Инженерное проектирование. конспект лекций. Конспект лекций гомель 2013 2 введение в качестве объекта проектирования для специальности "Автоматизиро ванный электропривод" могут быть устройства
 Скачать 356.08 Kb.
|
|
ЭП – оператор» является обеспечение эффек- тивности управления и высокой производительности труда. Т.о. необходимо выявить условия, сводящие к минимуму ошибочную интерпретацию информа- ции, неправильную выработку решения и неверные действия оператора. Это достигается: во-первых, ограничением информационного обмена в системе ма- шина-человек, с учётом психофизических возможностей последнего (осознан- ная обработка информации составляет 10-20 бит за сек и время сенсорно- моторной реакции, т.е. время от получения информации до получения реакции не менее 100 мс); во-вторых, обеспечением внешних условий, не приводящих к уменьшению реакции и способности принятия решения длительное время. Ис- ходя из этого при подготовки ТЗ уточняются и согласовываются следующие вопросы: 1. Порядок включения приводов, раздельно или группами и места вклю- чения. 2. Необходимость аварийного отключения и места подачи сигналов. 3. Необходимость аварийного электроснабжения и порядок переключе- ния. 4. Необходимая информация для обслуживающего персонала и регистра- ции с целью эффективного контроля за процессом и быстрого определения ава- рийной ситуации. 5. Необходимые операции персонала в аварийных ситуациях. 6. Вид аварийных сигналов. 7. Случаи вмешательства персонала с регистрацией или протоколом. 8. Требования техники безопасности и мероприятия, исключающие слу- чайные или не квалифицированные действия оператора. 1.5. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭП При анализе энергетики разомкнутых систем ЭП для оценки энергети- ческой эффективности используют коэффициент мощности cosφ и КПД, опре- деляемый отношением мощности на рабочем механизме P po , к мощности по- требляемой из сети Р 1 : 1 РО ЭП P P = η Анализируя так же зависимость КПД от нагрузки для основных элемен- тов ЭП можно получить информацию для сравнительной оценки вариантов электроприводов. При практических расчетах известны КПД П η преобразовате- ля с мощностью на выходе П P , КПД ЭД η двигателя с мощностью на выходе ЭД P , КПД механических передач МП η , а КПД системы: ) ( ) ( ) ( ЭД РО П ЭД 1 П МП П ЭД ЭП P P P P P P ⋅ ⋅ = η ⋅ η ⋅ η = η При изменениях нагрузки приведенное соотношение представляют мгновенные значения. Если на отдельных участках энергия направлена от ра- 13 бочего органа к двигателю, то КПД представляет эффективность обратного преобразования энергии и определяется: РО 1 ' ЭП P P = η При выборе системы электропривода для механизма непрерывного дей- ствия со стабильной нагрузкой достаточной информацией для оценки энергети- ческой эффективности будут значения cosφ и КПД, определенного по указан- ным соотношениям. Но для большинства механизмов в процессе работы нагрузка меняется и от мгновенных значений cosφ и КПД переходят к инте- гральным или средним значениям. При циклической нагрузке базой для расчета энергетических показателей служит время цикла t ц. При этом КПД ЭП опреде- ляется через отношение совершенной полезной работы механизмом к потреб- ленной энергии из сети за тоже время: ∫ ∫ = = ц ц t t po ро ср эп dt t P dt t P W А 0 1 0 1 ) ( ) ( η Разбивая график работы на участки с постоянной нагрузкой можно пред- ставить: ∑ ∑ ⋅ ⋅ = i i i i i i po ср эп t P t P 1 η где i – номер рабочего участка. Разделив числитель и знаменатель на время цикла, можно записать: ср ср ро ср эп Р Р 1 = η Подобная оценка энергетической эффективности достаточно достоверна при реактивной нагрузке и позволяет выбрать пути повышения эффективности. Пример: Проектируется нерегулируемый электропривод для перемежающегося режима S6, когда участки номинальной нагрузки чередуются с участками х.х. Двигатель выбран правильно по нагреву и в периоды нагрузки он загружен свыше 100%. При продолжительности нагрузки ПН=25% для короткозамкнуто- го АД в течении 70% времени цикла он потребляет в основном реактивный ток. В результате среднее значение коэффициента мощности и КПД будут иметь достаточно низкие значения. Потери в стали пропорциональны квадрату маг- нитного потока, а в меди – квадрату тока. Причем магнитный поток и реактив- ный ток практически пропорциональны напряжению статора. В результате, од- ним из способов повышения эффективности будет ступенчатое уменьшение напряжения на обмотках на участках холостого хода, т.е. при напряжении сети U c =380 В выбирается двигатель c номинальным напряжением U н = 660/380 В. При переключении с треугольника на звезду в начале участка холостого хода. Однако при окончательной оценке следует учитывать потери в динамических режимах и может оказаться, что существенное улучшение не будет достигнуто 14 (если при набросе нагрузки скольжение становится больше критического s>s k или время переходных процессов соизмеримо с временем цикла). Вторым вариантом является непрерывное регулирование напряжения в системе ТПН-АД, как в разомкнутой, так и в замкнутой системе. Причем, в по- следнем случае можно оптимизировать систему управления по минимуму по- терь, минимуму потребляемого тока или потребляемой мощности. Недостатком этого варианта будет значительное снижение коэффициента мощности из-за работы в зоне прерывистого тока. В результате основные пути повышения энергетической эффективности электропривода: 1. Правильный выбор двигателя по мощности. 2. Применение специальных энергосберегающих двигателей. 3. Оптимизация электропривода по минимуму потерь. Энергосберегающие двигатели имеют более высокие значения КПД и cosφ за счет увеличенной металлоемкости. В результате они имеют более высо- кую стоимость и целесообразно их применять для механизмов непрерывного действия с мало изменяющейся нагрузкой. 1.6. ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГЕТИКИ ВЕНТИЛЬНЫХ ЭП Для регулируемых ЭП применяют управляемые преобразователи 2-х ти- пов: 1. Электромашинные. 2. Статические. С точки зрения энергетики они состоят из 2х узлов: 1. Устройство согласования с сетью (УС); 2. Непосредственно сам преобразователь напряжения, тока или частоты. В электромашинных в качестве УС используется приводной СД или АД. В статических - трансформатор или реактор. Сам преобразователь в электро- машинном представляет собой синхронный генератор или генератор постоян- ного тока. В статических это ТП, ШИП или АИ (автономный инвертор), НПЧ. КПД электрической машины и трансформатора примерно одинаковы, а показатели реактора и статического преобразователя значительно выше, чем у электромашинных. Так, даже при полной загрузке, система ТП-Д (с трансфор- матором) позволяет экономить 7% электроэнергии и имеет в 3 раза меньшие потери в преобразовательном агрегате. Однако оценку энергетической эффек- тивности вентильных электроприводов следует проводить с учетом негативных воздействий проявляющихся как внутри электропривода так и в системе элек- троснабжения, вызванных дискретным принципом преобразования и регулиро- вания напряжения. Внутри ЭП с преобразователями с естественной коммутацией (ТП, ТПН, НПЧ) формы тока и напряжения зависят от пульсности преобразователя, угла регулирования α, индуктивности нагрузки и ЭДС вращения. При возрастании α, возрастает амплитуда пульсаций тока относительно заданного или среднего 15 значения и расширяется зона прерывистого тока. А в системе ТПН-АД регули- рование происходит только в этой зоне. Всё это имеет следующее практическое значение: 1. Полезную работу определяют средний ток для ДПТ или первая гармо- ника для АД. Пульсации тока для ДПТ и для АД высшие гармоники тока вызы- вают дополнительные потери в меди, что требует либо их ограничения, либо завышение типоразмера двигателя. 2.Режим прерывистого тока для быстродействующих приводов с преци- зионным регулированием может вызвать недопустимую неравномерность дви- жения исполнительного механизма. Для уменьшения пульсаций и ограничения зоны прерывистых токов можно использовать сглаживающий реактор или увеличить пульсность преоб- разователя. Однако для приводов средней и большой мощности главные энергетиче- ские проблемы связаны с питающей сетью. В отдельных случаях качество энер- гопотребления может оказать решающее влияние на выбор систем электропри- вода. Негативные явления в системе электроснабжения вызваны фазовым принципом управления и несинусоидальностью напряжения и тока. Если определить потребляемые активную мощность Р и эффективное значение тока I 1 , напряжение сети U 1 , то можно рассчитать составляющие оценки качества энергопотребления. Полная мощность, т.е. активная максимальная мощность, которую мог бы потреблять ЭП при отсутствии сдвига (между напряжением и током) и высших гармоник: 1 1 3 I U S ⋅ ⋅ = Среднее значение активной мощности за цикл a I U P 1 1 3 ⋅ ⋅ = , где I 1а – активная составляющая потребляемого тока. Полная реактивная мощность: 2 2 P S D − = Полная реактивная мощность сдвига, определяемая выражением: 2 2 T D Q − = где Т- реактивная мощность искажения, обусловленная взаимодействием высших гармоник тока с ЭДС источника питания сети. Реактивной мощности сдвига, соответствует реактивной мощности ) sin( 3 ϕ ⋅ ⋅ ⋅ = I U Q при синусоидальном токе и напряжении. Эту мощность определить без специальных приборов невозможно, по- этому на практике используют следующий подход: принимая, что напряжение синусоидально, угол сдвига фазы первой гармоники для преобразователей с естественной коммутацией определяет как: 16 2 ) 1 ( 1 γ α ϕ + = Реактивная мощность сдвига определяется только первой гармоникой то- ка: ) 1 ( 1 ϕ tg P Q ⋅ = И теперь реактивная мощность искажения: 2 2 Q D T − = В соответствии с таким подходом можно найти активную составляющую первой гармоники тока: 1 ) 1 ( 1 3 U P I а ⋅ = и эффективное значение тока первой гармоники: ) 1 ( 1 ) 1 ( 1 ) 1 ( 1 cos ϕ a э I I = Для оценки качества энергопотребления используют следующие коэффи- циенты: Коэффициент мощности: 2 2 2 T Q P P S Р К м + + = = Коэффициент сдвига, характеризующий соотношения активной мощно- сти и реактивной мощности сдвига: 2 2 2 Q P P К c + = Коэффициент искажения: 2 2 2 2 2 T Q P Q Р K И + + + = Коэффициент мощности, характеризующий эффективность энергопо- требления или степень использования полной мощности загружающей сеть: И с М К К К ⋅ = При несимметрии электропотребления по фазам вводится коэффициент несимметрии: 2 2 2 2 S T Q Р К Н + + = И тогда коэффициент мощности представляется тремя множителями: Н И с М К К К К ⋅ ⋅ = Таким образом, вентильные преобразователи вызывают дополнительные составляющие мощностей, которые отрицательно влияют на сеть. При низком 17 значении К М сеть загружается реактивным током первой гармоники и высшими гармониками тока. Для ЭП эти реактивные составляющие практически полно- стью несут активную мощность. Для сети реактивная составляющая вызывает дополнительные потери активной мощности в сопротивлениях сети. Высшие гармоники тока при увеличении числа и мощности вентильных ЭП (когда их мощность становится соизмеримой с мощностью питающего трансформатора), могут вызвать искажение напряжения в сети и резонансные явления в конден- саторах, используемых для компенсации реактивной энергии. Рассмотрим особенности выбора системы ЭП с учетом качества энерго- потребления с учетом отмеченного выше. Пример. Выбирается система ЭП постоянного тока. Возможны альтер- нативные решения: ТП-Д и Г-Д. Во втором варианте в качестве приводного ЭД используется синхронный двигатель с тиристорным возбудителем. Управления генератором производится также от тиристорного возбудителя, а сам генератор может допускать форсировку по возбуждению до 10-ти кратного значения: 10 max ≤ = Вн В ф U U α В этом случае по быстродействию и точности регулирования системы со- измеримы. Однако система Г-Д в несколько раз дороже. Используя автомати- ческое регулирование возбуждения СД можно получать соsφ в системе элек- троснабжения близким по значению к 1. Кроме того, в системе ТП-Д при пуске α имеет большое значение и происходит наброс реактивной энергии на сеть. За счёт больших пульсаций тока в сеть поступают высшие гармоники. Если мощ- ность преобразователя и трансформатора сети соизмеримы, то требуется ста- вить фильтро-компенсирующее устройство, т.е. ещё один преобразователь. При работе на низких скоростях когда М С = соnst система ТП-Д потребляет такой же ток как и на большой скорости. В системе Г-Д ток будет определяться мощ- ностью на валу двигателя и потерями в машинах, т.е. будет значительно ниже. Поэтому выбор системы не ясен. Если ЭП большой мощности и соизмерим по мощности с питающей сети, то представляется разумным не порождать энерге- тических проблем и выбрать систему Г-Д. Если мощность сети значительно больше мощности ЭП, то однозначно можно выбрать систему ТП-Д. 18 ОСНОВНЫЕ ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ: 1. Выбор системы с лучшими характеристиками энергопотребления. 2. Введение в состав ЭП фильтро-компенсирующих устройств. 3. Во многомостовых преобразователях использовать несимметричные законы фазоимпульсного управления для уменьшения наброса реактивной электроэнергии. 4. Применение управляемых преобразователей с искусственной коммута- цией на транзисторах или запираемых тиристорах с нерегулируемыми филь- трами высших гармоник. Первый путь принято считать главным, поэтому рассмотрим особенности регулируемых ЭП переменного тока, имеющих больше вариантов систем. Системы: ТПН-АД (с тиристорно-тиристорными коммутаторами, т.е. два тиристора в каждую фазу) НПЧ-АД, ПЧ-АД (АИН, АИТ) - с амплитудным регулированием напря- жения или тока. Все эти системы имеют те же недостатки что и тиристорный привод постоянного тока. ТПН-АД с диодно-тиристорными коммутаторами имеют несколько луч- шие показатели по отношению к сети, но худшие регулировочные свойства. АВК (асинхронно вентильный каскад) в данной системе для преобразо- вания энергии скольжения используется инвертор, ведомый сетью, мощность которого определяется глубиной регулирования. И Вп Основной поток мощности приходится на статор двигателя и при неглу- боком регулировании D≤5 показатели энергопотребления достаточно высокие. Система ПЧ-АД (АИН) АИН с широтно-импульсным регулированием напряжения имеет наибо- лее высокие показатели качества. В этой системе промежуточная цепь постоян- ного тока запитывается от сети через неуправляемый выпрямитель и реактив- ная мощность сдвига определяется только процессами коммутации. При несу- щей частоте свыше 5 кГц дополнительные потери в двигателе практически от- сутствуют, т.е. форма тока представляет синусоиду. При питании двигателя че- 19 рез длинный кабель возникают дополнительные потери за счет паразитных ём- костей. Для их исключения используют синусно-косинусные фильтры. Подоб- ная система имеет один недостаток – отсутствие рекуперации энергии. В тор- мозных режимах энергия от двигателя сбрасывается на емкостной фильтр Напряжение на конденсаторах возрастает и входной выпрямитель запирается. Для исключения перенапряжения отключают инвертор или параллельно емко- сти ставится так называемый тормозной резистор. В последнем случае для дви- гателя реализуется динамическое торможение, но оно энергетически не эффек- тивно и наиболее целесообразная область применения таких систем это маши- ны и механизмы непрерывного действия с реактивной нагрузкой. На практике имеются примеры использования для активной нагрузки (т.е. механизмов подъ- ема). Для рекуперации энергии параллельно выпрямителю включается инвер- тор ведомый сетью, работающий с постоянным углом открывания, а качество энергопотребления при этом снижается. Когда вместо неуправляемого выпря- мителя устанавливается реверсивный ТП, то система становится неконкуренто- способной по сравнению с Г-Д или Т-П. 1.7. НАДЕЖНОСТЬ ЭП С точки зрения эксплутационных показателей надежность занимает до- статочно высокое место. ЭП представляет собой многокомпонентное устрой- ство. Даже в простейшую разомкнутую систему входят: автоматы, командные аппараты и т.д. В результате даже самые незначительные повреждения (окис- ление контактов, ослабление контактных соединений) могут вызвать отказ в работе ЭП и простой технологического оборудования. Чем больше в системе элементов и узлов, тем больше вероятность отказа. Так, переход от системы Г- Д к системе ТП-Д, от суммирующих магнитных усилителей к микроэлектрон- ной базе с большим количеством элементов обострил проблему из-за относи- тельно низкой надежности полупроводниковых приборов. При проектировании предопределение надежности может базироваться только на эксперименталь- ных данных о надежности каждого элемента. Во время экспериментальных ис- следований проводят наблюдение за работой представительных групп одно- типных элементов в течение единицы времени. При этом, во первых, собирают статистическую информацию о возникающих нарушениях, а во вторых, обра- батывают ее с целью получения достоверных вероятностных оценок парамет- ров случайного процесса. Окончательно оценку надежности самого ЭП дают статистические данные, полученные в ходе эксплуатации. Оценка надежности устройства ЭП базируется на 3х основных свой- ствах: безотказность, восстанавливаемость и ремонтопригодность. При рас- смотрении обозначим термином “работоспособность” состояние, при котором устройство выполняет требуемые функции при заданных технических показа- телях, а “отказом” – нарушение работоспособности. Безотказность – это свойство ЭП или его элемента сохранять работоспо- собность в течении некоторого времени работы, так называемой “наработки”. Элементы ЭП можно разделить на основные и дополнительные. Отказ основ- 20 ных приводит к отказу всего устройства, а дополнительные в том или ином ва- рианте используются как резервные. Показателями безотказности элементов считают: вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, средняя наработка до отказа. Вероятность безотказной работы, которая представляет собой вероят- ность того, что в пределах заданной наработки Тз отказа элемента не возник- нет. Статистическая оценка: N m N R − = * где N- число наблюдаемых элементов; m-число отказов элементов за время Тз. Интенсивность отказов – плотность условной вероятности отказа элемен- та при условии, что до момента времени t отказ не возник. Оценка: t N t n t ∆ ⋅ ∆ = ) ( λ где n(∆t)-число отказов за время ∆t; N t - число работоспособных элементов к моменту времени t. Средняя наработка на отказ Т ср , представляет собой математическое ожи- дание наработки элемента до первого отказа. Для ЭП на практике рекомендована экспоненциальная модель распреде- ления времени безотказной работы элементов. При этом параметр потока отка- зов Λ, численно равный сумме интенсивности отказов N основных элементов: ∑ λ = Λ N i 1 Остальные показатели - восстанавливаемость и ремонтопригодность, представляющие собой взаимосвязанные свойства ЭП определяют время вос- становления работоспособности. Под восстанавливаемостью понимают воз- можность восстановления работоспособности за счёт ремонта в составе уста- новки. Ремонтопригодность оценивает приспособленность устройства к обнару- жению и устранению повреждений, вызвавших отказ, т.е. условия восстановле- ния работоспособности путём ремонта. Соответственно различают устройства и элементы: - невосстанавливаемые и неремонтируемые, подлежащие замене новыми (контакторы, тиристорные модули); - невосстанавливаемые в месте установки ЭП, но ремонтируемые в ста- ционарных условиях(ЭД, трансформаторы), которые можно заменить резерв- ными; - подлежащие ремонту на месте установки в условиях простоя рабочей машины. ЭП в целом восстанавливаемая система, т. е. ремонтируемая. И время простоя рабочей машины определяется временем восстановления работоспо- собности и дополнительным временем на вызов и ожидания ремонтного персо- нала. 21 Одним из основных путей повышения надёжности является выбор устройства с комплектующими, имеющими максимальную наработку на отказ Т ср . Второй путь для уменьшения времени восстановления работоспособности это применение блоков и узлов, невосстанавливаемых на месте установки, а за- меняемые на резервные. |