Nara-auto.ru

Автосервис NARA
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Расчет параметров частотного преобразователя для асинхронных двигателей

Расчет параметров частотного преобразователя для асинхронных двигателей

Расчеты преобразователя частоты для асинхронных двигателей

Зачастую приходится понижать скорость вращения двигателя, выполняющего определенные задачи в механизме. Уменьшение числа оборотов элеткродвигателя можно добиться с помощью самодельных приборов, 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.

Расчеты преобразователя частоты для асинхронных двигателей

Фазный ротор состоит из 3-фазной роторной обмотки, подключенной контактными кольцами и щетками к питанию. Обмотка соединена «звездой».

Расчеты преобразователя частоты для асинхронных двигателей

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.

  1. Расчет числа катушек, которое сравнивается с нормами для разного напряжения, следует по таблице:

Расчеты преобразователя частоты для асинхронных двигателей

  1. Расчет скорости работы по шагу диаметра обмотки по формуле:

2 p = Z1 / y, где 2р – количество полюсов, Z1 – число пазов в статоре, у – шаг обмотки.

Выбираем из таблицы подходящие обороты двигателя:

Расчеты преобразователя частоты для асинхронных двигателей

  1. Высчитываем количество полюсов по параметрам сердечника по формуле:

2p = 0,35 Z1 b / h или 2 p = 0,5 Di / h,

где 2р – количество полюсов, Z1 – число пазов, b – размер зуба, см, h – высота спинки, см, Di – 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.

  1. Коррекция магнитного поля путем воздействия на частоту тока, уменьшение или увеличение числа пар полюсов, коррекция напряжения. Направление характерно моторам с короткозамкнутым (КР) ротором.
  2. 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.

Регулировка частоты и напряжения с помощью частотного преобразователя, путем создания дополнительной катушки с переключением полюсов пар, являются самыми востребованными способами.

Распространенные схемы регуляторов

Существует множество частотных преобразователей для асинхронных двигателей, а также различных регуляторов для них. Самостоятельно возможно изготовить прибор для регулировки частоты, применяя транзисторы или тиристоры. Прибор работает как в быту, так и для станочного оборудования, крановых механизмов, различных регулируемых приводов агрегатов.

Мощный регулятор частоты и напряжения показан на схеме. Прибор плавно изменяет параметры привода, экономит энергию, снижает расходы на обслуживание.

Для применения этой схемы в быту, она сложная. Если использовать симистор рабочим элементом, то схема упрощается, и выглядит иначе.

частотных преобразователей для асинхронных двигателей

Регулировка будет происходить работой потенциометра, определяюцим фазу импульса входа, и открывающего симистор.

частотных преобразователей для асинхронных двигателей

Эффект эксплуатации станков, обрабатывающих металл, подъемных устройств также следует из вращения двигателя, как и сами его эксплуатационные параметры. В продаже имеется множество приборов для регулировки частоты, однако можно вполне собрать такой прибор собственными силами.

Как выбрать частотный преобразователь?

Если проанализировать цены и функции преобразователей частоты, то можно понять, что по цене определяется количество встроенных функции частотного преобразователя. Дорогие модели обладают большой функциональностью. Но для выбора прибора лучше руководствоваться требуемыми условиями применения.

  • 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.
Читайте так же:
Как отрегулировать диск сцепления на мтз 82

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, здесь.

Как обслуживать частотные преобразователи?

Для долгосрочной эксплуатации инвертора требуется контроль за его состоянием и выполнение предписаний по обслуживанию:

  1. Очищать от пыли внутренние элементы. Можно использовать компрессор для удаления пыли сжатым воздухом. Пылесос для этих целей не подходит.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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 сэкономленной энергии. 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.

  1. Прямое включение, для моторов до 10 кВт. Способ неэффективен для ускорения, увеличения момента, перегрузок. Токи выше номинала в 7 раз.
  2. Включение с возможностью выбора схем «треугольника» и «звезды».
  3. Интегрирование устройства плавного пуска.
  4. 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:

  1. Уменьшение затрат на обслуживание.
  2. Повышение ресурса двигателя.

частотных преобразователей для асинхронных двигателей

где Э – экономия денег в рублях;

Рпч – мощность инвертора;

Ч – часов эксплуатации в день;

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.

Способы регулирования скорости асинхронного двигателя

Способы регулирования скорости вращения асинхронного двигателя

Почти все станки в качестве электропривода оснащаются асинхронными двигателями. У них простая конструкция и не высокая стоимость. В связи с этим важным оказывается регулирование скорости асинхронного двигателя. Однако в стандартной схеме включения управлять его оборотами можно только с помощью механических передаточных систем (редукторы, шкивы), что не всегда удобно. Электрическое управление оборотами ротора имеет больше преимуществ, хотя оно и усложняет схему подключения асинхронного двигателя.

Для некоторых узлов автоматического оборудования подходит именно электрическое регулирование скорости вращения вала асинхронного электродвигателя. Только так можно добиться плавной и точной настройки рабочих режимов. Существует несколько способов управления частотой вращения путём манипуляций с частотой, напряжением и формой тока. Все они показаны на схеме.

Из представленных на рисунке способов, самыми распространёнными для регулирования скорости вращения ротора являются изменение следующих параметров:

  • напряжения подаваемого на статор,
  • вспомогательного сопротивления цепи ротора,
  • числа пар полюсов,
  • частоты рабочего тока.

Последние два способа позволяют изменять скорость вращения без значительного снижения КПД и потери мощности, остальные способы регулировки способствуют снижению КПД пропорционально величине скольжения. Но и у тех и других есть свои преимущества и недостатки. Поскольку чаще всего на производстве применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, то все дальнейшие обсуждения будут касаться именно этого типа электродвигателей.

Читайте так же:
Регулировка клапанов гбо 4 поколения зазор

Частотное регулирование

Для частотного регулирования применяют в основном полупроводниковые преобразователи. Их принцип действия основан на особенности работы асинхронного двигателя, где частота вращения магнитного поля статора зависит от частоты напряжения питающей сети. Скорость вращения поля статора определяется по следующей формуле:

n1 = 60f/p, где n1 — частота вращения поля (об/мин), f-частота питающей сети (Гц), p-число пар полюсов статора, 60 — коэффициент пересчета мерности.

Для эффективной работы асинхронного электродвигателя без потерь нужно вместе с частотой изменять и подаваемое напряжение. Напряжение должно меняться в зависимости от момента нагрузки. Если нагрузка постоянная, то напряжение изменяется пропорционально частоте.

Современные частотные регуляторы позволяют уменьшать и увеличивать обороты в широком диапазоне. Это обеспечило их широкое применение в оборудовании с управляемой протяжкой, например, в многоконтактных станках сварной сетки. В них скорость вращения асинхронного двигателя, приводящего в движение намоточный вал, регулируется полупроводниковым преобразователем. Такая регулировка позволяет оператору, следящему за правильностью выполнения технологических операций, ступенчато ускоряться или замедляться по мере настройки станка.

Остановимся на принципе работы преобразователя частоты более подробно. В его основе лежит принцип двойного преобразования. Состоит регулятор из выпрямителя, импульсного инвертора и системы управления. В выпрямителе синусоидальное напряжение преобразуется в постоянное и подаётся на инвертор. В составе силового трёхфазного импульсного инвертора есть шесть транзисторных переключателей. Через эти автоматические ключи постоянное напряжение подаётся на обмотки статора так, что в нужный момент на соответствующие обмотки поступает то прямой, то обратный ток со сдвигом фаз 120°. Таким образом, постоянное напряжение трансформируется в переменное трёхфазное напряжение нужной амплитуды и частоты.

Необходимые параметры задаются через модуль управления. Автоматическая регулировка работы ключей осуществляется по принципу широтно-импульсной модуляции. В качестве силовых переключателей используются мощные IGBT-транзисторы. Они, по сравнению с тиристорами, имеют высокую частоту переключения и выдают почти синусоидальный ток с минимальными искажениями. Не смотря на практичность таких устройств, их стоимость для двигателей средней и высокой мощности остаётся очень высокой.

Регулировка скорости вращения асинхронного двигателя методом изменения числа пар полюсов

Регулировка скорости вращения асинхронного двигателя методом изменения числа пар полюсов также относится к наиболее распространённым методам управления электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Такие моторы называются многоскоростными. Есть два способа осуществления этого метода:

  • укладывание сразу нескольких обмоток с разными числами пар полюсов в общие пазы статора,
  • применение специальной намотки с возможностью переключения существующих обмоток под нужное число пар полюсов.

В первом случае чтобы уложить в пазы дополнительные обмотки нужно уменьшить сечение провода, а это приводит к уменьшению номинальной мощности электродвигателя. Во втором случае имеет место усложнение коммутационной аппаратуры, особенно для трёх и более скоростей, а также ухудшаются энергетические характеристики. Более подробно этот и другие способы регулирования скорости асинхронного двигателя описаны в архивном файле, который можно скачать внизу страницы.

Обычно многоскоростные двигатели выпускаются на 2, 3 или 4 скорости вращения, причем 2-х скоростные двигатели выпускаются с одной обмоткой на статоре и с переключением числа пар полюсов в отношении 2 : 1 = р2 : pt , 3-х скоростные двигатели — с двумя обмотками на статоре, из которых одна выполняется с переключением 2 : 1 = Рг : Pi , 4-х скоростные двигатели — с двумя обмотками на статоре, каждая из которых выполняется с переключением числа пар полюсов в отношении 2:1. Многоскоростными электродвигателями оснащаются различные станки, грузовые и пассажирских лифты, они используются для приводов вентиляторов, насосов и т.д.

Регулирование частоты вращения 3х-фазных асинхронных двигателей.

Частоту вращения асинхронного двигателя можно регулировать:

1. Изменением активного сопротивления в цепи ротора двигателя с фазным ротором.

В роторной цепи проходят большие токи, для которых сложно создать резисторы с непрерывно меняющимся сопротивлением. Поэтому резисторы, обеспечивающие реостатное регулирование, делают ступенчатыми, а следовательно и частоту вращения регулируют ступенчато.

При некотором Мс=const, скольжение SºRполн также увеличивается, а угловая скорость уменьшается. Способ позволяет регулировать плавно регулировать угловую скорость в широких пределах (до s=1)

2. Изменением напряжения подводимое к обмотке статора.

При некотором Мс=const, при снижении напряжения скольжение будет увеличиваться, скорость при этом будет понижаться. Регулирование скольжения возможно в пределах (0<S<Sкр ).

3. Изменением частоты питающего напряжения:

— если момент постоянный

— если постоянна мощность, то момент Ммах должен изменятся обратно пропорционально частоте вращения и следовательно f1.

Магнитный поток при различных значениях частоты f1 остается постоянным Ф=const.

4. Изменением числа пар полюсов.

Так как значение р определяется целыми числами, то переход от одной характеристики к другой в процессе регулирования носит ступенчатый характер. Существует два способа регулирования изменением числа пар полюсов.

Первый способ. В пазы статора укладываются две обмотки с разным числом полюсов. В зависимости от требуемой частоты вращения к источнику питания подключается та, или иная обмотки.

Второй способ. Обмотку каждой фазы составляют из двух частей, которые в процессе регулирования соединяют последовательно или параллельно. При этом число пар полюсов изменяется в два раза.

1. Изменение значения активного сопротивления роторной цепи двигателя с фазным ротором ( реостатное регулирование ).

Читайте так же:
Клапан редукционный для регулировки давления воды с манометром

Регулирование угловой скорости осуществляется при включении в 3 фазы ротора внешнего сопротивления.

Рис.4. Схема включения регулировочных Рис.5. Механические

резисторов. реостатные характеристики

асинхронного двигателя в двигательном режиме.

Из рис.5 следует, что чем больше сопротивление R1’ < R2’’ < R2’’’ < R2’Ú подключается к роторной цепи, тем меньшую частоту вращения развивает двигатель при том же моменте Мст.

В роторной цепи проходят большие токи, для которых сложно создать резисторы с непрерывно меняющимся сопротивлением. Поэтому резисторы, обеспечивающие реостатное регулирование, делают ступенчатыми, а следовательно и частоту вращения регулируют ступенчато.

Этот способ имеет те же недостатки, что и для двигателей постоянного тока:

а) Диапазон регулирования непостоянен и зависит от нагрузки. Жёсткость характеристик значительно снижается по мере уменьшения частоты вращения ( смотри характеристику при R2’ и R24 рис.5 ).

Регулирование асинхронного двигателя изменением напряжения подводимого к статору.

Критический момент изменяется прямо пропорционально квадрату подводимого напряжения Uф , а от него не зависит. Это определяет вид механических характеристик, соответствующих различным значениям Uф.

Рис.7. Механические характеристики асинхронного двигателя

при изменении напряжения подводимого к статору.

Как правило, регулирование осуществляется уменьшением напряжения. При этом Uф’>Uф’’>Uф’’’>Uфз критическая частота вращения ( критическое скольжение ) остаётся постоянной, а максимальный момент снижается пропорционально квадрату напряжения.

Если Мст>Мкз , двигатель не тронется с места. Поэтому необходимо запускать двигатель при номинальном напряжении, или предварительно снять с его вала нагрузку. Диапазон регулирования небольшой ( до nк ).

Для увеличения диапазона регулирования в цепь ротора вводят нерегулируемый резистор, сопротивление которого достаточно, чтобы получить критическое скольжение ( Sк=3¸4 ) рис.8. Такое регулирование в отличие от реостатного позволяет обеспечить плавное изменение частоты вращения и исключить контактную аппаратуру в роторной цепи.

Рис.8. Механическая характеристика асинхронного двигателя

при изменении напряжения подводимого к статору и включении

активного сопротивления в цепь ротора.

Регулирование асинхронного двигателя совместным изменением частоты и напряжения

Наибольший практический интерес представляет частотный способ плавного регулирования частоты вращения. Это вытекает из формулы: .

При регулировании частоты также необходимо регулировать и напряжение, что вытекает из формулы: U1»E1=4.44f1w1ф.

Если при неизменном напряжении изменять частоту, то поток будет изменяться обратно пропорционально частоте, так как при уменьшении f1 поток возрастает, то это приведёт к резкому увеличению тока и повышению температуры. При увеличении частоты поток будет уменьшаться и, как следствие, уменьшится допустимый момент.

В номинальном режиме магнитная система двигателя насыщена. При Uном допустимо только увеличение частоты питающего напряжения. Тогда, при значении частоты f1>f1ном , соответственно увеличится w0 и индуктивное сопротивление и уменьшится магнитный поток. В соответствии с уравнением для увеличение w0 и xк = x1+x2’ вызывает уменьшение критического момента ( Мкр )

Критическое скольжение Sк с увеличением xк на основании уравнения для уменьшится. Иногда, механическая характеристика при f1>f1ном , будет иметь вид ( а )( рис.10 ).

Рис.10. Механические характеристики асинхронного двигателя

при изменении частоты питающего напряжения.

В соответствии с законом Костенко — характеристики асинхронного двигателя при частотах питающего напряжения, отличных от номинальной, зависят от соотношения между напряжением сети U1 и частотой сети f1. Основной закон частотного управления имеет вид:

где М1 и U1 — напряжение и момент при частоте f1 ; U2 и М2 — то же при частоте f2.

Для того, чтобы поток Ф при увеличении ил уменьшении частоты f1 оставался постоянным, необходимо при изменении частоты кратко менять напряжение , т.е.

При соблюдении этого условия критический момент изменится: увеличится с ростом частоты и уменьшится с её снижением ( кривые б, в рис.10 ).

При Мст=const ( т.е. М1=М2 ) из закона Костенко следует , т.е. условие целесообразно для приводов, у которых Мст — const.

Если требуется поддержать режим постоянной мощности электродвигателя P2=M2w2 — const, то, так как частота вращения пропорциональна f1, получим условие M1f1=M2f2=const.

С учётом ( б, рис 10 ) , т.е. регулируемый источник переменного тока должен обеспечивать изменение U и f в таких пределах, чтобы Если же двигатель работает на вентиляторную нагрузку, т.е. М

f2 , то и питающее напряжение определяется не только частотой f1 , но и характером изменения момента статической нагрузки на валу двигателя.

Механические характеристики для рассмотренных режимов представлены на рис. 11

Рис.11. Механические характеристики асинхронного двигателя

при регулировании изменения частоты питающего напряжения.

На рис ( а ) приведена регулировочная характеристика при Мст=const; на ( б ) — при Pст=Мстw=const; на ( в ) — при Мст=var ( вентиляторная нагрузка ).

Регулирование угловой скорости двигателей, выполненных на частоту f1=50Гц, выше номинальной ( повышением частоты ) допустимо в 1.5¸2.0 раза. Указанное ограничение обусловлено прежде всего прочностью крепления обмотки ротора, а так же повышенными потерями мощности в стали статора. Регулирование скорости ниже номинальной ( т.е. понижением частоты ) ограничивается нестабильностью работы двигателя, в связи с чем диапазон регулирования Д=1:10¸1:15.

Способ регулирования угловой скорости изменением f1 позволяет получить жёсткие характеристики ( см. рис ).

Потери мощности при работе на регулировочных характеристиках не велики, так как двигатель работает не линейных участках механических характеристик при небольших значениях скольжения ( Рпэ=Мw0S ).

При наличии соответствующего преобразователя частоты можно получить любую плавность регулирования.

Читайте так же:
Как отрегулировать давление в насосе постоянного давления

Регулирование асинхронного двигателя переключением пар полюсов.

Из выражения или следует , что при изменении числа пар полюсов р получаются механические характеристики с различной частотой вращения идеального холостого хода.

Так как значение р определяется целыми числами, то переход от одной характеристики к другой в процессе регулирования носит ступенчатый характер. Существует два способа регулирования изменением числа пар полюсов.

Первый способ. В пазы статора укладываются две обмотки с разным числом полюсов. В зависимости от требуемой частоты вращения к источнику питания подключается та, или иная обмотки.

Второй способ. Обмотку каждой фазы составляют из двух частей, которые в процессе регулирования соединяют последовательно или параллельно. При этом число пар полюсов изменяется в два раза.

Дата добавления: 2018-02-15 ; просмотров: 1119 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Самый экономичный способ управления двигателями – преобразователь частоты

В промышленности свыше 60% электроэнергии потребляется асинхронными электроприводами – в насосных, компрессорных, вентиляционных и других установках. Это наиболее простой, а потому дешевый и надежный тип двигателя.

Технологический процесс различных производств в промышленности требует гибкого изменения частоты вращения каких-либо исполнительных механизмов. Благодаря бурному развитию электронной и вычислительной техники, а также стремлению снизить потери электроэнергии появились устройства для экономного управления электродвигателями различного типа. В этой статье как раз и поговорим о том, как обеспечить максимально эффективное управление электроприводом. Работая в компании «Первый инженер» (группа компаний ЛАНИТ), я вижу, что наши заказчики всё больше внимания уделяют энергоэффективности

Большая часть электрической энергии, потребляемой производственными и технологическими установками, используется для выполнения какой-либо механической работы. Для приведения в движение рабочих органов различных производственных и технологических механизмов преимущественно используются асинхронные электрические двигатели с короткозамкнутым ротором (в дальнейшем именно о данном типе электродвигателя и будем вести повествование). Сам электродвигатель, его система управления и механическое устройство, передающее движение от вала двигателя к производственному механизму, образуют систему электрического привода.

Наличие минимальных потерь электроэнергии в обмотках за счет регулирования частоты вращения двигателя, возможность плавного пуска за счет равномерного увеличения частоты и напряжения — это основные постулаты эффективного управления электродвигателями.

Ведь ранее существовали и до сих пор существуют такие способы управления двигателем, как:

  • реостатное регулирование частоты путем введения дополнительных активных сопротивлений в цепи обмоток двигателя, последовательно закорачиваемых контакторами;
  • изменение напряжения на зажимах статора, при этом частота такого напряжения постоянна и равна частоте промышленной сети переменного тока;
  • ступенчатое регулирование путем изменения числа пар полюсов статорной обмотки.

Потери неизбежны?

Остановимся более подробно на электрических потерях, возникающих в асинхронном электродвигателе.

Работа электрического привода характеризуется целым рядом электрических и механических величин.

К электрическим величинам относятся:

  • напряжение сети,
  • ток электродвигателя,
  • магнитный поток,
  • электродвижущая сила (ЭДС).
  • частота вращения n (об/мин),
  • вращающийся момент M (Н•м) двигателя,
  • механическая мощность электродвигателя P (Вт), определяемая произведением момента на частоту вращения: P=(M•n)/(9,55).

при учете которой формула приобретает вид:

Зависимость вращающего момента двигателя M от частоты вращения его ротора n называется механической характеристикой электродвигателя. Отметим, что при работе асинхронной машины со статора на ротор передается через воздушный зазор с помощью электромагнитного поля так называемая электромагнитная мощность:

Часть этой мощности передается на вал ротора в виде механической мощности согласно выражению (2), а остальная часть выделяется в виде потерь в активных сопротивлениях всех трех фаз роторной цепи.

Эти потери, называемые электрическими, равны:

Таким образом, электрические потери определяются квадратом тока, проходящего по обмоткам.

Они в сильной степени определяются нагрузкой асинхронного двигателя. Все другие виды потерь, кроме электрических, изменяются с нагрузкой менее существенно.

Поэтому рассмотрим, как изменяются электрические потери асинхронного двигателя при регулировании частоты вращения.

Электрические потери непосредственно в обмотке ротора электродвигателя выделяются в виде тепла внутри машины и потому определяют ее нагрев. Очевидно, чем больше электрические потери в цепи ротора, тем меньше КПД двигателя, тем менее экономична его работа.

Учитывая, что потери в статоре примерно пропорциональны потерям в роторе, еще более понятно стремление уменьшить электрические потери в роторе. Тот способ регулирования частоты вращения двигателя является экономичным, при котором электрические потери в роторе относительно невелики.

Из анализа выражений следует, что самый экономичный способ управления двигателями заключается в частоте вращения ротора, близкой к синхронной.

Частотно-регулируемые приводы

В обиход различных сфер промышленности, которые используют насосное, вентиляционное оборудование, конвейерные установки, объекты генерации (ТЭЦ, ГРЭС и т.п.) и др. вошли такие установки, как частотно-регулируемые приводы (ЧРП), также называемые преобразователями частоты (ПЧ). Данные установки и позволяют изменять частоту и амплитуду трехфазного напряжения, поступающего на электродвигатель, за счет чего и достигается гибкое изменение режимов работы управляющих механизмов.

Высоковольтный частотно-регулируемый привод

Конструктив ЧРП

Приведем краткое описание существующих преобразователей частоты.

Конструктивно преобразователь состоит из функционально связанных блоков: блока входного трансформатора (шкаф трансформатора); многоуровневого инвертора (шкаф инвертора) и системы управления и защит с блоком ввода и отображения информации (шкаф управления и защит).

В шкафу входного трансформатора производится передача энергии от трехфазного источника питания входным многообмоточным трансформатором, который распределяет пониженное напряжение на многоуровневый инвертор.

Многоуровневый инвертор состоит из унифицированных ячеек – преобразователей. Количество ячеек определяется конкретным конструктивом и заводом-изготовителем. Каждая ячейка оснащена выпрямителем и фильтром звена постоянного тока с мостовым инвертором напряжения на современных IGBT транзисторах (биполярный транзистор с изолированным затвором). Первоначально выпрямляется входной переменный ток, а затем с помощью полупроводникового инвертора преобразуется в переменный ток с регулируемой частотой и напряжением.

Читайте так же:
После регулировки клапанов греется двигатель

Полученные источники управляемого переменного напряжения соединяются последовательно в звенья, формируя фазу напряжения. Построение выходной трехфазной системы питания асинхронного двигателя производится включением звеньев по схеме «ЗВЕЗДА».

Система управления защиты располагается в шкафу управления и защиты и представлена многофункциональным микропроцессорным блоком с системой питания от источника собственных нужд преобразователя, устройством ввода-вывода информации и первичными сенсорами электрических режимов работы преобразователя.

Потенциал экономии: считаем вместе

На основании данных, предоставленных компанией Mitsubishi Electric, оценим потенциал энергосбережения при внедрении преобразователей частоты.

Вначале посмотрим, как меняется мощность при различных режимах регулирования двигателя:

А теперь приведем пример расчета.

КПД электродвигателя: 96,5%;
КПД частотно-регулируемого привода: 97%;
Мощность на валу вентилятора при номинальном объеме: 1100 кВт;
Характеристика вентилятора: H=1,4 о.е. при Q=0;
Полное рабочее время за год: 8000 ч.

Режимы работы вентилятора согласно графику:

Из графика получаем следующие данные:

100% расхода воздуха – 20% времени работы за год;
70% расхода воздуха – 50% времени работы за год;
50% расхода воздуха – 30% времени работы за год.

Экономия между работой под номинальной нагрузкой и работой с возможностью регулирования скорости вращения двигателя (работа совместно с ЧРП) равна:

7 446 400 кВт*ч/год — 3 846 400 кВт*ч/год= 3 600 000 кВт*ч/год

Учтем тариф на электроэнергию равным — 1 кВт*ч / 5,5 руб. Стоит отметить, что стоимость взята по первой ценовой категории и усредненному значению для одного из промышленных предприятий Приморского края за 2019 г.

Получим экономию в денежном выражении:

3 600 000 кВт*ч/год*5,5 руб/кВт*ч= 19 800 000 руб/год

Практика реализации подобных проектов позволяет с учетом затрат на эксплуатацию и ремонты, а также стоимости самих преобразователей частоты добиться срока окупаемости в 3 года.

Как показывают цифры, в экономической целесообразности внедрения ЧРП сомневаться не приходится. Однако одной экономикой эффект от их внедрения не ограничивается. ЧРП осуществляют плавный пуск двигателя, значительно уменьшая его износ, но об этом я расскажу в следующий раз.

Регулирование частоты вращения роторов трехфазных асинхронных тяговых двигателей

Как известно, частота вращения п магнитного поля статорной обмотки и частота вращения ротора п2 асинхронного трехфазного двигателя определяются соответственно как п = 60/і/рь п2 — лі(1-5) = 60^і(1-5)/рі,

где — частота напряжения, подведенного к обмотке статора; р — число пар полюсов; 5 = (пі — п2) /п- скольжение.

Используя тиристорные преобразователи, частоту вращения роторов трехфазных тяговых двигателей регулируют плавным изменением частоты напряжения, подводимого к обмотке статора.

В зависимости от вида тяговой характеристики электровоза и требуемого закона регулирования частоты вращения, т. е. М = const или Р = const, определяют необходимый закон изменения напряжения на зажимах тяговых двигателей. Для обеспечения высокой перегрузочной способности, к.п.д. и коэффициента мощности, а также для получения неизменного абсолютного скольжения тяговых асинхронных двигателей при широком и плавном регулировании скорости движения в рабочем диапазоне напряжение преобразователя должно изменяться по закону Ui/U2= VMl/M2(f/f2).

Регулирование скорости движения изменением частоты при постоянном вращающем моменте М обусловливает работу двигателя с постоянным магнитным потоком. Если же скорость движения регулируют при постоянном значении мощности, магнитный поток в двигателе изменяется обратно пропорционально изменению напряжения, а вращающий момент — обратно пропорционально частоте и квадрату напряжения. При использовании на электровозах статических преобразователей частоты практически может быть обеспечен любой режим регулирования работы тяговых двигателей.

Регулирование частоты вращения роторов трехфазных асинхронных двигателей рассмотрим на примере опытного отечественного электровоза ВЛ86 Ф . Для преобразования однофазного, напряжения в трехфазное, регулируемое по величине и частоте, используют преобразователи UZ1-UZ3 (рис. 245, а). Каждый преобразователь состоит из четырехквадрантного выпрямителя (рис. 245, б) и автономного инвертора напряжения UZB с широтно-импульсной модуляцией. Частота вращения тяговых двигателей в диапазоне частот 0-45 Гц при разгоне и торможении до заданной скорости движения и поддержании этой скорости регулируется автоматической системой управления изменением питающего напряжения и его частоты питающего напряжения, в диапазоне 45-105 Гц —

Упрощенные схемы силовой цепи опытного электровоза ВЛ86* с асинхронными трехфазными тяговыми двигателями (в) и четырехквадратиого выпрямителя с инвертором (б)

Рис. 245. Упрощенные схемы силовой цепи опытного электровоза ВЛ86* с асинхронными трехфазными тяговыми двигателями (в) и четырехквадратиого выпрямителя с инвертором (б): Т — тяговый трансформатор. LU, LIS, LIS и LIS-сглаживающие реакторы: Ml, М2 — М5 и Мб — асинхронные трехфазные тяговые двигатели; QFS — главный выключатель; KAI, К AS, КА5 и КА6 —

катушки реле защиты ослаблением возбуждения двигателя при постоянном напряжении. Каждый выпрямитель иЕв состоит из двух групп тиристорно-диодных мостов с принудительной коммутацией. В преобразователе применены тиристоры ТБ-253-800 и диоды Д4-143-800 14-го класса. Емкость конденсаторной батареи С звена постоянного тока 23,4 мФ. Электровоз ВЛ86 Ф состоит из двух однотипных шестиосных секций. На каждой секции установлено три преобразователя.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector