Регулирование частоты вращения электроприводов является одной из важнейших задач современной электротехники. Разработка и применение рациональных способов регулирования позволяют повысить производительность механизмов, улучшить качество выпускаемой продукции, упростить механическую часть привода, уменьшить расход электроэнергии и т. д.
Выходная частота генератора является одним из важных параметров, определяющих рейтинг генератора. Электрический выход генератора должен поддерживаться на фиксированной частоте 50 Гц или 60 Гц, чтобы соответствовать выходному сигналу стандартной электрической сети или частотной характеристике ваших приборов. Вы также можете столкнуться с различными изолированными участками одной и той же сетки, работающими на разных частотах. Затем становится необходимым изменять выходную частоту генератора в соответствии с мощностью приборов, которые будут питаться, или сетки, к которой подключен ваш генератор.
С регулированием частоты вращения не следует смешивать естественное изменение частоты вращения электродвигателя в соответствии с его механической характеристикой, когда изменяется нагрузка на валу привода. Регулирование - это принудительное изменение частоты вращения электропривода в зависимости от требований приводного механизма.
Изменение частоты вращения двигателя до выходной частоты. Современные генераторы состоят из двигателя, напрямую подключенного к генератору переменного тока для производства электроэнергии. Одним из наиболее распространенных способов изменения выходной частоты генератора является изменение скорости вращения двигателя.
Два фактора связаны по следующей формуле -. В случае небольших или жилых генераторов вы можете изменить настройки оборотов двигателя, внеся несколько изменений на панели управления вашего устройства. Выполните следующие шаги, чтобы изменить частоту генератора от 60 Гц до 50 Гц.
Любой способ регулирования характеризуют следующие основные показатели:
диапазон регулирования - отношение максимальной частоты вращения к минимальной, которое можно получить в приводе т.е. ;
плавность регулирования - число устойчивых скоростей, получаемых в данном диапазоне регулирования;
экономичность - учет затрат, связанных с созданием самого способа регулирования, и дополнительных потерь энергии, возникающих в приводе;
Контроллеры генератора осуществляют мониторинг и управление в реальном времени. Встроенные функции защиты автоматически отключают ваш генератор в случае избыточного числа оборотов двигателя или очень низкой выходной частоты. В следующей статье: Как работают генераторы. Преобразователи частоты Если вы используете генератор с фиксированной скоростью, вы можете подключить частотный преобразователь к вашему устройству. Частотный преобразователь представляет собой комбинацию выпрямителя и инвертора. Выпрямитель использует генератор переменного тока для создания постоянного тока.
стабильность работы привода - изменение частоты вращения при изменении момента на валу двигателя. Стабильность работы целиком определяется жесткостью механических характеристик;
направление регулирования показывает, что частота вращения изменяется только вниз или только вверх от основной частоты вращения привода или же возможно регулирование и вверх и вниз.
Любое сопутствующее изменение напряжения связано с назначением устройства, а также зависит от приложения, для которого используется частотный преобразователь. Традиционно частотные преобразователи, такие как поворотные преобразователи и мотор-генераторные установки, были изготовлены из электромеханических компонентов. С появлением твердотельной электроники они теперь построены как полностью электронные блоки.
Экономическое обоснование эффекта от инвертора
Частотные преобразователи также находят применение в аэрокосмической промышленности для преобразования 50 Гц или 60 Гц на выход 400 Гц, который используется в наземном силовом агрегате самолетов. Эти системы также используются для управления скоростью вентиляторов и насосов и других нагрузок с переменным крутящим моментом, работающих на переменной скорости.
Частоту вращения ротора асинхронного двигателя определяют по формуле:
где f- частота переменного тока; р - число пар полюсов обмотки статора; s - скольжение.
Из представленной выше формулы можно заключить, что частоту вращения асинхронного двигателя можно регулировать изменением одной из трёх величин:
Электронные генераторы с переменной скоростью Существует специальный класс генераторов, известных как электронные преобразователи с переменной скоростью, в которых изменение скорости двигателя изменяет скорость генератора переменного тока, чтобы автоматически производить выход переменной частоты. Преобразователь частоты затем используется для коррекции выходного сигнала генератора в соответствии с требуемой выходной частотой 50 Гц или 60 Гц. Использование этого устройства избавляет от необходимости использования привода с переменной скоростью и трансформатора.
Скольжения s;
Числа пар полюсов магнитного потока статора p;
Частоты тока в статоре f.
Рассмотрим возможности регулирования частоты вращения ротора путем изменения скольжения. Скольжение является функцией многих параметров двигателя:
s = f(R 1 , X 1 ;R 2 ; X 2 ; U),
где R 1 X 1 - активное и индуктивное сопротивление цепи статора,; R 2 , Х 2 - то же, ротора;
Недостатком этой технологии является то, что электронный компонент, в дополнение к дороговизне, не подходит для использования в грубой среде, в которой обычно работает генератор. Важно отметить, что они отличаются от генераторов с переменной скоростью, которые имеют бесступенчатую трансмиссию, что позволяет изменять обороты двигателя, но поддерживает постоянную скорость генератора. Это не изменяет выходную частоту, но позволяет генератору изменять выходную мощность генератора для удовлетворения требований переменной нагрузки.
На следующем рисунке показана эквивалентная модель цепи блока асинхронного двигателя. Это означает, что при запуске проскальзывание равно единице, а при синхронной работе с частотой питания - ноль. Вы можете параметризовать этот блок в терминах параметров предыдущей эквивалентной схемы или в терминах рейтингов двигателя, используемых блоком для получения этих параметров.
U - напряжение питания двигателя.
Из формулы видно, что для изменения скольжения s можно вводить дополнительные резисторы или индуктивности в цепи обмоток статора или ротора либо уменьшать напряжение питания двигателя.
Изменение напряжения.
Известно, что максимальный момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения сети и механические характеристики при различных напряжениях имеют вид, показанный на рис.5.8, a. Анализ этих характеристик совместно с характеристикой момента сопротивления Мс.г грузоподъемного устройства показывает, что регулирование частоты вращения возможно в очень узком диапазоне. При напряжении 0,6 U н двигатель не запустится, так как Мп<Мс.г, а при снижении напряжения ниже 0,6 UB работающий двигатель остановится.
Блок имеет два дополнительных тепловых порта, по одному на обмотку, скрытые по умолчанию. Это действие отображает тепловые порты на значке блока и добавляет вкладки «Зависимость температуры» и «Термальный порт» к диалоговому окну блока. Эти вкладки описаны далее на этой справочной странице.
Основные допущения и ограничения
Используйте термические порты для имитации влияния потерь сопротивления меди, которые преобразуют электроэнергию в тепло. Моделирование термических эффектов в вращательных и трансляционных приводах. Модель основана на следующих предположениях. Блок не моделирует пусковой механизм однофазного асинхронного двигателя. . Выберите один из следующих методов параметризации блока.
Несколько предпочтительнее регулирование двигателя, вращающего механизм с вентиляторным моментом сопротивления Мс.в, - диапазон регулирования расширяется.
Изменение параметров R 1 , X 1 , X 2 .
Увеличение указанных параметров оказывает почти такое же влияние на механические характеристики двигателя, как снижение напряжения, а повышение сопротивления R 1 к тому же еще увеличивает потери энергии в цепи статора.
Как подключить частотный преобразователь
По эквивалентным параметрам схемы - укажите электрические параметры для эквивалентной схемы двигателя. По рейтингу двигателя. . Сопротивление обмотки статора. Этот параметр отображается только при выборе параметров эквивалентной схемы для параметра параметризации модели.
Как изменить скорость работы двигателя?
Сопротивление ротора, заданное относительно статора. Индуктивность обмотки статора. Индуктивность ротора, заданная относительно статора. Намагничивающая индуктивность статора. Его значение трудно оценить по параметрам двигателя, но эффект обычно мал. Механическая мощность, которую двигатель обеспечивает при работе с номинальной скоростью. Этот параметр отображается только при выборе значения «Мотор» для параметра параметризации модели.
Рис.5.8 Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении
напряжения и активного сопротивления цепи ротора
В конце 50-х годов получил некоторое распространение так называемый дроссельный электропривод, в котором увеличение сопротивления X 1 достигалось включением в цепь статора магнитного усилителя (дросселя насыщения). Главный недостаток таких электроприводов (в том числе при изменении напряжения U) состоит в том, что мощность скольжения полностью превращается в тепло в роторе, увеличивая перегрев двигателя. В дроссельных электроприводах к тому же уменьшается коэффициент мощности cosf.
Скорость, с которой двигатель обеспечивает заданное номинальное значение механической мощности. Линейное напряжение, при котором указаны номинальные значения двигателя. Значение по умолчанию - 60 герц. Линейный ток, при котором двигатель доставляет заданное номинальное значение механической мощности.
Окупаемость преобразователя частоты
Из эффективности двигателя. . Процент входной мощности двигателя, который доставляется на механическую нагрузку при работе с номинальным значением скорости. Косинус угла, на котором ток питания отстает от напряжения питания при работе при номинальной величине механической мощности.
Из сказанного следует, что увеличение параметров R 1 X 1 Х 2 или уменьшение U не только ради регулирования частоты вращения, но и в силу каких-то иных причин (например, влияния параметров сети) для асинхронного двигателя крайне нежелательно.
Изменение активного сопротивления цепи ротора.
Единственный параметр асинхронного двигателя, от которого не зависит максимальный момент двигателя, - это сопротивление R 2. . Следовательно, при введении в цепь ротора дополнительных резисторов сохраняется механическая перегрузочная способность двигателя и, что очень важно, потери энергии выделяются в основном на резисторах, т. е. за пределами двигателя.
Как обслуживать частотные преобразователи?
Измеренное сопротивление статора. Общее количество пар полюсов для двигателя. Выберите одну из следующих конфигураций двигателя. Конфигурация звездочки - Подключите обмотки статора двигателя в звездой. . Напряжение между линиями, которое подает двигатель.
Скорость ротора в начале моделирования. Коэффициенты температуры сопротивления. Вектор 1 на 2 строки, определяющий коэффициент α в уравнении, относящемся к сопротивлению температуре, как описано в термической модели для блоков исполнительных механизмов. Первый элемент соответствует статору, а второй - ротору.
Такой способ применим только для двигателей с фазным ротором и с кольцами. Сопротивление короткозамкнутого ротора изменять практически невозможно. Механические характеристики при различных сопротивлениях ротора показаны на рис.5.8, б.
Кратко процесс регулирования выглядит
следующим образом: М=Мс, n=const;
-
-
-
-
-
-
-
.Запись поясняется формулами (2-6).
Температура, для которой определены параметры двигателя. Эта вкладка отображается только для блоков с открытыми тепловыми портами. В разделе Термические порты. Вектор 1 на 2 строки, определяющий тепловую массу для обмоток статора и ротора. Тепловая масса - это энергия, необходимая для повышения температуры на один градус.
Вектор 1 на 2 строки, определяющий температуру тепловых портов статора и ротора в начале моделирования. Блок имеет следующие порты. Механический ротационный порт. Роль турбины заключается в преобразовании энергии воды, пара или ветра в механическую энергию, которая заставит генератор вращаться. Генератор преобразует механическую энергию в электричество. В гидроэлектростанциях эта комбинация генератора и турбины называется генераторной установкой.
С точки зрения диапазона регулирования, плавности, экономичности этот способ аналогичен регулированию частоты вращения двигателя постоянного тока изменением сопротивления цепи якоря. Он применяется в электроприводах брашпиля и шпиля судов типов «Андижан», «Повенец».
Изменение числа пар полюсов.
Асинхронные двигатели, у которых трехфазная обмотка статора может создавать вращающееся магнитное поле с различным числом пар полюсов,
Движущаяся вода заставляет вращение турбины
В этом генераторном блоке вода пробирается через затвор и в прокрутку. Он поворачивает лопатки турбины и затем тянется к оси турбины для выхода через нижнюю тягу. Механическая энергия, создаваемая огромной силой, которая толкает воду на турбину, передается генератору, который затем преобразует ее в электрическую энергию.
Управляемый турбиной, генератор производит переменный ток
Генератор подключен к валу привода турбины. Он имеет движущуюся часть - ротор и неподвижную часть - статор. Внешняя поверхность ротора покрыта электромагнитами. Внутренняя поверхность статора или стенка цилиндра состоит из медных обмоток. Когда ротор вращается внутри статора, электроны в медных обмотках «вибрируют». Их движение генерирует электрический ток, подобный тому, который создается по электромагнитной индукции, но в гораздо большем масштабе.
Рис.5.9. Схема, поясняющая принцип получения полюсопереключаемой
называются полюсопереключаемыми. Разработаны трехфазные обмотки, которые можно переключать на различное число пар полюсов в отношении: 2:1, 5:2, 7:3, 3:1 и т. д.
Принцип создания полюсопереключаемой обмотки поясним на примере однофазной обмотки, уложенной в восьми пазах. Обмотка состоит из двух полуобмоток. Если полуобмотки соединить последовательно, т. е. перемычка будет между выводами К 1 и Н 2 (рис.5.9, а), то такая обмотка будет создавать четыре пары полюсов (р=4). Число полюсов, создаваемых обмоткой, можно найти, задавшись направлением тока в ней и применив правило «буравчика» для определения направления силовых линий вокруг пазов.
Турбины имеют постоянную скорость вращения
Установка турбины Каплана. Все генераторные установки в энергосистеме должны быть синхронизированы. Другими словами, важно, чтобы они поддерживали точную скорость вращения. Чтобы обеспечить достаточное качество электроэнергии. Устройство, которое работает на электричестве, предназначено для использования переменного тока определенной частоты. Эта частота зависит от скорости вращения генераторного агрегата, т.е. количество раз в секунду, когда роторные магниты проходят мимо обмоток статора. Эта частота выражается в циклах в секунду, или герц, названный в честь немецкого физика Генриха Герца, который доказал существование радиоволн.
Если полуобмотки соединить встречно-последовательно, т.е. перемычка между выводами К 1 и К 2 (рис.9, б), то такая обмотка будет создавать две пары полюсов (р = 2). При выбранном направлении тока поле между пазами 2 и 3, 4 и 5, 6 и 7, 8 и 1 взаимно уничтожается.
Полуобмотки можно соединить встречно-параллельно, т.е. перемычки между выводами H 1 и К 2 , Н 2 и К 1 (рис.9, в), тогда обмотка будет также создавать две пары полюсов (р=2).
В Северной Америке стандартный цикл переменного тока составляет 60 раз в секунду, но в Европе он составляет 50 раз в секунду. Это означает, что часы, предназначенные для работы на частоте 60 Гц, будут медленнее при подключении к европейской розетке. Для подачи переменного тока частотой 60 Гц они должны вращаться со скоростью 5 оборотов в минуту. Вот формула, которая использовалась инженерами.
Методы запуска двигателей
Майкл Фарадей, британский физик и химик, обнаруживает феномен индукции. Ученый первым создал электрический ток, двигая магнит туда и обратно внутри металлической обмотки. Инновационные принципы открытия Фарадея быстро внедряются и используются для удовлетворения производственных потребностей индустриальной эпохи. На основе этих принципов был создан первый электрический генератор, предшественник современных энергоблоков. Фарадейские эксперименты спровоцировали изобретение другими исследователями первого электродвигателя и первого трансформатора.
Таким образом, существуют два способа переключения обмотки на меньшее число пар полюсов в отношении 2:1. Первый способ - переключение с последовательного соединения полуобмоток на встречно-последовательное, второй - переключение с последовательного соединения на встречно-параллельное. Рассмотрим каждый способ применительно к трехфазной обмотке двигателя..
При первом способе переключения обмотка, соединенная звездой, должна иметь 9 выводов на щитке (рис.5.10, а), а при соединении треугольником - 12 выводов (рис.5.10, б). После переключения характер соединения обмоток не меняется, т. е. звезда переключается в звезду, а треугольник - в треугольник.
Мощность двигателя при первом способе переключения остается постоянной, следовательно, изменяются номинальный и максимальный моменты двигателя. Совместное рассмотрение механических характеристик двигателя и различных механизмов (рис.5.10, в) показывает, что такой способ переключения наиболее целесообразен для регулирования частоты вращения металлорежущих станков.
В судовых электроприводах грузоподъемных устройств, брашпилей, шпилей широкое распространение получили трехскоростные асинхронные двигатели с тремя отдельными обмотками на статоре на различное число пар полюсов.
При втором способе переключения обмотка, соединенная звездой, имеет только 6 выводов (рис.5.11, а). После переключения получается соединение обмотки двойная звезда. Мощность двигателя в этом случае удваивается, а номинальный момент остается постоянным.
Совместное рассмотрение механических характеристик двигателя и различных механизмов (рис.5.11, б) показывает, что второй способ переключения целесообразно применять для регулирования частоты вращения грузоподъемных устройств.
Если обмотка соединена треугольником, то после переключения по второму способу получается соединение двойная звезда. Мощность двигателя при этом возрастает на 15%.
Рассмотрены наиболее простые способы переключения обмоток, дающие две ступени скорости. При более сложном переключении трехфазной обмотки можно получить три и даже четыре ступени скорости с самым. различным соотношением полюсов. Например, отечественные двигатели серии МАП с одной трехфазной обмоткой имеют три скорости (МАП-42/8-4-2, мощность 0,8/1, 8/2 кВт, частота вращения 700/1400/2800 об/мин) и четыре (МАП-52/8-6-4-2, мощность 1,2/2,5/3/4 кВт, частота вращения 460/700/920/1440 об/мин). Более четырех скоростей на практике не встречается, так как сильно усложняются обмотка и ее переключение. У двигателя МАП-52/8-6-4-2 на выводной щиток сделано 22 вывода.
В судовых электроприводах грузоподъемных устройств, брашпилей, шпилей широкое распространение получили трехскоростные асинхронные двигатели с тремя отдельными обмотками на статоре на различное число пар полюсов. Частота вращения
Рис.5.10. Первый способ переключения трёхфазной обмотки, соединенной звездой,
и треугольником, и соответствующие механические характеристики АД.
регулируется включением той или иной обмотки, но сами обмотки не переключаются.
Отечественная промышленность выпускает для судовых электроприводов многоскоростные асинхронные двигатели серии МАП, диапазон регулирования частоты вращения которых 6:1 либо 7:1 Обмотка первой скорости обычно имеет 26 или 28 полюсов.
Регулирование переключением пар полюсов отличается высокой экономичностью, поскольку ротор вращается при установившейся частоте со скольжением в пределах номинального и никаких дополнительных резисторов в цепь двигателя не включается. Серьезный недостаток этого способа - ступенчатость и ограниченное число скоростей.
Рис.5.11. Второй способ переключения трехфазной обмотки, соединенной звездой, и
соответствующие механические характеристики асинхронного двигателя
Регулирование частоты вращения изменением частоты тока питающей сети (частотное регулирование).
Этот способ регулирования основан на изменении синхронной частоты вращения n 0 которая пропорциональна частоте тока в обмотке статора. Для осуществления такого регулирования необходим источник питания с регулируемой частотой токаf. В качестве источника применяются электромагнитные и полупроводниковые преобразователи частоты. Однако необходимо иметь в виду, что одновременно с изменением частоты питающего напряженияfбудет меняться максимальный электромагнитный момент двигателя. Поэтому для сохранения перегрузочной способности, коэффициента мощности и КПД двигателя на требуемом уровне необходимо одновременно с изменением частоты f изменять и напряжение сети U. Если регулирование частоты вращения двигателя производится при условии постоянства нагрузочного момента, то подводимое напряжение необходимо изменять пропорционально изменению частоты тока, так, чтобы их отношение оставалось величиной постоянной:
;
Частотное регулирование позволяет плавно изменять частоту вращения двигателей в широком диапазоне (до 12:1).
Регулирование частоты вращения изменением частоты тока - это самый рациональный и экономичный способ. Основные его достоинства:
Используется м обычный короткозамкнутый двигатель;
Регулирование с точки зрения потерь в двигателе является экономичным;
Достигаются большой диапазон и плавность регулирования;
Сохраняется жесткость механических характеристик, а следовательно и стабильность работы привода;
Рекуперативное торможение может осуществляться почти до полной остановки.
Вместе с тем известно, что частота тока судовой электростанции поддерживается постоянной и для регулирования частоты вращения двигателя требуется отдельный преобразователь частоты тока.
Современный частотно регулируемый электропривод состоит из асинхронного или синхронного электрического двигателя и преобразователя частоты (рис.5.12.).
Рис.5.12 Частотно регулируемый электропривод
Преобразователь частоты управляет электрическим двигателем и представляет собой электронное статическое устройство. На выходе преобразователя формируется электрическое напряжение с переменными амплитудой и частотой. Название «частотно регулируемый электропривод» обусловлено тем, что регулирование скорости вращения двигателя осуществляется изменением частоты напряжения питания, подаваемого на двигатель от преобразователя частоты.
На протяжении последних лет наблюдается широкое и успешное внедрение частотно регулируемого электропривода на судах, как для решения различных технологических задач, так и в системах электродвижения. Это объясняется в первую очередь разработкой и созданием преобразователей частоты на принципиально новой элементной базе, главным образом на биполярных транзисторах с изолированным затвором IGBT.
В синхронном электрическом двигателе частота вращения ротора в установившемся режиме равна частоте вращения магнитного поля статора .
В асинхронном электрическом двигателе частота вращения ротора в установившемся режиме отличается от частоты вращения на величину скольжения .
Частота вращения магнитного поля зависит от частоты напряжения питания. При питании обмотки статора электрического двигателя трехфазным напряжением с частотой создается вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля определяется по известной формуле
где – число пар полюсов статора.
Переход от скорости вращения поля , измеряемой в радианах, к частоте вращения , выраженной в оборотах в минуту, осуществляется по следующей формуле
где 60 – коэффициент пересчета размерности.
Подставив в это уравнение скорость вращения поля, получим, что
Таким образом, частота вращения ротора синхронного и асинхронного двигателей зависит от частоты напряжения питания.
На этой зависимости и основан метод частотного регулирования.
Изменяя с помощью преобразователя частоту на входе двигателя, мы регулируем частоту вращения ротора.
В наиболее распространенном частотно регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяютсяскалярное и векторное частотное управление.
При скалярном управлении по определенному закону изменяют амплитуду и частоту приложенного к двигателю напряжения. Изменение частоты питающего напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя, к.п.д., коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения.
В существующих преобразователях частоты при скалярном управлении чаще всего поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность двигателя.
При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.
Максимальный момент, развиваемый двигателем, определяется следующей зависимостью
где - постоянный коэффициент.
Поэтому зависимость напряжения питания от частоты определяется характером нагрузки на валу электрического двигателя.
Для постоянного момента нагрузки поддерживается отношение U/f = const, и, по сути, обеспечивается постоянство максимального момента двигателя. Характер зависимости напряжения питания от частоты для случая с постоянным моментом нагрузки изображен на рис. 5.13 (а). Угол наклона прямой на графике зависит от величин момента сопротивления и максимального крутящего момента двигателя.
Вместе с тем на малых частотах, начиная с некоторого значения частоты, максимальный момент двигателя начинает падать. Для компенсации этого и для увеличения пускового момента используется повышение уровня напряжения питания.
В случае вентиляторной нагрузки реализуется зависимость U/f 2 = const. Характер зависимости напряжения питания от частоты для этого случая показан на рис.5.13 (б).
Рис.5.13 Характер зависимости напряжения питания от частоты для случая:
а) с постоянным моментом нагрузки
б) с вентиляторноым моментом нагрузки
При регулировании в области малых частот максимальный момент также уменьшается, но для данного типа нагрузки это некритично.
Используя зависимость максимального крутящего момента от напряжения и частоты, можно построить график U от f для любого типа нагрузки.
Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей.
Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40.
Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя.
Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление».
Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток.
Менее дорогим является частотно регулируемый электропривод с векторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователя частоты.
Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна.
Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости – сотые доли процента, точность по моменту – единицы процентов.
Преобразователь частоты – это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты.
Выходная частота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне и быть как выше, так и ниже частоты питающей сети.
Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть преобразователей обычно выполнена на тиристорах или транзисторах, которые работают в режиме электронных ключей. Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).
Преобразователи частоты, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:
1. Преобразователи частоты с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
2. Преобразователи частоты с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).
Каждый из существующих классов преобразователей имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.
У преобразователей с непосредственной связью(рис. 5.14) силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристотров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети.
Рис. 5.14 Преобразователь частоты с непосредственной связью
Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. На рис.5.15 показан пример формирования выходного напряжения для одной из фаз нагрузки.
Рис.5.15 Формирования выходного напряжения для одной из фаз нагрузки
На входе преобразователя действует трехфазное синусоидальное напряжение u а, u в, u с. Выходное напряжение u вых имеет несинусоидальную «пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой (утолщенная линия). Из рисунка видно, что частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие малый диапазон управления частоты вращения двигателя (не более 1: 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.
Использование не запираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя.
«Резаная» синусоида на выходе преобразователя является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению к.п.д. системы в целом.
Наряду с перечисленными недостатками преобразователей с непосредственной связью, они имеют определенные достоинства. К ним относятся:
Практически самый высокий КПД относительно других преобразователей (98,5% и выше),
Способность работать с большими напряжениями и токами, что делает возможным их использование в мощных высоковольтных приводах,
Относительная дешевизна, несмотря на увеличение абсолютной стоимости за счет схем управления и дополнительного оборудования.
Подобные схемы преобразователей используются в старых приводах и новые конструкции их практически не разрабатываются.
Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 5.16.).
В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.
Рис 5.16 Преобразователь частоты с звеном постоянного тока
Для формирования синусоидального переменного напряжения используются автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока.
В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.
Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.
Они имеют более высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах (95 – 98%).
Преобразователи частоты на тиристорах в настоящее времязанимают доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 - 10 кВ и выше. Однако их цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.
До недавнего прошлого преобразователи частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.
Тиристор является полууправляемым приборам: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого в тиристорном преобразователе частоты требуется сложная и громоздкая система управления.
Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость, простая неэнергоемкая система управления, самая высокая рабочая частота
Вследствие этого преобразователи частоты на IGBT позволяют расширить диапазон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.
Для асинхронного электропривода с векторным управлением преобразователи на IGBT позволяют работать на низких скоростях без датчика обратной связи.
Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорной системой управления в преобразователях частоты снижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей. Как следствие меньшие добавочные потери в обмотках и магнитопроводе электродвигателя, уменьшение нагрева электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так называемого «шагания» ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах, конденсаторных батареях, увеличивается их срок службы и изоляции проводов, уменьшаются количество ложных срабатываний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.
Преобразователи на транзисторах IGBT по сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов.
Они позволяют реализовать более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения, что существенно снижает вероятность отказов и повреждений электропривода.
На настоящий момент низковольтные преобразователи на IGBT имеют более высокую цену на единицу выходной мощности, вследствие относительной сложности производства транзисторных модулей. Однако по соотношению цена/качество, исходя из перечисленных достоинств, они явно выигрывают у тиристорных преобразователей, кроме того, на протяжении последних лет наблюдается неуклонное снижение цен на IGBT модули.
Главным препятствием на пути их использования в высоковольтном приводе с прямым преобразованием частоты и при мощностях выше 1 – 2 МВт на настоящий момент являются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения и рабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля, а также требует более эффективного отвода тепла от кремниевого кристалла.
Новые технологии производства биполярных транзисторов направлены на преодоление этих ограничений, и перспективность применения IGBT очень высока также и в высоковольтном приводе. В настоящее время IGBT транзисторы применяются в высоковольтных преобразователях в виде последовательно соединенных нескольких единичных модулей.
Типовая схема низковольтного преобразователя частоты на IGBT представлена на рис. 5.17 В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.
Переменное напряжение питающей сети (u вх.) с постоянной амплитудой и частотой (U вх = const, f вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).
Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (u выпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.
С выхода фильтра постоянное напряжение u d поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).
Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.
Рис. 5.17 Типовая схема преобразователя частоты на IGBT транзисторах
В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения u d в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение u и изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя. Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.
При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.
В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения u и может достигаться регулированием величины постоянного напряжения u d , а изменение частоты – режимом работы инвертора.
При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)
Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (U вых = var, f вых = var).
Зачастую приходится понижать скорость вращения двигателя, выполняющего определенные задачи в механизме. Уменьшение числа оборотов элеткродвигателя можно добиться с помощью , управляющих схем стандартного изготовления.
Электродвигатели переменного тока часто используются в деятельности человека, на металлообрабатывающих станках, транспорта, крановых механизмов и другого оборудования. Двигатели превращают энергию переменного тока питания во вращение вала и агрегатов. Используются в основном асинхронные двигатели переменного тока.
Ротор, а также и статор двигателя состоят из катушек провода, уложенного в сердечник, изготовленный из специальной стали. Классификация электродвигателей следует от способа закладки обмотки.
Обмотка из латунных и медных стержней вставляется в сердечник, по краям устанавливаются кольца. Такая катушка провода называется короткозамкнутым (КР) ротором. Электродвигатели небольшой мощности имеют стержни, а также диски, которые были отлиты вместе. Для электродвигателей с мощным моментом детали отливаются отдельно, затем свариваются. Обмотка статора может быть подключена двумя методами: треугольником, звездой.
Фазный ротор состоит из 3-фазной роторной обмотки, подключенной контактными кольцами и щетками к питанию. Обмотка соединена «звездой».
Расчет количества оборотов асинхронного двигателя
Распространенным двигателем на станках и подъемных устройствах является двигатель с короткозамкнутым ротором, поэтому пример для расчета следует брать для него. Сетевое напряжение поступает на статорную обмотку. Обмотки смещены друг от друга на 120 градусов. Возникшее поле электромагнитной индукции возбуждает электрический ток в обмотке. Ротор начинает работать под действием ЭМС.
Основной характеристикой работы двигателя является число оборотов в минуту. Рассчитываем это значение:
n = 60 f / p, обор / мин;
где f – частота сети, герц, р – количество полюсов статора (в парах).
На корпусе электродвигателя имеется табличка с техническими данными. Если ее нет, то можно самому рассчитать число оборотов вала оборудования по другим имеющимся данным. Расчет производится тремя способами.
- Расчет числа катушек, которое сравнивается с нормами для разного напряжения, следует по таблице:
- Расчет скорости работы по шагу диаметра обмотки по формуле:
2 p = Z 1 / y, где 2р – количество полюсов, Z 1 – число пазов в статоре, у – шаг обмотки.
Выбираем из таблицы подходящие обороты двигателя:
- Высчитываем количество полюсов по параметрам сердечника по формуле:
2p = 0,35 Z 1 b / h или 2 p = 0,5 D i / h,
где 2р – количество полюсов, Z 1 – число пазов, b – размер зуба, см, h – высота спинки, см, D i – диаметр по зубцам, см.
По результатам расчета и индукции следует число витков обмотки, сравнивается со значениями мотора по паспорту.
Как изменить скорость работы двигателя?
Изменять скорость вращающего момента механизма оборудования можно различными способами, например, механическими редукторами с переключением передач, муфтами и другими устройствами. Но это не всегда возможно. Практически используется 7 способов коррекции частоты вращения регулируемых приводов. Все способы разделены на два основных направления.
- Коррекция магнитного поля путем воздействия на частоту тока, уменьшение или увеличение числа пар полюсов, коррекция напряжения. Направление характерно моторам с короткозамкнутым (КР) ротором.
- Скольжение корректируется напряжением питания, добавлением еще одного резистора в цепь схемы ротора, установкой двойного питания, использованием каскада вентилей. Такое направление используется для роторов с фазами.
- Частотники бывают с двумя видами управления: скалярное, векторное. При скалярном управлении прибор действует при определенных значениях выходной разности потенциалов и частотой, работают в примитивных домашних приборах, например, вентиляторах. При векторном управлении сила тока устанавливается достаточно точно.
- При выборе прибора параметры мощности играют определяющую роль. Величина мощности расширяет сферу использования, упрощает обслуживание.
- При выборе устройства учитывается интервал рабочего напряжения сети, что снижает опасность выхода его из строя из-за резких перепадов разности потенциалов. При чрезмерном повышении напряжения конденсаторы сети могут взорваться.
- Частота – немаловажный фактор. Его величина определяется требованиями производства. Наименьшее значение говорит о возможности использования скорости в оптимальном режиме работы. Для получения большего интервала частоты применяют частотники с векторным управлением. В реальности часто используются инверторы с интервалом частот от 10 до 10 Гц.
- Частотный преобразователь, имеющий много разных выходов и входов удобен в пользовании, но стоимость его выше, настройка сложнее. Разъемы частотников бывают трех типов: аналоговые, дискретные, цифровые. Связь обратного вида вводных команд производится через аналоговые разъемы. Цифровые клеммы производят ввод сигналов от датчиков цифрового типа.
- Выбирая модель частотного преобразователя, нужно дать оценку управляющей шине. Ее характеристика подбирается под схему инвертора, что обуславливает число колодок. Наилучшим выбором работает частотник с запасом количества разъемов для дальнейшей модернизации прибора.
- Частотники, выдерживающие большие перегрузки (на 15% выше мощности мотора), при выборе имеют предпочтения. Чтобы не ошибиться при покупке преобразователя частоты, ознакомьтесь с инструкцией. В ней имеются главные параметры эксплуатации оборудования. Если нужен прибор для максимальных нагрузок, то необходимо выбирать частотник, сохраняющий ток на пике работы выше, чем на 10% от номинала.
Как подключить частотный преобразователь
Если кабель для подключения на 220 В с 1-й фазой, применяется схема «треугольника». Нельзя подключать частотник, если выходной ток выше 50% от номинального значения.
Если кабель питания на три фазы 380 В, то делается схема «звезды». Чтобы проще было подключать питание, предусмотрены контакты и клеммы с буквенными обозначениями.
- Контакты R, S, T предназначены для подключения сети питания по фазам.
- Клеммы U , V , W служат соединением электродвигателя. Для реверса достаточно изменить подключение двух проводов между собой.
В приборе должна быть колодка с клеммой подключения к земле. Подробней, как подключить, .
Как обслуживать частотные преобразователи?
Для долгосрочной эксплуатации инвертора требуется контроль за его состоянием и выполнение предписаний :
- Очищать от пыли внутренние элементы. Можно использовать компрессор для удаления пыли сжатым воздухом. Пылесос для этих целей не подходит.
- Периодически контролировать состояние узлов, производить замену. Срок службы электролитических конденсаторов составляет пять лет, предохранительных вставок – десять лет. Охлаждающие вентиляторы работают до замены 3 года. Шлейфы проводов используются шесть лет.
- Контроль напряжения шины постоянного тока и температура механизмов является необходимым мероприятием. При повышенной температуре термопроводящая паста засыхает и выводит из строя конденсаторы. Каждые 3 года на силовые клеммы наносят слой токопроводящей пасты.
- Условия и режим работы необходимо соблюдать в строгом соответствии. Температура окружающей среды не должна превышать 40 градусов. Пыль и влажность отрицательно влияют на состояние рабочих элементов прибора.
Окупаемость преобразователя частоты
Электроэнергия постоянно дорожает, руководители организаций вынуждены экономить разными путями. В условиях промышленного производства большая часть энергии расходуется механизмами, имеющими электродвигатели.
Изготовители устройств для электротехнических машин и агрегатов предлагают специальные устройства и приборы для управления электромоторами. Такие устройства экономят энергию электрического тока. Они называются инверторами или частотными преобразователями.
Финансовые затраты на покупку частотника не всегда оправдывают экономию средств, так как стоимость их сопоставима со стоимостью . Не всегда привод механизма можно быстро оснастить инвертором. Какие сложности при этом возникают? Разберем способы запуска асинхронных двигателей для пониманию достоинств инверторов.
Методы запуска двигателей
Можно определить 4 метода пуска двигателей.
- Прямое включение, для моторов до 10 кВт. Способ неэффективен для ускорения, увеличения момента, перегрузок. Токи выше номинала в 7 раз.
- Включение с возможностью выбора схем «треугольника» и «звезды».
- Интегрирование устройства плавного пуска.
- Применение инвертора. Способ особенно эффективен для защиты мотора, ускорения, момента, экономии энергии.
Экономическое обоснование эффекта от инвертора
Время окупаемости инвертора рассчитывается отношением затрат на покупку к экономии энергии. Экономия обычно равна от 20 до 40% от номинальной мощности мотора.
Затраты снижают факторы, повышающие производительность частотных преобразователей:
- Уменьшение затрат на обслуживание.
- Повышение ресурса двигателя.
Экономия рассчитывается:
где Э – экономия денег в рублях;
Р пч – мощность инвертора;
Ч – часов эксплуатации в день;
Д – число дней;
К – коэффициент ожидаемого процента экономии;
Т – тариф энергии в рублях.
Время окупаемости равно отношению затрат на покупку инвертора к экономии денег. Расчеты показывают, что период окупаемости получается от 3 месяцев до 3 лет. Это зависит от мощности мотора.