Енергозбереження засобами електроприводу
Енергозбереження
засобами електроприводу
РЕФЕРАТ
Пояснювальна записка до курсової роботи:
сторінок, 3 рисунки, 14 джерел.
Об’єкт розробки - електричний привід.
Мета роботи - аргументування необхідності
застосування напівпровідникових систем та доведення їх досконалості в
порівнянні з іншими способами керування.
Метод дослідження та засоби - теоретичний аналіз
за допомогою мережі інтернету та науково - технічної літератури і довідників.
Проведенно дослідження в системі частотного
керування та вибору частотного перетворювача частоти.
Результати роботи можуть бути основою для
побудови реальної системи, електричного приводу, на основі частотного
керування. Проведений повний аналіз факторів впливаючих на собівартість
модернізації, якість регулювання параметрами електродвигуна, а також відсоток
економії електричної енергії.
ЕЛЕКТРИЧНИЙ ПРИВІД, АСИНХРОННІ ДВИГУНИ ЗМІННОГО
СТРУМУ, ТИРИСТОРНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ ЧАСТОТИ, СИСТЕМА КЕРУВАННЯ, ЕКОНОМІЯ
ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ, ПЕРЕТВОРЮВАЧИ ЧАСТОТИ З ПОДВІЙНИМ ПЕРЕТВОРЕННЯМ ЕНЕРГІЇ.
ЗМІСТ
ВСТУП
.
АНАЛІТИЧНА ЧАСТИНА
.1
Характеристика об’єкта дослідження
.2
Обґрунтування мети роботи
.
ОСНОВНА ЧАСТИНА
.1
Загальні заходи щодо впровадження енергозберігаючих технологій у електроприводі
.2
Обґрунтування заходів з енергозбереження
.2.1
Особливості економії електроенергії в частотному електроприводi
.2.2
Принцип роботи перетворювача частоти та залежність економії від схеми
перетворювача
.2.3
Вплив систем керування ТПЧ на властивості електроприводу
.2.4
Особливості застосування тиристорних перетворювачів
.2.5
Тенденція розвитку частотно - регульованого привода
ВИСНОВКИ
ДЖЕРЕЛА
ІНФОРМАЦІЇ
ДОДАТОК
енергозберігаючий електропривод
перетворювач тиристорний
ВСТУП
На сьогодення енергозбереження посідає важливе
місце в кожній родині та в кожному промисловому комплексі або підприємстві.
Напротязі цієї роботи я зверну увагу на проблему застарілої промисловості,
оскільки вона потребує модернізації для заощадження коштів та підвищення
конкурентоздатності і якості виробленого товару. Відповідно до більшості
статистичних данних 60 % втрат електроенергії якраз припадає на електричні
двигуни, тому найбільшу увагу треба приділити якраз цій сфері промисловості -
модернізація структури електричних приводів.
Мета цієї роботи - довести необхідність і
актуальність заміни старих систем електричного привода на нові, які за основу
беруть напівпровідникові модулі та електростатичні перетворювачі енергії
засновані на цих модулях. Напівпровідникові технології постійно розвиваються,
але особливу увагу приділяють розвитку частотних перетворювачів енергії,
оскільки за допомогою саме їх можна здійснювати якісне і економічне регулювання
параметри асинхронного двигуна змінного струму. Проте перетворювачі, як і їх
системи керування поділяються на групи. Тому в ході виконання цієї роботи я
приділю увагу актуальності вибору тієї чи іншої системи керування або типу
перетворювача частоти, оскільки кожна з них має свої переваги і недоліки. Тому
правильність вибору залежить конкретно від ситуації і від індивідуальності
технологічного процесу в якому буде брати участь модернізований електричний
привід.
На данний час модернізація приводів з
встановленням частотних перетворювачів стає майже необхідністю, саме в
останньому розділі я приділю увагу розвитку напівпровідникових перетворювачів,
а саме системи керування. Постійно спостерігається зменшення ціни на силові
модулі IGBT. Саме через це з плином часу собівартість перетворювачів частоти
зменшується, як і період окупності, тобто актуальність модернізації с кожним
днем зростає і зростатиме надалі.
Зокрема окрім економії електричної енергії,
тобто коштів, частотні перетворювачі роблять можливим високу точність
регулювання частоти обертання валу електродвигуна, а отже і підвищують якість
технологічного процесу і одночасно знижують собівартість виробленого товару.
Окрім цього частотні перетворювачі зменшують шкідливий вплив перехідних
процесів до мінімуму і через це може йти мова про зменшення годин на
профілактично- ремонті роботи, тобто зменшиться кількість коштів на
експлуатацію електродвигуна.
1. АНАЛІТИЧНА ЧАСТИНА
.1 Характеристика об’єкта дослідження
Об’єктом мого дослідження являється
вдосконалення електричного приводу за допомогою введення напівпровідникових
пристроїв для керування електродвигуном. Вході цієї роботи основною метою буде
аргументування необхідності введення напівпровідникової продукції, а також
доведення їх досконалості в порівнянні з іншими способами керування
електродвигунами.
Сучасна проблема енергоспоживання електроприводу
загалом полягає у застарілому способі керування електродвигуна або взагалі
відсутності впливу на частоту обертання двигуна, а отже і на кількість
використовуваної енергії. Електричний привід, який використовується у сучасній
промисловості застарілий і найчастіше має досить низький коефіцієнт корисної
дії. Тому постає необхідність у модернізації структури електроприводу.
Більшість технологічних процесів потребують
необхідності зміни швидкості зупинки, подачі, пересування тощо. Тому постає
гостра необхідність в регулюванні частоти обертання. Для вирішення цієї
проблеми було знайдено досить багато способів, як для двигунів постійного
струму, так і для асинхронних, і синхронних двигунів. Я проведу аналіз способів
керування, які є на даний момент вже не актуальними, проте до сих пір
використовуються на підприємстві. Аналізуватиму способи керування для
асинхронного двигуна та двигуна постійного струму з паралельним збудженням, так
як саме ці двигуни найчастіше зустрічаються на практиці.
Способи регулювання швидкості обертання валу
двигунів постійного струму послідовного збудження:
введення додаткового опору у коло якорю. Цей
спосіб забезпечує плавне регулювання в широких межах, проте не відзначається
економічністю. Втрати електроенергії прямо пропорційні квадрату струму якоря помноженого
на опір регулюючого реостату. Тобто можна побачити, що при збільшенні
потужності електродвигуна збільшується струм якоря, тобто збільшуються втрати
при керуванні швидкістю саме таким способом;
зміна основного магнітного потоку. Цей спосіб
регулювання реалізується за допомогою введення реостату у коло збудження.
Недоліки пов’язані також з втратою на нагрів реостату, а також невеликий
діапазон регулювання.
Способи регулювання швидкості обертання валу
асинхронних двигунів:
регулювання за допомогою зміни напруги поданої
на обмотку статора. Цей спосіб реалізується за допомогою автотрансформаторів,
реакторів. Недоліками є вузький діапазон регулювання и неекономічність (
необхідність у додаткових пристроях);
регулювання за допомогою порушення симетрії
підведеної напруги. При порушенні симетрії поле статор приймає еліптичну форму,
через що частота обертання зменшується. Недоліками являється вузький діапазон
регулювання і зменшення коефіцієнту корисної дії. Втрати електричної енергії
при регулюванні даним способом прямо пропорційно залежать від потужності
двигуна. Тому цей спосіб однозначно недосконалий для двигунів середньої і
великої потужності;
регулювання за допомоги змінення активного опору
у колі ротора. Недоліки цього способу керування полягає у втраті енергії на
нагрів реостатів. Регулювання відбувається у відносно вузьких межах. Не має
плавності регулювання;
зміною кількості пар полюсів. Недоліки цього
способу керування це у першу чергу конструктивна складність виконання двигунів.
А по друге вузький діапазон регулювання.
Тобто можна побачити, що всі перераховані методи
керування, як двигунів постійного струму, так і асинхронних двигунів мають свої
недоліки. Одним з недоліків старих способів керування також є використання
електромашинних перетворювачів.
Електромашинні перетворювачі - це
електромеханічні перетворювачі енергії, які здатні змінювати величину, частоту,
фази струму. Недоліки електромашинних перетворювачі очевидні, оскільки це як
масо габаритність так і зменшення коефіцієнту корисної дії (сумарний коефіцієнт
корисної дії системи буде дорівнювати добутку окремих коефіцієнтів електричних
двигунів). Окрім цього кожен тип електромашинних перетворювачів має свої власні
типові недоліки. Наприклад, електромашинний перетворювач частоти збільшує використання
електричної енергії при збільшенні вихідної частоти, що призводить до зменшення
коефіцієнту корисної дії електромашинного перетворювача і системи
електроприводу загалом.
Недоліки використання застарілих способів
регулювання очевидні і потребують модернізації способів керування, що призвело
б до зменшення енерговитрат.
.2 Обґрунтування мети роботи
Споживання енергії завдає шкоду довкіллю.
Зрозуміло, що людство не в змозі відмовитись від сучасних технічних досягнень.
Але ми можемо не витрачати енергію даремно і цим зменшувати наш негативний
вплив на довкілля.
Розвиток України у великій мірі залежить від
розвитку енергоефективності промисловості. Сучасний етап розвитку України
характеризується гострим енергодефіцитом, оскільки потреба у використанні
паливо - енергетичних ресурсів за рахунок їх видобутку задовольняється менше,
ніж на 50%. Проте не зважаючи на те, що Україна відноситься до енергодефіцитних
країн вона має діючий, потужний, високо розвинутий електроенергетичний комплекс
із повним технологічним циклом вироблення, розподілу і збуту електричної
енергії. Україна повністю може задовольняти свої потреби в електроенергії, але
необхідність електрозбереження не зникає, оскільки, як і кожна система, система
електроенергетики має свої проблеми і недоліки.
Технічна база більшості підприємств, що
виробляють електроенергію, характеризуються застарілим і зношеним
устаткуванням. Ступінь зносу обладнання в електроенергетиці України перевищує
50 відсотків. Також однією з проблем енергосистеми України є відсутність
маневрових потужностей, які б дозволили покривати попит на електричну енергію
під час пікових навантажень. Тому питання впровадження енергозберігаючих
технологій актуальне і впровадження цих технологій може призвести до економії
великої суми коштів.
Мета цієї роботи - це модернізація структури
керування електричним приводом, з метою заощадження електричної енергії.
Підвищення енергоефективності зараз є, поряд з інформатизацією й
комп’ютерізацією, одним з основних напрямків технічної політики у всіх
розвинених країнах світу. Істотною складовою цієї проблеми є енергозбереження
електричної енергії. Енергозбереження зводиться до зниження марних витрат
енергії.
Енергозбереження - це комплекс заходів,
спрямованих на раціональне використання енергетичних ресурсів. У результаті
проведення цих заходів знижується потреба в паливо - енергетичних ресурсах на
одиницю кінцевого продукту і зменшується шкідливий вплив на навколишнє
середовище. Аналіз структури втрат у сфері виробництва, розподілу й споживання
електроенергії показує, що визначальна частка втрат, а саме до 90 відсотків,
доводиться на сферу енергоспоживання, тоді як втрати при передачі електричної
енергії становлять лише 9 - 10 відсотків. Тому основні зусилля по
енергозбереженню повинні бути сконцентровані саме в сфері споживання
електроенергії.
Основним споживачем електроенергії є
електропривод. Саме електропривод споживає більше ніж 60 відсотків від усієї
споживаної енергії. Тому саме на нього звернена головна увага світової
технічної громадськості, що працює в сфері енергозбереження.
Багато фахівців вважають, що економічний
потенціал енергозбереження в електроприводі практично вичерпний, якщо
розглядати індивідуальні компоненти електропривода, то вони вже досить
досконалі. Разом з тим залишається величезний потенціал по вдосконаленню
проектування систем і оптимізацію їхніх параметрів у цілому. Радикальний спосіб
енергозбереження в електроприводі - це перехід від нерегульованого
електропривода до регульованого. Проте більшість способів мають досить невеликий
коефіцієнт корисної дії, розгляд цих способів керування приводиться у пункті
1.1. Тому потенцій спосіб енергозбереження технічно може бути реалізований за
допомогою напівпровідникової продукції, та пристроїв побудованих на
напівпровідникових елементах, а саме регуляторами напруги та перетворювачами
частоти.
2. ОСНОВНА ЧАСТИНА
.1 Загальні заходи щодо впровадження
енергозберігаючих технологій у електроприводі
Енергозберігаючі технології - це досить
перспективний напрям розвитку енергозбереження. Економія енерговитрат може
досягатися різними способами, такими як:
досконалість вибору двигуна в нерегульованому
електричному приводі для окремого технологічного процесу. Економія очевидна,
оскільки при виборі двигуна заниженої потужності він дуже швидко вийде із
строю, а при виборі двигуна із завищеною потужністю перетворювання енергії буде
неефективним, тобто з високими втратами и низькими коефіцієнтом корисної дії,
до того ми будемо занижувати 
при використанні
асинхронних двигунів;
перехід на енергозберігаючі двигуни. Економія
досягається за допомогою збільшення маси активних матеріалів, тобто за
допомогою більш досконалої конструкції електродвигуна. Збільшення коефіцієнта
корисної дії досягає приблизно 5 відсотків. Залежність збільшення коефіцієнта
корисної дії, від збільшення
потужності і типу електродвигуна наведена на рисунку 2.1;
Рисунок 2.1 - Залежність збільшення коефіцієнта
корисної дії, від збільшення
потужності і типу електродвигуна
усунення проміжних передач. Економія
досягатиметься за рахунок усунення механічних регуляторів, таких як: варіатор,
муфта, редуктор і так далі. Оскільки коефіцієнт корисної дії системи дорівнює
добутку коефіцієнтів кожного елементу. Тобто чи менше елементів має система тим
більше її коефіцієнт корисної дії;
вибір раціональних режимів роботи і експлуатації
електроприводу. Сюди відноситься також використання синхронних компенсаторів,
для компенсації реактивної енергії. Також відноситься і введення систем
регулювання електричним приводом, оскільки при можливості регулювання частотою
обертання електричного двигуна стає можливим підтримування коефіцієнту корисної
дії на високому рівні при зміні навантаження;
вибір досконалого способу керування електричним
приводом. Аналіз технологічного процесу і визначення необхідності регулювання
та межі регулювання дозволяють обрати спосіб, який матиме найбільшу економічну
ефективність, тобто мінімальну вартість встановлення і максимально великий
коефіцієнт корисної дії. Компроміс досягається при виборі способів керування на
підставі напівпровідникової продукції. Використання перетворювачів частоти та
регуляторів напруги дає можливість максимально точного регулювання швидкості у
широких межах і забезпечує найбільший коефіцієнт корисної дії в порівнянні з
іншими способами керування та електромашинними перетворювачами.
Тобто можна побачити, що актуальним напрямом по
енергозбереженню є саме розвиток перетворювачів частоти, саме через це постійно
зростає відсоток асинхронних двигунів у порівнянні з двигунами постійного
струму. Розвиток напівпровідникової продукції доводить досконалість частотного
керування асинхронного електродвигуна.
2.2 Обґрунтування заходів з енергозбереження
.2.1 Особливості економії електроенергії в
частотному електроприводі
Асинхронний двигун з короткозамкненим ротором є
сьогодні наймасовішим і одним із найбільш надійних пристроїв для приводів
різних машин і механізмів. Але у кожної медалі є й зворотній бік. Два основних
недоліки асинхронного двигуна - це неможливість простого регулювання швидкості
обертання ротора, дуже великий пусковий струм - у п’ять разів перевищуючий
номінальний. Якщо використовувати тільки механічні пристрої регулювання, то
зазначені недоліки призводять до великих енергетичних втрат і до ударних
механічних навантажень. Це вкрай негативно позначається на терміні служби
устаткування.
Можливості, що відкриваються при використанні
перетворювача частоти в якості регулюючого пристрою для електроприводу,
виконаного на асинхронному електродвигуні, безмежні. Однією з головних
тенденцій розвитку сучасного електроприводу є використання його в цілях
заощадження енергетичних ресурсів та збереження екології. Слід зазначити, що
використання перетворювачів частоти в якості регульованого електроприводу
створює свої переваги за рахунок автоматичної зміни параметрів системи залежно
від умов роботи механізму і найбільший ефект досягається коли умови роботи
часто змінюються і межі змін досить широкі. Система регульованого
електроприводу управляється мікроконтролером з досить солідним програмним
забезпеченням, що дозволяє задавати параметри регулювання залежно від
необхідних умов роботи механізму. У цьому зв'язку розширюється область
застосування регульованого електроприводу не тільки у сферах високих
технологій, але й там, де до цього часу традиційно використовувався простий
нерегульований електропривод з асинхронним двигуном з короткозамкненим ротором.
При цьому важливим стає підвищення енергетичної ефективності існуючих
електроприводів, що дозволяють вирішувати технологічні завдання при мінімальних
витратах.
Якщо на об'єкті розташовані кілька
електроприводів, що працюють у взаємопов'язаному режимі, то доцільно розглянути
установку перетворювача в комплексі з системою управління електроприводів - так
звану станцію управління електроприводами. Типова станція управління включає в
себе:
шафа управління, в якій розміщуються комутаційна
апаратура, частотний перетворювач, додатковий програмований логічний контролер
(при необхідності вирішування складних завдань управління), апаратура захистів
і сигналізації;
датчики контрольованих параметрів і виконавчі
механізми системи управління.
Типовим прикладом такого варіанту використання
ПЧ є станція управління групою насосів, коли діапазон регулювання по витраті
змінюється в широких межах і, залежно від витрати, працює один, два або три
насоси, забезпечуючи заданий рівень тиску. Використовуючи наявні резервні
потужності вбудованого в перетворювач частоти мікроконтролера, засобами
програмного забезпечення, в станціях управління реалізована можливість
управління групою електродвигунів на два або три насоси. При цьому управління
може здійснюватися в будь-якому заданому режимі: при малих витратах заданий
тиск забезпечується автоматично регульованою роботою одного насоса, при
зростаючій витраті контролер управляє роботою комутаційної апаратури,
підключаючи другий і, при необхідності, третій насос, забезпечуючи заданий
рівень тиску, постійне регулювання, захист від гідравлічних ударів. Програмним
способом можна регулювати ресурс роботи кожного насосного агрегату з
перемиканням через задані проміжки часу.
При більш складних схемах регулювання , коли
потрібно контроль і регулювання за кількома параметрами, розробляються і
виготовляються програмовані логічні контролери на найсучасніших мікропроцесорах
фірм AtmelL, Texas Instruments, за узгодженим із замовником технічним
завданням. Застосування програмованих логічних контролерів дозволяє створювати
повністю автоматизовані об'єкти, включати їх в схеми АСК ТП, SCADA-системы, при
цьому якісно змінювати сам принцип виробництва , отримуючи при цьому
максимальний економічний ефект.
Визначення економічної ефективності, яку можна
отримати від впровадження перетворювачів частоти, є нагальною проблемою.
Споживачеві хотілося б до придбання ПЧ мати гарантії, що кошти будуть витрачені
не даремно, загальні твердження про те, що економія електроенергії складе
30-80%, вимагають підтвердження. На жаль, універсальної методики на всі випадки
застосування ПЧ немає і бути не може, так як обсяг економії залежить від багатьох
факторів характерних для даної конкретної установки.
Для оцінки економічної ефективності від
застосування перетворювачів частоти в кожному разі необхідно організувати
встановлення приладів обліку електричної енергії та провести виміри
електроспоживання до установки ПЧ і після його встановлення. Крім установки ПЧ
потрібно провести всі необхідні регулювання і настройки в роботі системи.
Найважливішим показником в конкуренції на ринку
сьогодні є співвідношення якість - ціна. Потім розглядаються і інші показники,
такі як габарити, дизайн, наявність сервісної служби тощо, але на першому місці
стоїть якість. При побудові перетворювачів частоти для асинхронних двигунів
використовуються сучасні керовані напівпровідникові прилади високої надійності
(біполярні транзистори з ізольованим затвором - IGBT - транзистори). Елементи
силової електроніки в основному і визначають сьогодні якість і цінові
показники, у структурі ціни вони становлять сьогодні до 70 % від вартості ПЧ.
Економія коштів при застосуванні частотно-регульованого
електроприводу складається з наступних складових:
економія споживання електроенергії;
використання замість двохшвидкісного
електродвигуна дешевшого одношвидкісного асинхронного електродвигуна;
збільшення міжремонтного періоду роботи
електродвигуна і як наслідок скорочення експлуатаційних витрат;
підтримання оптимального режиму роботи
установки, яке здійснюється за допомогою точного регулювання швидкості
обертання валу двигуна. При цьому досягається підвищення якості продукції та
зменшення кількості браку.
.2.2 Принцип роботи перетворювача частоти та
залежність економії від схеми перетворювача
Перетворювач частоти - це пристрій, призначений
для перетворення змінного струму ( напругу) однієї частоти в змінний струм (
напругу) іншої частоти. Вихідна частота в сучасних перетворювачах може
змінюватися в широкому діапазоні і бути як вище, так і нижче частоти живильної
мережі.
Схема будь-якого перетворювача частоти
складається із силової і керуючої частин. Силова частина перетворювачів
зазвичай виконана на тиристорах або транзисторах, які працюють в режимі
електронних ключів. Керуюча частина виконується на цифрових мікропроцесорах і
забезпечує управління силовими електронними ключами, а також рішення великої
кількості допоміжних завдань (контроль, діагностика, захист).
Перетворювачі частоти, застосовувані в
регульованому електроприводі, залежно від структури та принципу роботи силової
частини розділяються на два класи:
- перетворювачі частоти з явно вираженим
проміжною ланкою постійного струму.
- перетворювачі частоти з безпосереднім зв'язком
( без проміжної ланки постійного струму).
Кожен з існуючих класів перетворювачів має свої
переваги й недоліки , які визначають область раціонального застосування кожного
з них.
Історично першими з'явилися перетворювачі з
безпосереднім зв'язком, В яких силова частина являє собою керований випрямляч і
виконана на не замикають тиристорах. Система управління по черзі відмикає групи
тиристорів і підключає статорні обмотки двигуна до живильної мережі.
Використання не замикаються тиристорів вимагає відносно складних систем
управління, які збільшують вартість перетворювача. Даний перетворювач являється
досить істотним генератором вислих гармонік, які викликають втрати в
електричному двигуні, перегрів електричної машини, зменшення моменту.
Застосування компенсують, приводить до підвищення вартості, маси, габаритів,
зниженню коефіцієнту корисної дії системи в цілому.
Поряд з перерахованими недоліками перетворювачів
з безпосереднім зв'язком, вони мають певні переваги. До них відносяться:
практично найвищий ККД щодо інших перетворювачів
(98,5% і вище);
здатність працювати з великими напругами і
струмами, що робить можливим їх використання в потужних високовольтних
приводах;
відносна дешевизна, незважаючи на збільшення
абсолютної вартості за рахунок схем управління і додаткового обладнання.
Подібні схеми перетворювачів використовуються в
старих приводах, в нових конструкціях їх практично не розробляються. Найбільш
широке застосування в сучасних частотно-регульованих приводах знаходять
перетворювачі з явно вираженим ланкою постійного струму. Для формування
синусоїдального змінного напруги використовуються автономні інвертори. В якості
електронних ключів в інверторах застосовуються замикаються тиристори GTO і їх
вдосконалені модифікації GCT, IGCT, SGCT, і біполярні транзистори з ізольованим
затвором IGBT. Головним достоїнством тиристорних перетворювачів частоти, як і в
схемі з безпосереднім зв'язком, є здатність працювати з великими струмами і
напругами, витримуючи при цьому тривале навантаження й імпульсні впливи.
Перетворювачі частоти на тиристорах в даний час
займають домінуюче становище у високовольтному приводі в діапазоні потужностей
від сотень кіловат і до десятків мегават з вихідним напругою 3 - 10 кВ і вище.
Проте їх ціна на один кВт вихідної потужності найбільша в класі високовольтних
перетворювачів. До недавнього минулого перетворювачі частоти на GTO становили
основну частку і в низьковольтному частотно-регульованому приводі. Але з появою
IGBT транзисторів відбувся «природний відбір» і сьогодні перетворювачі на їхній
базі загальновизнані лідери в області низьковольтного частотного регулювання.
Тиристор є напівкерованими приладами: для їх
включення досить подати короткий імпульс на керуючий вивід, але для вимикання
необхідно або прикласти до нього зворотну напругу, або знизити комутований
струм до нуля. Для цього в тиристорному перетворювачі частоти потрібна складна
і громіздка система управління. Біполярні транзистори з ізольованим затвором
IGBT відрізняють від тиристорів повна керованість, проста неенергоємних система
управління, найвища робоча частота.
Біполярні транзистори з ізольованим затвором
IGBT відрізняють від тиристорів: повна керованість, проста неенергоємна система
управління, найвища робоча частота.
Внаслідок цього перетворювачі частоти на IGBT
дозволяють розширити діапазон керування швидкості обертання двигуна, підвищити
швидкодію приводу в цілому. Для асинхронного електроприводу з векторним
керуванням перетворювачі на IGBT дозволяють працювати на низьких швидкостях без
датчика зворотного зв'язку.
Застосування IGBT з більш високою частотою
перемикання в сукупності з мікропроцесорною системою управління в
перетворювачах частоти знижує рівень вищих гармонік, характерних для
тиристорних перетворювачів. Як наслідок менші додаткові втрати в обмотках і
магнітопроводі електродвигуна, зменшення нагрівання електричної машини,
зниження пульсацій моменту й виключення так званого «крокування» ротора в
області малих частот. Знижуються втрати в трансформаторах, конденсаторних
батареях, збільшується їх термін служби та ізоляції проводів, зменшуються
кількість помилкових спрацьовувань пристроїв захисту й погрішності індукційних
вимірювальних приладів.
Перетворювачі на транзисторах IGBT в порівнянні
з тиристорними перетворювачами при однаковій вихідної потужності відрізняються
меншими габаритами, масою, підвищеною надійністю в силу модульного виконання
електронних ключів, кращого тепловідведення з поверхні модуля і меншої
кількості конструктивних елементів. Вони дозволяють реалізувати більше повний
захист від кидків струму і від перенапруги, що істотно знижує ймовірність
відмов і пошкоджень електроприводу.
На даний момент низьковольтні перетворювачі на
IGBT мають більш високу ціну на одиницю вихідної потужності, внаслідок
відносної складності виробництва транзисторних модулів. Однак за
співвідношенням ціна / якість, виходячи з перерахованих достоїнств, вони явно
виграють у тиристорних перетворювачів, крім того, протягом останніх років
спостерігається неухильне зниження цін на IGBT модулі.
Головною перешкодою на шляху їх використання у
високовольтному приводі із прямим перетворенням частоти і при потужностях вище
1 - 2 МВт на даний момент є технологічні обмеження. Збільшення комутованої
напруги і робочого струму приводить до збільшення розмірів транзисторного
модуля, а також вимагає більш ефективного відведення тепла від кремнієвого
кристала.
Оскільки більшість сучасних перетворювачів
частоти побудовано за схемою подвійного перетворення, то саме вони будуть
підлягати розгляду. Вони складаються з наступних основних частин: ланки
постійного струму (некерованого випрямляча), силового імпульсного інвертора і
системи управління.
Ланка постійного струму складається з
некерованого випрямляча і фільтра. Змінна напруга мережі живлення перетвориться
в ньому на напругу постійного струму.
Силовий трифазний імпульсний інвертор
складається з шести транзисторних ключів. Кожна обмотка електродвигуна
підключається через відповідний ключ до позитивного і негативного виводів
випрямляча . Інвертор здійснює перетворення випрямленої напруги в трифазну
змінну напругу потрібної частоти і амплітуди, яке прикладається до обмоток
статора електродвигуна. У вихідних каскадах інвертора в якості ключів
використовуються силові IGBT - транзистори. У порівнянні з тиристорами вони мають
більш високу частоту перемикання, що дозволяє виробляти вихідний сигнал
синусоїдальної форми з мінімальними спотвореннями. Узагальнена структура
перетворювача частоти зображена на рисунку 2.2.
Рисунок 2.2 - Узагальнена структурна схема
перетворювача частоти
Більшість перетворювачів частоти мають подібну
структуру, тому достатньо розглянути одну принципову схему перетворювача
частоти, для того щоб мати уяву про роботу перетворювачів частоти взагалі. На
рисунку 2.3 приведена принципова електрична перетворювача частоти виконана за
схемою Ларіонова.
Рисунок 2.3 - Принципова електрична схема
перетворювача частоти
На початку схеми стоїть вимимкач Q1, яким
здійснюється включення та відключення перетворювача. Для захисту перетворювача
від великих струмів короткого замикання встановлені геркони FA. При досягненні
струму уставки геркона, він спрацьовує та дає достатній рівень живлення для
відкриття оптрона V1. Відкриття опртрона V1 зумовлює появу стабілізованої (VD2,
VD3) та випрямленної (VD1) напруги на розніманнях XP1 та XP2. Система захисту
відключає перетворювач від мережі. Для охолодження випрямляча та інвертора
передбачено два вентилятора М1 та М2.
Важливим елементом схеми є мережний реактор.
Мережний реактор виконує захисну функцію, як у відношенні самого перетворювача,
так і у відношенні мережі електропостачання. Він є двостороннім буфером між
нестабільною мережею електропостачання (провали і сплески напруги) і
перетворювачем частоти - джерелом вищих гармонік (5, 7, 11, 13, 17-ї). Вищі
гармоніки спотворюють синусоїду напруги живильної мережі, викликаючи збільшення
втрат потужності електричних машин і приладів, що живляться від мережі, а також
можуть привести до некоректної роботи електронних пристроїв, що одержують
живлення від цієї мережі. Мережний реактор для вищих гармонік має великий опір
і придушує їхній вплив на мережу електропостачання. Мережний реактор захищає
перетворювач частоти при коротких замиканнях на його виході, обмежуючи
швидкість наростання струму короткого замикання і сталий струм короткого
замикання, сприяючи успішному спрацьовуванню токового захисту перетворювача
частоти. Фірми-виробники перетворювачів частоти рекомендують установку мережних
реакторів, коли потужність джерела електроживлення 500 кВ·А і більше і
перевищує в 10 разів потужність перетворювача частоти. Або коли спотворюють
синусоїду живильної напруги споживачі типу тиристорних перетворювачів або
перетворювачів частоти великої потужності живляться від тієї ж самої мережі
електропостачання.
Випрямлення напруги здійснюється за допомогою
керованого випрямляча, виконаного за схемою Ларіонова. На відміну від схеми
Міткевича дана схема має ряд переваг, а саме:
за рівних фазних напруг середнє значення
випрямленої напруги у два рази вище;
більший коефіцієнт пульсацій, що в деяких
випадках дозволяє використовувати схему Ларіонова без фільтру;
краще використання трансформатора за потужністю.
Для обмеження швидкості зростання напруги на
тиристорах VS2, VS3, VS4, VS5, VS6, VS7 на них встановлені RC - ланцюги
відповідно R10C11, R11C12, R12C13, R13C14, R14C15, R15C16.
Хоча в даній схемі в два рази більше
напівпровідників, що збільшує її вартість, та все ж дорожче використовувати
схему Міткевича, оскільки в ній потужність трансформатора повинна бути
приблизно в два рази більша, що суттєво збільшує її ціну.
Після випрямлення напругу необхідно
профільтрувати від змінної складової. Для цих цілей встановлений згладжуючий
дросель L3, оскільки реактивні елементи мають підвищений опір змінному струму.
Згладжуючі дроселі встановлюються в ланцюг постійного струму перетворювача
частоти (дивись рисунок 1). Основне їхнє призначення - підвищення коефіцієнта
потужності перетворювача частоти. Згладжуючий дросель більш ефективно придушує 5-у
і 7-у гармоніки, а мережний дросель - 11-у і вище, тому оптимальний результат
досягається у випадку спільного використання мережного і згладжуючого дроселів.
Випрямлену напругу необхідно знову зробити
змінною, але вже з заданою частотою. Для цих цілей використовується автономний
інвертор напруги. На вході інвертора напруги встановлені конденсатори С17, С18
для виключення впливу на роботу пристрою внутрішнього опору джерела та
забезпечення комутації силових ключів при незмінній напрузі, а також зворотну
провідність у джерелі живлення.
Використовуються автономні інвертори:
у системах електропостачання споживачів змінного
струму, коли єдиним джерелом живлення є джерело напруги постійного струму
(наприклад акумуляторна чи сонячна батарея);
у системах гарантованого електропостачання при
зникненні напруги мережі живлення (наприклад для особистих потреб
електростанції для живлення пристроїв контролю, вимірювання, захисту ЕОМ);
для живлення технологічного процесу
технологічного устаткування, частота напруги якого відрізняється від
промислової частоти 50 Гц.
для частотного регулювання швидкості асинхронних
двигунів;
для живлення споживачів змінного струму від
ліній електропостачання постійного струму;
для перетворення постійної напруги одного рівня
у постійно напругу іншого рівня (конвертування напруг).
При запиранні транзисторів внаслідок зміни
полярності ЕРС самоіндукції індуктивності навантаження, струм навантаження буде
прагнути зберегти свої величину та напрямок. Для того, щоб забезпечити його
протікання, виключаючи при цьому виникнення перенапруг, транзистори VT2, VT3,
VT4, VT5, VT6, VT7 шунтують діодами відповідно VD7, VD8, VD9, VD10, VD11, VD12.
На виході інвертора всановлений моторний реактор
L3. Вихідні напруги інверторів - це послідовність прямокутних імпульсів
регульованої ширини і частоти. Швидкість наростання імпульсів напруги дуже
велика, що становить небезпеку для ізоляції електродвигунів, що живляться.
Обмеження швидкості наростання напруги, а в результаті зниження ризику
ушкодження ізоляції двигуна, досягається шляхом установки між двигуном і
інвертором моторного реактора.
Моторні реактори використовуються також для
обмеження струму короткого замикання до моменту спрацьовування захисту і
вимикання струму в ланцюзі. Найчастіше підбір відповідної індуктивності
моторного реактора є єдиною можливістю захисту вихідних транзисторів. Підбор
індуктивності моторного реактора залежить від максимальної величини струму
короткого замикання в ланцюзі.
На практиці часто двигун значно віддалений від
перетворювача частоти. Довгий кабель має велику ємність, що сприяє збільшенню
втрат потужності в перетворювачі частоти і кабелі. Моторний реактор, крім
захисту ізоляції двигуна, компенсує ємність живильної лінії, а також обмежує
гармоніки і комутаційні перенапруги в ланцюзі двигуна. У результаті двигун
менше гріється.
.2.3 Вплив систем керування ТПЧ на властивості
електроприводу
Усі перетворювачі характеризуються по способу
керування. Загалом виділяються два основних принципи керування перетворювачем
частоти.
До першого типу відноситься система скалярного
керування. Цей спосіб керування також називають частотнім керуванням, оскільки
його основною метою є формування фазних напруг на основі заданих значень
амплітуди і частоти, отриманих шляхом широтно-імпульсної модуляції інвертора.
Даний спосіб керування є найбільш простим способом реалізації частотного
керування і завдяки відносно низької вартості, широко використовується для
приводів та механізмів де не треба високої точності регулювання швидкості
електродвигуна. В першу чергу це відноситься до електроприводів насосів,
вентиляторів, компресорів. Саме ця категорія механізмів має широкий потенціал
енергозбереження, який успішно реалізується при впровадженні вказаного типу
керування перетворювачем.
До другого способу керування відноситься система
векторного керування. Цей спосіб керування забезпечує характеристики
асинхронного електроприводу близькими к характеристикам приводу постійного
струму. Ці властивості системи досягаються за рахунок розділу каналів
регулювання потокозчепленням і швидкості обертання електродвигуна, не досягаємі
при використанні векторного керування. Цей спосіб керування умовно поділяється
на дві великі групи: керування по вектору струму і керування по векторі
напруги. При побудові вказаних систем керування ТПЧ використовується векторне
представлення фізичних величин. Перетворювачі, які використовують даний принцип
керування, мають відносно велику вартість і примінюяться в механізмах з
потребою у досить точному регулюванні швидкості. Найчастіше такий спосіб
керування приміняться у приводах станків, ліфтів, кранах. Хоча при наявності
датчиків зворотного зв’язку: датчиків положення, швидкості, у більшості
випадків, з цими завданнями можуть впоратися і перетворювачі скалярного типу
керування. Проте потрібно відмітити, що у сучасності спостерігається тенденція
у відмові від датчиків, так як при наявності датчиків система керування
збільшує свою вартість і зменшує надійність. Також потрібно відзначити, що
звичайний векторний тип керування працює в діапазоні не вище 1:100, при більшій
потребі точності керування використовуються спеціальні двигуни.
Досвід роботи показує, що в переважній більшості
розв'язуваних на сьогоднішній день завдань, досить перетворювача частоти зі
скалярним принципом управління і ШІМ модуляцією інвертора, а іноді досить
використовувати пристрої плавного пуску (УПП) або, як їх ще називають, м'які
пускачі.
.2.4 Особливості застосування тиристорних
перетворювачів
Як правило, використовуються електроприводи з
великим запасом по потужності для забезпечення пікових навантажень, при цьому
тривалість пікових навантажень становить 15 - 20 % від загального часу роботи,
що призводить до низької ефективності використання електроенергії - до 40 %.
Оснащення їх частотно-регульованими електроприводами натомість нерегульованих
або вживаних в даний час механічних і гідравлічних пристроїв (варіатори,
гідроприводи, турбомуфти і індукційні муфти ковзання) дозволяє істотно знизити
споживання електроенергії. За оцінками експертів економія електроенергії при
впровадженні частотно-регульованих електроприводів становить:
компресори до - 40%;
вентилятори до - 30%;
центрифуги - 30-50%.
Частотно-регульований привід знайшов широке
застосування в різних галузях промисловості для управління роботою
технологічного і допоміжного обладнання. Найбільший економічний ефект дає
застосування ЧРП в системах вентиляції, кондиціонування і водопостачання, де
застосування ЧРП стало фактично стандартом. Основними об'єктами для
застосування ЧРП є - насоси, вентилятори, компресори.
Частотно-регульований електропривод призначений
для управління роботою всіх видів потужних насосів (помпових і відцентрових).
Він забезпечує плавний пуск насосного агрегату, що збільшує термін експлуатації
технологічного обладнання за рахунок відсутності гідравлічних ударів в трубах.
Застосування ЧРП ефективно для управління
потужними насосними агрегатами підприємств: видобутку, транспортування і
переробки нафти; комунального господарства; деревообробки; машинобудівного
комплексу.
Потужні вентилятори використовуються як
тягодуттьові механізми в котлах, як механізми вентиляції, як механізми
охолодження потужних приводних двигунів.
Застосування частотно-регульованого
електроприводу дозволяє плавно з необхідної динамікою розгону запускати вентилятор.
А можливість роботи електропривода в замкнутій системі управління за сигналами
зворотного зв'язку (датчик температури, газоаналізатор) робить можливим
регулювання частоти обертання вентилятора (регулювання його продуктивності) по
необхідності. Така оптимізація призводить до зменшення енергоспоживання,
збільшення міжремонтних циклів технологічного обладнання, зменшення кількості
чергового персоналу.
Котельні, як об'єкти комунального господарства,
розраховуються таким чином, що дозволяють забезпечити споживачів теплом у
найхолоднішу пору року. Однак, більшу частину часу потрібно навантаження значно
менше максимальної. Як правило, 95% часу котельні працюють з надлишковою
продуктивністю.
Застосування ЧРП ефективно для управління:
потужні вентилятори;
потужні насоси (мережеві, підживлюючий,
рециркуляційні, мазутні).
На базі частотних перетворювачів можуть бути
реалізовані системи регулювання швидкості наступних об'єктів:
піскові і пульпові насоси в технологічних лініях
збагачувальних фабрик;
рольганги, конвеєри, транспортери та інші
транспортні засоби; дозатори і живильники;
ліфтове обладнання;
дробарки, млини, мішалки, екструдери; центрифуги
різних типів;
лінії виробництва плівки, картону та інших
стрічкових матеріалів;
обладнання прокатних станів та інших
металургійних агрегатів;
приводи бурових верстатів, електробурів,
бурового устаткування;
електроприводи верстатного обладнання;
високообертові механізми (шпинделі шліфувальних верстатів);
екскаваторне обладнання;
кранове обладнання;
механізми силових маніпуляторів.
Системи управління на базі частотних
перетворювачів можуть мати будь-які технологічно необхідні функції, реалізація
яких можлива як за рахунок вбудованих в перетворювачі програмованих
контролерів, так і додаткових контролерів, функціонуючих спільно з
перетворювачами.
Як показують розрахунки, підтверджені реальними
умовами промислової експлуатації, термін окупності систем
частотно-регульованого електроприводу становить від 0,5 року до 2-х років і
постійно знижується у зв'язку із зростанням цін на електроенергію та
енергоносії.
2.2.5 Тенденція розвитку частотно-регульованого
привода
Розвиток способів управління тиристорним
перетворювачем. Новим напрямком у галузі розробки високоякісних систем
управління є системи з прямим управлінням моментом. Основна ідея управління
полягає в тому, що на кожному кроці розрахунку визначається оптимальний стан
інвертора напруги за значенням моменту і потоку статора, з системи виключається
широтно-імпульсний модулятор, як окрема ланка. Система реалізує векторне регулювання
швидкості, математичний апарат якого заснований на диференціальних рівняннях
динаміки асинхронного двигуна і векторних співвідношеннях. Метод однаково
коректний як для перехідних, так і для сталих процесів, що істотно підвищує
динамічний діапазон роботи системи, призводить, наприклад, до відсутності
провалів швидкості при скачках навантаження. Завдання контуру швидкості -
задати миттєве положення вектора струму, необхідне для підтримки заданої
швидкості. Завдання контуру струму - забезпечити реальний стан і амплітуду
вектора струму рівними заданим значенням.
Момент перемикання інвертора не прив'язаний до
періоду ШІМ, а залежить від реальної помилки вектора струму. Визначальним у
роботі контуру є критерій вибору стану інвертора при перемиканні і дозволяє:
мінімізувати частоту перемикань інвертора при
малій амплітуді помилки;
зменшити короткочасно виникаючу велику струмову
помилку за мінімальний час при мінімальній кількості комутацій інвертора.
Даний метод управління струмом має суттєві
переваги порівняно з ШІМ - управлінням. Він дозволяє будувати більш швидкісні
системи, миттєво реагуюючі на впливи, і одночасно розсіювати менше енергії в
силових ключах в порівнянні з методом ШІМ. Наприклад, заявлено, що привід
відпрацьовує 100 % -й стрибок завдання на момент за час, що не перевищує 2 мс,
що є природним межею асинхронного двигуна. У більшості випадків ПЧ з таким
типом управління дозволяє відмовитися від датчика швидкості, так як вбудований
обчислювач швидкості оцінює частоту обертання валу двигуна 40000 разів в
секунду з точністю 2 об/хв.
Зниження вартості IGBT-транзистори, і
перетворювачі частоти стануть ще більш доступними для споживачів, масштаби їх
впровадження же в найближчі роки стануть масовими, як показує досвід
високорозвинених країн.
ВИСНОВКИ
Модернізація застарілих структур електричного
приводу, зменшення кількості механічних передач та взагалі елементів в
структурі приводу веде к підвищенню коефіцієнта корисної дії, тобто к
мінімалізації витрат за електроенергію. У зв’язку з постійним розвитком як
важкості технологічних процесів так і розвитком напівпровідникових структур,
способів керування їми модернізація постає як реальність. Розглядаючи недоліки
застарілих способів керування - реостатне, введення механічних перетворювачів
(варіаторів), можна побачити досконалість напівпровідникових систем.
Розглядаючи ряд факторів, які впливають на
економічну актуальність модернізації можна побачити, що енергозбереження при
модернізації за допомогою тиристорних перетворювачів частоти з кожним роком стає
все більш і більш актуальнішим. На сучасному етапі спостерігається постійні
дослідження і іновації у сфері системи керування тиристорним перетворювачем.
Тому розглянута система перетворювача, яка вже майже близька до досконалості,
має коефіцієнт корисної дії до 98,6 %, ще розвивається і розвиватиметься
надалі.
ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ
<http://ru.wikipedia.org/wiki>
<http://vfd.com.ua/>.info
<http://e-audit.ru/chrp/>
<http://www.optimele.ru/info/381/>
<http://akn.com.ua/226.html>://www.ngpedia.ru/id389698p1.html
<http://leonardo-energy.ru/archives/tag/chastotnoe-regulirovanie-elektroprivoda>
<http://tsdservice.com.ua/our-articles/85-chastotnyy-preobrazovatel-i-vhodnaya-set-pitaniya.html>
<http://www.promautomatic.ru/MICROMASTER.html>://elektroas.ru/effektivnyj-metod-regulirovaniya-chastotnyj-preobrazovatel
<http://www.privod.su/privod>
<http://zpmmk.com/komplekt/elektrooborydovanie/cshastotniyprivod>://reductor58.ru/chastotnye-preobrazovateli/chastotny-preobrazovatel-hyundai