  тока, но благодаря отсутствию пусковых устройств, однократному преобразованию энергии и уменьшению эквивалентного тока тиристора она экономична и  надежна.

Трехфазный мостовой циклоконвертор состоит из шести групп тиристоров. Катодные группы формируют положительные  полуволны тока нагрузки, анодные  — отрицательные. Разнополярные тиристорные группы каждой фазы двигателя включаются поочередно, чем исключается появление в нагрузке постоянной составляющей уравнительного тока.

Последовательность включения  групп определяется датчиком положения  ротора и зависит от заданного  направления вращения и положения  ротора двигателя относительно магнитных  осей фаз статора.

Тиристоры внутри групп отпираются сигналами, синхронизированными с  частотой питающей сети. Число включений  каждого тиристора в группе зависит  от соотношения частот сети и вращения двигателя. Цепь протекания тока через  статорные обмотки двигателя  создается одновременным включением двух тиристоров в различных фазах  сети и статора.

В схеме с циклоконвертором естественная коммутация осуществляется во всем скоростном диапазоне работы ВД как между тиристорами в  работающих группах, так и между  тиристорами однополярных групп. Последнее  происходит при совпадении во времени  сигналов на переключение фаз сети и двигателя. Машинная коммутация выполняется  за счет ЭДС двигателя между тиристорами  однополярных групп при частотах выше 0,1...0,15 частоты вращения двигателя.

Вентильный двигатель  с коммутатором тока характеризуется  двумя режимами работы: межкоммутационным  и коммутационным. В первом режиме ток протекает по двум фазам, во втором — по трем. Длительность межкоммутационного периода для каждой фазы составляет , коммутационного периода — g.

Схемы электрических цепей  ВД постоянного тока представлены на рис.3.2

 

 

Рисунок 3.2 - Схемы электрических цепей ВД постоянного тока

 

Работа синхронной машины совместно с вентильным коммутатором, управляемым по положению ротора, представляет собой циклическую  последовательность нормальной работы двух фаз и межфазных коротких замыканий. Во внекоммутационные интервалы  МДС статора остается неподвижной, а за время коммутации она совершает  поворот на 60⁰. В результате в воздушном зазоре СМ находятся два потока — индуктора и реакции якоря, вращающиеся в статическом режиме равномерно с угловой частотой ротора. В шестипульсной схеме МДС статора за один оборот вала занимает шесть дискретных положений.

Формирование результирующего  магнитного потока в зависимости  от угла поворота ротора двигателя поясняет .

Благодаря сглаживающему  действию магнитной системы СМ в  диапазоне частот машинной коммутации магнитный поток наводит в  обмотках статора практически синусоидальные ЭДС.

Полоса пропускания коммутатора  ВД регулируется изменением угла опережения b₀ или b (углы между током и соответственно ЭДС холостого хода и напряжением машины). Существуют следующие способы управления коммутатором ВД.

Первый, наиболее простой, способ управления заключается в поддержании  постоянного значения угла опережения.

При втором способе управления поддерживается постоянным угол опережения b=const. В качестве источника напряжения синхронизации необходим датчик напряжения статора ДНС, а для задания угла опережения — система импульсно-фазового управления. Причем частота развертки переменная 0...50 Гц.

Третий способ управления заключается поддержании постоянной величины угла запаса на минимальном  уровне.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Электропривод с вентильными индукторными двигателями

 

Переход от нерегулируемого  электропривода к регулируемому–главная  тенденция развития многих современных  технологий, связанных с электромеханическим  преобразованием энергии. Наряду с  традиционным путем перехода–использованием  частотно – регулируемого асинхронного электропривода, в мировой практике в последние годы наметился и  интенсивно реализуется альтернативный путь– применение различных типов  привода с вентильными двигателями, в частности, принципиально нового вентильно-индукторного регулируемого  электропривода (SRD – Switched Reluctance Drive ).

          Вентильно-индукторный привод, одна  из возможных схем которого  показана на рис.5.1,а состоит из специальной четырехфазной электрической машины, электронного коммутатора на силовых транзисторных модулях и блока микроконтроллерного управления.

У индукторной машины (ИМ) магнитная индукция в каждой точке  рабочего зазора  изменяется только по величине, а ее направление остается постоянным. Отсюда следует, что индукция в зазоре индукторных машин имеет   пульсирующий   характер   и  содержит   переменную  (рабочую)   и

постоянную (нерабочую) составляющие. Изменение во времени магнитного потока, сцепленного с обмоткой якоря, достигается за счет периодического изменения магнитного сопротивления  на пути рабочего потока при вращении зубчатого ротора. Так как число  зубцов на роторе можно сделать большим, ИМ характеризуется повышенными  частотами тока (f » 400…30000 Гц).

      а               б

Рисунок 5.1 - Вентильно-индукторный привод

 

Статор и ротор электрической  машины выполнены шихтованными явнополюс -ными, причем число полюсов статора и ротора неодинаково: 6/4, 8/6 и т.д. На стато -ре расположены сосредоточенные обмотки (катушки), соединенные через электрон- ный коммутатор с источником питания постоянного тока (выпрямитель, аккумуля -тор).  Коммутатор состоит из группы электронных ключей (транзисторных моду -лей), открытое или закрытое состояние которых диктуется положением пассивного явно полюсного ротора, фиксируемых специальным датчиком и сигналами микро -про цессорного управления, за счет чего формируются нужные токи в обмотках.

 Принцип действия привода  основан на магнитном притяжении  ближайшего полюса ротора к  активизированному индуктору –  полюсу статора с катушкой (рис.6.41,б). Так, переключение тока с катушки  А статора, к которой был  притянут полюс a ротора, на катушку В статора (по часовой стрелке) приведет к повороту ротора, такому, что к полюсу В притянется ближайший полюс b ротора (против часовой стрелки). Повторение указанных переключений, диктуемое датчиками фактического положения ротора, приведет к непрерывному вращению с требуемой частотой.

 Таким образом, электромеханическое преобразование энергии (создание момента) в таком приводе основано на принудительном изменением магнитного сопротивления R_M по угловой координате машины q за счет переключения токов в катушках статора.

Изменение магнитного сопротивления  обусловливает создание момента

   где М - момент; F - магнитный поток.

   Формирование в  каждый момент времени токов  нужной величины обеспечивает  плавность движения при достижении  требуемых моментов с малыми  пульсациями. Формирование токов  производится посредством широтно  – импульсной модуляции, осуществляемой  сигналами микропроцессорного устройства, подаваемыми на основные ключи  коммутатора. Качественное функционирование  привода при предельно простой  машине достигается за счет  совершенных ключей коммутатора  и развитой системы микропроцессорного  управления.

К преимуществам ВИД относятся:

- высокая технологичность и за счет этого низкая трудоемкость производства двигателя (простая конфигурация магнитной системы, отсутствие коллектора, беличьей клетки, постоянных магнитов, машинная намотка катушек);

- экономия активных материалов до 30%, использование лишь недефицитных и недорогих  материалов (не используются дорогостоящие редкоземельные магниты);

- низкая себестоимость машины – в 1,7 – 2 раза ниже себестоимости самого дешевого асинхронного короткозамкнутого двигателя (по оценкам западных специалистов);

- упрощенная и более надежная по сравнению с преобразователем частоты для асинхронного электропривода схема и конструкция силового коммутатора за счет однополярной коммутации;

- широкие функциональные возможности – работа в зоне низких (десятки – сотни об/мин) или высоких (десятки тысяч об/мин) частот вращения с широким диапазоном регулирования и большими моментами в зоне низких частот;

- высокие энергетические показатели, не уступающие ближайшим аналогам;