3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электропривод по схеме преобразователь частоты асинхронный двигатель

Принцип работы частотного преобразователя для асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель изобретен достаточно давно и нашел широкое применение в различных областях благодаря простоте конструкции и надежности. Однако он имеет ряд недостатков, ключевыми из которых являются:

высокая пусковая мощность до момента выхода на рабочую частоту вращения;

низкий крутящий момент на старте;

квадратичная зависимость мощности от питающего напряжения;

предельная частота вращения для стандартной сети 50 Гц в 3000 об/мин.

Также штатно такой двигатель может работать только в одном направлении вращения. Все эти недостатки устраняются применением частотного преобразователя для управления асинхронным двигателем, использование которого обеспечивает:

плавный пуск и остановку;

возможность регулировки частоты вращения и повышение штатного числа оборотов в минуту;

смену направления вращения;

защиту двигателя от перегрузок и заклинивания оборудования;

точное поддержание заданной частоты вращения.

Несмотря на то, что это достаточно дорогостоящее оборудование, его применение оправдано как для решения промышленных задач, так и в быту, например, для управления насосом автономного водоснабжения или вентиляцией.

Как работает частотник для асинхронного двигателя

Несмотря на сложность схемотехнических решений, в том числе и с использованием микропроцессорного управления, принцип работы частотного преобразователя для асинхронного двигателя достаточно прост. Современные частотные преобразователи строятся по инверторной схеме с двойным преобразованием и работают по такому принципу:

входное одно- или трехфазное напряжение выпрямляется;

фильтруется от пульсаций и стабилизируется;

выпрямленное напряжение поступает на управляемые генераторы напряжения и частоты, которые формируют переменное выходное напряжение с заданными характеристиками;

режимом работы выходных генераторов управляет контроллер, построенный, как правило, на базе микропроцессора.

Таким образом, на вход питания двигателя подается не напряжение электросети с фиксированной частотой 50 Гц, а переменный ток с частотой, которую задает управляемый генератор частотного преобразователя. При этом частотник управляет не только частотой, но и напряжением, поэтому обеспечивается стабильный режим работы двигателя. В системе управления предусмотрена обратная связь, которая контролирует параметры выходного напряжения и его частоты на соответствие заданным. Также современные преобразователи могут иметь внешнюю обратную связь, которая контролирует параметры работы системы с асинхронным двигателем и оперативно изменяет режим его работы для поддержания, например, давления в системе подачи воды или скорости движения транспортера на заданном уровне.

Потери на такое двойное преобразование у современных частотников составляют всего несколько процентов, а те возможности, которые они предоставляют по управлению электроприводами, значительно расширяют сферу применения асинхронных двигателей.

Системы электроприводов с асинхронными электродвигателями и электродвигателями постоянного тока

Электрический привод — электромеханическая система, состоящая из преобразовательного, электродвигательного и управляющего устройств. Электропривод связан с источником энергии и является потребителем энергии. Цепь электропривода начинается от источника энергии и связана с рабочим органом станка. Электропривод входит в состав принципиальных схем станков.

Электропривод различается по видам движения исполнительных органов энергетического машинного устройства, по видам передаточных устройств, по роду тока электродвигателя, по виду преобразовательных устройств, по степени управляемости, по уровням автоматизации управления, по видам усилительных элементов в управляющем устройстве. В станках с программным управлением используется преимущественно многодвигательный электропривод, который позволяет упростить кинематические цепи, уменьшить число механических передач, улучшить эстетическое исполнение станков.

Источником движения в станках обычно является электродвигатель. Электропривод главного движения должен обеспечить необходимые скорости движения инструмента или заготовок, передать требуемые силы для обработки резанием.

Электропривод должен сохранять примерное постоянство скорости движения рабочего органа при изменениях нагрузки, вызванных колебаниями припуска на обработку. Он должен обеспечить требуемое качество переходных процессов при изменении нагрузки (возмущающее воздействие) и при изменении задания (управляющее воздействие).

Кинематическая цепь электропривода главного движения изображена на рис. 5. В процессе работы станка электродвигатель М развивает движущий момент МД. Под совместным действием сил резания и сил трения в движущихся частях электропривода станка возникает момент сил сопротивления МС. При этом может происходить изменение угловой скорости электродвигателя со; тогда дополнительно возникает динамический момент сил инерции МJ.

Движения в электроприводе связаны уравнением:

где МС — момент сил сопротивления, Н*м; МJ, — момент инерции системы, приведенный к валу электродвигателя, кг*м 2 ,

где dω/dt — угловая скорость, рад/с.

Читать еще:  Ауди 100 двигатель аар холостой ход

Если известны моменты инерции элементов движущихся частей электропривода (ротора электродвигателя, валов и зубчатых колес), вращающихся со скоростями ω, ω1, ω2, тогда момент инерции, приведенный к валу электродвигателя, можно определить из уравнения:

где υ – линейная скорость, м/с.

Если нет элементов, движущихся поступательно со скоростью V (например, в цепи шпинделя), то выражение упрощается. Направление динамического момента зависит от знака dω/dt. Момент двигателя МД зависит от угловой скорости ω = ƒ (МД).

Электропривод карьерного экскаватора

В карьерных экскаваторах типа ЭКГ или ЭШ используется большое количество систем, разнообразных по назначению и принципу работы. Практически все известные на сегодня схемы преобразования энергии, такие как гидравлика, пневматика, электропривод, электроника, нашли применение на этих машинах. Первичной и главной ступенью преобразования энергии – а в современных тяжелых экскаваторах это электрическая энергия, поступающая в экскаватор через высоковольтную питающую цепь, – является электропривод.

Эволюция электропривода карьерных экскаваторов за последние тридцать лет привнесла некоторые изменения в конструкцию, но по-настоящему новых принципиальных решений, уже внедренных на «живых» машинах, мало.

Классически для привода главных механизмов применяются двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, питаемые от регулируемых генераторов (система Г–Д) или регулируемых статических тиристорных преобразователей (система ТП–Д).

Двигатель с экскаваторной (саморазгружающейся) характеристикой подразумевает работу с номинальной частотой вращения вплоть до стопорного максимального момента, по достижении которого двигатель останавливается, но не теряет усилие на приводном валу. То есть когда, к примеру, груженый ковш упирается в неподвижный массив и усилия, развиваемого подъемной лебедкой, недостаточно для внедрения ковша, не должно происходить «опрокидывание» двигателя, т. е. падение оборотов и снижение момента на валу двигателя. Для сохранения наибольшей производительности экскаватора желательно, чтобы двигатель работал с постоянной наибольшей частотой вращения до момента начала стопорения (наибольшей нагрузки). Это означает, что механическая характеристика (зависимость частоты вращения от момента на валу двигателя) должна быть жесткой, состоять из рабочего участка с минимальной линейной зависимостью частоты вращения от момента и нерабочего участка, соответствующего падению частоты вращения при максимальном моменте стопорения. К такому экскаваторному режиму наиболее близок режим работы двигателей постоянного тока.

Из школьного курса все знают, что обмотка возбуждения двигателя постоянного тока в виде главных магнитных полюсов располагается в статоре, на обмотку якоря (ротора) ток поступает через щетки и коллектор – аппарат, который преобразует постоянную э.д.с. питающей сети в переменную э.д.с. обмотки якоря.

Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока возможно тремя способами: изменением сопротивления обмотки якоря, подводимого напряжения или потока возбуждения (тока возбуждения). Изменение сопротивления обмотки якоря для регулирования невыгодно, так как не экономично и сильно смягчает механическую характеристику. Регулирование изменением потока возбуждения применимо при малых моментах нагрузки. Момент двигателя прямо пропорционален потоку возбуждения, а кроме того, обрыв в цепи возбуждения может привести к работе двигателя вразнос при отсутствии значимой нагрузки на валу, так как частота вращения обратно пропорциональна потоку возбуждения.

Регулирование частоты вращения изменением питающего напряжения требует источника с регулируемым напряжением.

Питание двигателей постоянного тока (главных приводов экскаватора) долгий период времени осуществлялось от генераторов постоянного тока (система Г–Д). Это достаточно надежная и простая в управлении система электропривода, она используется уже много десятилетий в приводах карьерных экскаваторов.

В простейшей системе Г–Д изменение питающего напряжения (выходного напряжения генератора) происходит путем изменения тока возбуждения в независимой обмотке возбуждения генератора (например, с помощью реостата в цепи возбуждения). Снижение питающего напряжения приводит к снижению частоты вращения двигателя при сохранении рабочего момента и жесткости рабочих характеристик (справедливо для двигателей с независимым и параллельным возбуждением).

Для привода генераторов используется сетевой двигатель. Обычно преобразовательный агрегат включает в себя один или несколько сетевых двигателей, которые вращают генераторы. Каждый генератор обеспечивает привод соответствующего механизма – привод подъема, напора (тяги для драглайнов), поворота, хода, открытия днища ковша (для ЭКГ). В агрегат может входить генератор собственных нужд, питающий постоянным током обмотки возбуждения двигателей и генераторов. В качестве сетевого двигателя используются мощные асинхронные (ЭКГ-5А) или синхронные двигатели переменного тока (ЭКГ-10, ЭКГ-15, ЭШ-11.70 и т. д.).

Читать еще:  Что такой автомат пуска двигатели 78а

Индивидуальный привод основных механизмов автоматизирован. Машинист управляет только частотой вращения и проводит реверсирование двигателя в процессе копания. Остальные процессы регулирования (стабилизация частоты вращения и ограничение предельной нагрузки, формирование экскаваторной характеристики) происходят автоматически. В основу принципа автоматизации управления отдельного механизма положена специальная система автоматического регулирования (САР). Регулятором здесь выступает силовой магнитный усилитель (он заменяет управляющий реостат в цепи возбуждения в простейшей схеме). В САР генератор является одновременно усилительным и исполнительным элементом, двигатель – объектом регулирования, а регулируемой величиной является частота вращения двигателя. При управлении машинист, желая установить определенную частоту двигателя, воздействует на цепь возбуждения генератора, т. е. изменяет величину тока в его обмотке возбуждения посредством командоконтроллера. Для поддержания заданного режима в САР присутствует обратная связь, обеспечивающая корректирующее воздействие на магнитные усилители и далее на ток в цепи возбуждения генератора.

Более прогрессивной считается схема, в которой питание обмотки возбуждения генератора (двигателя) осуществляется посредством тиристорного преобразователя. При такой схеме не требуется задействовать генератор собственных нужд, призванный питать обмотки возбуждения электромашин и привода малой мощности (открытия днища ковша). Основными преимуществами тиристорных возбудителей являются малая инерционность и более высокий к.п.д. по сравнению с силовыми магнитными усилителями. Тиристор преобразует переменный ток в постоянный с регулированием выпрямленного напряжения. Ток управления тиристора регулируется сельсинным командоаппаратом.

Второй способ – использовать вместо генератора тиристорный преобразователь (ТП–Д). Однако использование силовых тиристорных преобразователей для электропривода главных приводов приводит к снижению коэффициента мощности энергетической установки экскаватора, появлению дополнительных гармоник и колебаний напряжения в сети, что снижает качество электроснабжения карьера. Чтобы уменьшить негативное влияние работы ТП на сеть, на экскаваторах используются фильтрокомпенсирующие устройства. В бывшем СССР схема ТП–Д была обкатана на ЭКГ-20.

Другим перспективным направлением является применение импульсного способа изменения какого-либо параметра двигателя – напряжения, сопротивления в цепях статора или ротора. Изменяя длительность импульса, достигают изменения средней частоты вращения.

Асинхронные двигатели, питаемые от регулируемых статических преобразователей частоты (ПЧ–АС), применяют в электроприводе начиная с 1970-х годов. Асинхронные электродвигатели благодаря простоте производства и надежности в эксплуатации широко используют в нерегулируемом электроприводе. Основные их недостатки – ограниченный диапазон регулирования частоты вращения и значительное потребление реактивной мощности.

Преобразователи частоты получили распространение в первую очередь в системах плавного пуска. Сейчас частотные преобразователи внедряются и в качестве регуляторов в мощных приводах (до 10 МВт шахтные подъемники, вентиляционные системы, водоотлив, конвейерный транспорт, тяговый привод подвижного состава на железнодорожном транспорте и др.). Применение частотных преобразователей позволяет:

  • плавно регулировать скорость вращения асинхронного электродвигателя при сохранении момента на валу;
  • снизить потребление электроэнергии на 30…50% за счет оптимального управления электродвигателем в зависимости от нагрузки;
  • осуществлять плавный пуск электродвигателя с током, не превышающим номинального значения для электродвигателя;
  • устранить пиковые нагрузки на электросеть и просадки напряжения в ней в момент пуска электропривода.

Частотные преобразователи создают определенные электромагнитные помехи, для уменьшения которых необходимо применять дополнительные фильтры. Для работы на низких частотах требуется эффективное принудительное охлаждение. Другой аспект – трудность обеспечения экскаваторной механической характеристики. В процессе работы экскаватора нагрузочные моменты могут меняться в значительной степени за короткие промежутки времени от максимальных моментов, способных «опрокинуть» двигатель, до минимальных. Поэтому требуется автоматическая одновременная регулировка частоты и питающего напряжения, поступающего на обмотку статора.

Несмотря на высокую перспективность системы ПЧ–АС, массового и быстрого внедрения на экскаваторах в России она до сих пор не получила. Здесь сказывается и определенный общий провал 1990-х годов в промышленности, и необходимость внедрять новые решения в системах автоматического регулирования. Работоспособность системы ПЧ–АС неоднократно доказана, в том числе при эксплуатации модернизированного экскаватора ЭШ-20.90 на Сафроновском разрезе (Иркутская обл.).

Вопросов при использовании системы ПЧ–АС возникает много, для краткого их обзора потребуется отдельная публикация.

Сегодня мировые лидеры производства электрических экскаваторов, такие как Bucyrus International Inc. с входящими в ее состав Marion и Ransomes-Rapier, а также P&H предлагают экскаваторы с электроприводом, выполненным по разным схемам – ПЧ–АС, Г–Д, ТП–Д. Выбор системы остается за заказчиком.

Электропривод по схеме преобразователь частоты асинхронный двигатель

В регулируемом приводе питание асинхронного электродвигателя с фазным ротором осуществляют двумя способами: питают статорные обмотки электродвигателя от одного, а роторные от другого источника регулируемой частоты; питают обе обмотки от одного источника регулируемой частоты. При этом в качестве источников регулируемой частоты могут применяться как источники тока, так и напряжения.

Читать еще:  Хорошее масло для двигателя хендай элантра

Приводы на основе асинхронного электродвигателя с фазным ротором называют приводами двойного питания. Рассмотрим в качестве примеров два вида приводов двойного питания.

Привод с питанием от источника напряжения и источника тока.

В таком приводе чаще всего питают обмотки статора (ротора) электродвигателя от источника напряжения нерегулируемой частоты, в качестве которого используют промышленную сеть частоты 50 Гц. Обмотки ротора (статора) питают от источника тока регулируемой частоты. Привод применяют в системах, где требуется изменение скорости в небольших пределах около синхронной, определяемой частотой промышленной сети.

Рис. IV.9. Привод двойного питания с частотно-токовым управлением с двумя источниками питания

При этом мощность на валу привода образуется в основном за счет мощности, потребляемой из сети.

На рис. IV.9 показана функциональная схема привода, в котором статорные обмотки электродвигателя ЭДв питаются от преобразователя энергии а к промышленной сети подключены обмотки ротора, которые питаются напряжениями:

Обмотки ротора подключены к сети таким образом, что направление вращения вектора намагничивающей силы, создаваемой напряжениями

сети, относительно ротора оказывается противоположным направлению его вращения. Следовательно, вектор намагничивающей силы ротора будет вращаться относительно статора с угловой скоростью

Схема привода двойного питания (рис. IV.9) имеет много общего со схемой асинхронного привода. Отличие заключается в том, что в ФП вращение ротора ДДУ осуществляется от вспомогательного синхронного электродвигателя (СД) с постоянной скоростью в сторону, противоположную направлению вращения вала ЭДв. Выражения для токов, питающих статорные обмотки ЭДв, получим из выражений (IV.18), заменив в них на

Формирование тока электродвигателя с использованием сигнала дает возможность в приводе двойного питания (рис. IV.9) регулировать потребление реактивной мощности из промышленной сети. Показать это можно следующим образом.

Будем считать, что вектор потока электродвигателя ЭДв однозначно определяется вектором напряжения промышленной сети. Это справедливо при предположении, что активные сопротивления и индуктивные сопротивления рассеяния роторных обмоток отсутствуют. Это допущение оказывается возможным ввиду того, что падения напряжений на указанных сопротивлениях составляют незначительную долю от напряжений питающей сети. С учетом этого производится начальная взаимная установка ЭДв и ДУ.

В приводе, показанном на рис. IV.9, ДУ настроен таким образом, что независимо от скорости сигнал создает составляющий вектор намагничивающей силы статора, который параллелен вектору потока. Соответственно сигнал создает составляющий вектор намагничивающей силы статора, который направлен перпендикулярно к вектору потока. При такой установке ДУ изменением сигнала можно добиться потребления из сети, например, емкостного или чисто активного тока. Если вопросы потребления реактивной мощности из промышленной сети играют второстепенную роль, то можно упростить схему привода, исключив канал управления сигнала При реактивный ток, необходимый для намагничивания электродвигателя, потребляется со стороны ротора из промышленной сети.

С учетом того, что асинхронный электродвигатель с фазным ротором можно рассматривать как синхронный с неявновыраженными полюсами и с компенсационной обмоткой, для момента на валу привода при оказываются справедливыми выражения (IV.22).

На рис. IV. 10 показаны экспериментальные механические характеристики привода, изображенного на рис. IV.9. Они напоминают

характеристики синхронного привода, если принять во внимание то, что последние смещены по оси частот на величину синхронной частоты определяемой скоростью Рабочая область (область мягких характеристик) ограничивается значениями верхней и нижней критических частот

Отметим, что привод двойного питания, изображенный на рис. IV.9, может быть применен для решения задачи работы синхронного генератора, приводимого во вращение с непостоянной скоростью автономным источником механической энергии, на общую промышленную сеть со стабильной частотой. В этом случае асинхронный электродвигатель, включенный по схеме рис. IV.9 и вращаемый от постороннего электродвигателя, используется в качестве синхронного генератора. Поступление электрической энергии в сеть регулируется сигналами

Рис. IV. 10. Механические характеристики привода двойного питания с двумя источниками питания

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector