Электрический привод. Реферат по дисциплине Электрический привод на тему Принципы построения многодвигательных электроприводов (ЭП)

• Название: Реферат по дисциплине Электрический привод на тему Принципы построения многодвигательных электроприводов (ЭП)
• Анкор: Электрический привод
• Дата: 10.05.2022
• Размер: 402.5 Kb.
• Имя файла: Birulin_SI_ZEEd-117 (1).docx
• Тип: Реферат; #521153

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(ВлГУ)

Институт архитектуры, строительства и энергетики

Кафедра «Электротехника и электроэнергетика»

РЕФЕРАТ

по дисциплине:

«Электрический привод»

на тему

«Принципы построения многодвигательных электроприводов (ЭП)».

Выполнил:

студент группы ЗЭЭд-117

Бирюлин С.И.

Проверил:

к.т.н., доцент

Максимов Ю.П.

Владимир 2022

Содержание

Введение 3

1.Общие понятия об электроприводе 4

2.Основные принципы 7

2.1.Примеры структур вариантов силовой части ЭП 9

3.Создание автоматизированных электроприводов механизмов, машин и комплексов на базе типовых средств…………………………………………..14

3.1 Общие вопросы расчёта, выбора и проектирования автоматизированных ЭП................................................................................16

4 Инжиниринг электроприводов…………………………………………….....24

4.1 Классификация электроприводов……………………………………………………………...…24

4.2 Современные электроприводы в минерально – сырьевой промышленности России ………………………………………..……………..26

4.3 Способы построения структуры ПЧ многодвигательного ЭП, их недостатки и преимущества…………………………………………………....28

Список литературы …………………………………………………………….36

Введение

Бурный технический прогресс в области электротехники и электроники, наблюдающийся в последние годы, привел к существенным изменениям в теории и практике электрического привода. Эти изменения, прежде всего, касаются создания новой элементной базы и технических средств автоматизации, быстрого расширения областей и объемов применения регулируемого электропривода, в целом, и многодвигательных электроприводов в частности.

Электрический привод (ЭП) играет большую роль в реализации задач повышения производительности труда в разных отраслях народного хозяйства, автоматизации и комплексной механизации производственных процессов. Около 70 % вырабатываемой электроэнергии преобразуется в механическую энергию электродвигателями, которые приводят в движение различные станки и механизмы. Современный ЭП отличается широким разнообразием применяемых средств управления – от обычной коммутационной аппаратуры до ЭВМ, большим диапазоном мощностей двигателей, диапазоном регулирования скоростей до 10000:1 и более, применением как тихоходных, так и сверхскоростных ЭД.

Электрический привод является единой электромеханической системой, электрическая часть которой состоит из электродвигательного, преобразовательного, управляющего и информационного устройств, а механическая часть включает в себя все связанные движущиеся массы привода и механизма.

1. 
   Общие понятия об электроприводе
   

В настоящее время индивидуальный ЭП - это основной тип промышленно используемого электропривода. Но не единственный. В ряде производственных механизмов находит применение взаимосвязанный электропривод - это "два или несколько электрически или механически связанных между собой электроприводов, при работе которых поддерживается заданное соотношение их скоростей и (или) нагрузок и(или) положения исполнительных органов рабочих машин".

Этот тип электропривода объединяет два вида электроприводов многодвигательный ЭП и электрический вал.

Многодвигательный электропривод - "электропривод, содержащий несколько электродвигателей, механическая связь между которыми осуществляется через исполнительный орган рабочей машины". Подобный электропривод в ряде случаев позволяет снизить усилия в рабочем органе, распределить их в механизме более равномерно и без перекосов, повысить надежность и производительность установки.

Многодвигательный электропривод применяется в шахтных подъемниках.

Электрический вал – "взаимосвязанный электропривод, обеспечивающий

синхронное движение двух или более исполнительных органов рабочей машины, не имеющих механической связи". В качестве примера можно привести приводы шлюзов и длинные конвейерные линии.

ЭП является основой автоматизации технологических объектов в промышленности, сельском хозяйстве, космосе, реализуя важнейшую задачу современности – повышениепроизводительности труда.

В настоящее время для электропривода характерна тенденция использования энергосберегающих технологий. К традиционным системам, позволяющим возвращать энергию в сеть (этот процесс называется рекуперацией), таким как система генератор- двигатель, электрический каскад (регулируемый ЭП с АД с фазным ротором, в котором энергия скольжения возвращается в электрическую сеть), электромеханический каскад (регулируемый ЭП с АД с фазным ротором, в котором энергия скольжения преобразуется в механическую и передается на вал ЭД), происходит массовая замена нерегулируемого электропривода на регулируемый. Как следствие этого, конструкция ЭП становится без редукторной, что повышает общий КПД привода. Прогресс в области конструирования преобразовательной техники, в частности, для преобразователей частоты стимулирует замену двигателей постоянного тока и синхронных ЭД на более дешевые и надежные асинхронные ЭД с коротко замкнутым ротором.

Если рассматривать электродвигательные установки с позиций теории

электропривода, то, как объект изучения это электромеханическая система, являющаяся совокупностью механических и электромеханических устройств, объединенных общими силовыми электрическими цепями и (или) цепями управления, предназначенная для осуществления механического движения объекта. В электроприводе в единое целое объединяется три части: механическая часть, электрический двигатель и система управления.

Механическая часть включает все движущиеся элементы механизма – ротор двигателя РД, передаточное устройство ПУ, исполнительный механизм ИМ, на который передается полезный механический момент Ммех.

В электродвигательное устройство входят: электромеханический реобразователь энергии ЭМП, преобразующий электрическую мощность в

механическую, и ротор двигателя РД, на который воздействует электромагнитный момент М двигателя при частоте вращения (угловой скорости) ω.

Система управления (СУ) включает в себя энергетическую часть ЭСУ и информационную часть ИСУ. На ИСУ поступают сигналы от задающих устройств ЗУ и датчиков обратной связи DOC.

Наряду с обеспечением движения исполнительных органов электропривод одновременно выполняет и разнообразные функции по автоматизации технологических процессов и операций. Большинство может быть решено только с применением автоматизированного электропривода, в котором используются самые последние достижения электроники, автоматики, электромеханики и электромашиностроения.

2. Основные принципы управления группой электроприводов
Большинство промышленных регулируемых ЭП может быть объединено в группы. Принципиально в группы могут объединяться ЭП любых механизмов, расположенных в одном месте и имеющих общий график работы. Это многодвигательные ЭП, связанные обрабатываемым материалом (бумагоделательные машины), независимые регулируемые ЭП  производственных агрегатов, связанные единством технологической цели (экскаваторы), независимые регулируемые однотипные ЭП многошпиндельных агрегатов (намоточные устройства), ЭП однотипных  производственных машин, расположенных в одном цехе (прядильные машины).

Для питания и управления двигателями представляются целесообразными следующие варианты структуры силовой части:

а) неуправляемый выпрямитель (НВ); С-фильтр(Ф); прерыватель (П); циклоинверторы (ЦИ) (циклоинвертор-преобразователь импульсного напряжения в переменное синусоидальное напряжение с регулируемыми частотой и амплитудой); асинхронные двигатели (АД);

б) НВ; Ф; широтно-импульсный регулятор напряжения (ШИР) или частотно-импульсный регулятор мощности (ЧИР); двигатели постоянного тока (ДП);

в) НВ; Ф; преобразователь частоты (ПЧ); АД или вентильные двигатели (ВД).

Возможны смешанные структуры, сочетающие в одной группе АД, ДП, ВД и соответствующие им преобразователи.

Для большинства промышленных механизмов тормозные режимы отдельных ЭП в структурах с НВ протекают консервативно за счет перетока энергии торможения в другие приемники через С-фильтр.Для редких случаев общего торможения, когда не хватает поглощающей способности  системы, используются устройства сброса энергии. Лишь для ЭП, длительно работающих в рекуперативном режиме, следует использовать зависимый инвертор, подключаемый к С-фильтру параллельно НВ через быстродействующий ключ.

2.1 Примеры структур вариантов А и Б

Рассмотрим некоторые структуры вариантов А и Б на конкретных примерах.

Для ЭП переменного тока (вариант А) разработана система частотного управления группой АД (рис. 1), состоящая из общего НВ с фильтром, групповых прерывателей П и индивидуальных преобразователей импульсного напряжения в переменное — циклоинверторов. В системе НВ-П-ЦИ трехфазное напряжение промышленной частоты выпрямляется, фильтруется, затем превращается в импульсное со строго определенными периодами повторения и шириной импульса; далее эти импульсы распределяются по фазам АД.

Выходная частота ЦИ регулируется набором нужного количества этих импульсов в полупериоде выходного напряжения, а значение напряжения — задержкой включения тиристоров ЦИ относительно фронта импульсов прерывателя.

Для систем постоянного тока (вариант Б) разработана простая и надежная схема ЭП намотки, получившая эффективное применение в кабельной промышленности. Автоматическое поддержание натяжения наматываемого материала при постоянстве линейной скорости и изменяющемся диаметре намотки фактически соответствует регулированию с постоянством мощности.


Рисунок 1. Система частотного управления группой АД

Принципиальная схема многодвигательного ЭП приведена на рис. 2,а. Схема состоит из общего источника питания НВ и LфСф–фильтра, а такжевентильно-конденсаторныхпреобразователей по числу приемных катушек, обеспечивающих дозированную передачу энергии от конденсатора Скк двигателю.

На тиристор VS поступает отпирающий импульс от задающего генератора ЗГ. Тиристор открывается, конденсатор Ск заряжается до напряжения, приближающегося к значению 2U, и затем начинает разряжаться. При токе разряда, равном току якоря, тиристор закрывается. Конденсатор разряжается на якорь двигателя. Двигатель получает питание практически только от конденсатора Ск. Энергия конденсатора при одиночном импульсе и заряде от нуля до напряжения 2U без учета потерь в элементах схемы Wc= 2CU2. Изменяя количество импульсов в секунду fи, можно регулировать мощность, подводимую к двигателю: Р= 2СU2fи.

Для многодвигательных агрегатов, в которых мощности нагрузки ЭП всегда равны между собой (например, в агрегатах для эмалирования проводов на всех приемных осях одновременно наматывается провод одного диаметра), разработана упрощенная схема (рис. 2,б). Система имеет общий на группу шпинделей источник постоянного напряжения, состоящий из НВ иLC-фильтра,а также общий на группу тиристор VS.

Двигатели приемных катушек M1 – Мn с параллельными коммутирующимиLС-контурами подключаются к общему тиристору через разделительные диодыVDр1–VDрn.

Индивидуальная регулировка каждого двигателя, компенсирующая неодинаковость момента трения редуктора и т.п., осуществляется ступенчатым переключением емкости конденсаторов С1–Сn. Переключение емкости используется также при технологических операциях. Таким образом, в разработанной системе n двигателей управляются одним тиристором с одним генератором импульсов, причем все n двигателей независимы друг от друга, т.е. потребляя равные значения мощности, определяемые заданной частотой, и находясь на одной характеристике "с постоянством мощности", двигатели могут работать при различных скоростях и моментах, соответствующих различным значениям диаметра катушки при намотке.

На рассмотренных принципах может быть построен ЭП многосекционного агрегата, в котором двигатели механически связаны материалом (бумагой, пленкой и т.п.) (рис. 2,в). В этом случае вместо индивидуальных тиристорных преобразователей — управляемых выпрямителей, выбранных на полную мощность, применяются общий источник питания и индивидуальные импульсные преобразователи, рассчитанные на низкое напряжение и используемые только для подрегулировки скорости двигателей каждой секции.

Общий силовой источник питания выполняется в виде двух последовательно соединенных выпрямителей — управляемого и неуправляемого. Общий управляемый выпрямитель УВ используется для пуска системы и в установившемся режиме работает при углах управления α = 0. Неуправляемый выпрямитель НВ является общим источником для индивидуальных импульсных преобразователей.

Возможны варианты системы смешанной структуры, сочетающей в одной группе ЭП с АД и ДП.
Принципиальные достоинства рассмотренных структур:
-отсутствие влияния преобразователей на сеть — наиболее общее решение проблемы реактивной мощности;

-независимость работы ЭП от состояния питающей сети;

-существенно более высокая надежность, чем при индивидуальных преобразователях;

-возможность поставки полностью налаженных ЭП;

-сокращение суммарной мощности полупроводниковых элементов;

-возможность обеспечения надежной защиты ЭП и полупроводниковых элементов.



Рис. 2. Принципиальные схемы многодвигательного электропривода:

а - с индивидуальными вентильно-конденсаторными преобразователями;

б - с общим ключевым элементом;

в – многосекционного агрегата

3. Создание автоматизированных электроприводов механизмов, машин и комплексов на базе типовых средств

В настоящее время в РФ создан развитый рынок типовых унифицирован­ных средств ЭП и СА, т. е. имеется возможность выбора типовых средств от простых комплектных АЭП с невысокими динамическими показателями, предназначенных для управления автономными производственными механизмами, до интегрированных систем многодвигательных высоко динамичных АЭП, предназначенных для управления технологическими комплекса­ми. При этом всегда предусматривается возможность сопряжения систем управления механизмами, машинами и комплексами с распределенными системами автоматизации технологических процессов.

Большинство задач создания или модернизации АЭП конкретного объекта можно решить с использованием типовых средств. При этом важны выбор и компоновка этих средств, которые должны быть в максимальной степени адап­тированы к конкретному объекту и режимам функционирования в технологи­ческом процессе.

Принципы построения автоматизированных электроприводов механизмов, машин, агрегатов и комплексов основаны на блочно-модульной идеологии и типизации структур систем управления.

Исполнительные органы рабочих машин и технологических агрегатов оснащаются индивидуальными электроприводами с электродвигателями (М), управляемыми преобразователями (УП) и программируемыми контролле­рами приводов (КП). Совместно эти устройства составляют основу комплектного электропривода. Работу приводов и механизмов, входящих в состав технологического агрегата, координирует технологический программируе­мый контроллер (КТ). Координацию совместной работы агрегатов техноло­гического комплекса выполняет один из микроконтроллеров (КТ) или про­мышленный компьютер (ПК), входящий в состав станции оператора (СО). Через магистральный преобразователь (МП) осуществляется связь автома­тизированного технологического комплекса (АТК) с распределенной систе­мой управления технологическим процессом. Контроллеры взаимодействуют через коммуникационную связь, структура которой в соответствии с суще­ствующими стандартами по индустриальным сетям средств вычислительной техники может быть различной. Контроль агрегатов и управление ими могут осуществляться с периферийных пультов операторов (ПО).

3.1 Общие вопросы расчёта, выбора и проектирования автоматизированных ЭП.

Остановимся на общих вопросах расчета, выбора и проектирования авто­матизированных электроприводов.

Расчет автоматизированного электропривода связан с расчетом мощности электродвигателя, который выполняется в соответствии с режимами S1...S8 работы механизмов технологического оборудования на основании нагрузоч­ных и скоростных диаграмм.

Выбор системы электропривода производится в соответствии с данными питающей электросети, мощностью, скоростью, режимами S1...S8 работы и перегрузочной способностью электродвигателя, а также на основании требований к регулированию скорости (рабочему диапазону, плавности изменения и точности поддержания заданной скорости) и динамическим показателям качества процесса регулирования (быстродействию, перерегулированию и др.).

На выбор системы электропривода могут влиять также условия пуска меха­низмов. Многие механизмы (например, конвейеры) требуют обеспечения пуска под нагрузкой, а некоторые (например, центробежные вентиляторы главного проветривания шахт, дробилки крупного дробления) обладают значительны­ми инерционными массами. В случае применения асинхронных короткозамкнутых двигателей или синхронных с асинхронным пуском может оказаться, что время пуска механизма недопустимо велико и за это время двигатель перегревается. Завышение мощности и момента вращения двигателя по услови­ям пуска приводит к его недоиспользованию в режиме рабочего функциони­рования и ухудшению энергетических показателей. При пуске механическая часть двигателя может испытывать большие перегрузки, что будет неблаго­приятно сказываться на ее долговечности, особенно при наличии упругих эле­ментов (канатов лебедок, конвейерных лент и др.).

Вследствие этого может оказаться необходимым применение устройства плавного пуска или регули­руемого привода.

Возможно применение редукторного привода или безредукторного с тихоходным двигателем. Рациональный выбор может быть выполнен на основании технико-экономического сравнения, которое должно учитывать не только различные стоимости тихоходного и быстроходного

(с дополнительным ре­дуктором) двигателей, но и их массу и габаритные размеры, влияющие на необходимые размеры помещения, фундамента и затраты на несущие конст­рукции при его размещении.

При номинальной скорости исполнительного органа не менее 300 мин-1 предпочтительным является безредукторный привод с прямым соединением вала двигателя с валом рабочей машины (насоса, вентилятора). При меньшей скорости рабочего органа выбор не однозначен, хотя чаше всего редукторный привод имеет меньшие массу и габаритные размеры. Для механизмов, не тре­бующих регулирования скорости, достаточно сравнения только по этим пока­зателям.

Для механизмов с частыми пусками и реверсами важно сравнение двигате­лей по динамическим показателям. Безредукторные электроприводы более динамичны и предпочтительны для регулируемых электроприводов, так как их проще разгонять, тормозить, регулировать скорость. Поэтому они широко применяются для шахтных подъемных установок и прокатных станов.

Несомненным преимуществом безредукторных электроприводов являются их высокие динамические свойства.

Переход на безредукторные электроприводы и мехатронные модели является перспективным направлением развития приводной техники. Особенно это перспективно для непрерывно-поточных производств.

При выборе системы электропривода необходимо учитывать характер нагрузки, создаваемой рабочим механизмом. Выравнивание момента двигателя для нерегулируемых электроприводов с неравномерной или пульсирующей на­грузкой достигается увеличением инерционных масс электропривода (поршне­вых компрессоров, дробилок крупного дробления), хотя это может затруд­нить его пуск.

Значительно сложнее решать этот вопрос для регулируемых реверсивных элек­троприводов, так как увеличение механической инерции снижает их быстро­действие (что очень важно в электроприводах реверсивных прокатных станов).

Наличие в нагрузке пиков тока требует дополнительной проверки приво­дов по допустимой перегрузке.

В случаях, когда возможны перегрузки, которые не может преодолеть привод, необходимо предусмотреть соответственно настроенную защиту или сис­тему управления, обеспечивающую ограничение тока и момента двигателя, а также динамические нагрузки в механических передачах (например, в экска­ваторных электроприводах).

Выбор систем многодвигательных электроприводов помимо сказанного вклю­чает в себя решение еще двух основных задач:

1. Выбор структуры и средств распределительной силовой сети электропри­водов.

2. Выбор структуры и средств системы координированного управления элек­троприводами.

Первая задача решается применением:

• 
  Индивидуальных преобразователей частоты для каждого электропривода и энергетической магистрали переменного тока;
  
• 
  Группового источника электропитания, энергетической магистрали посто­янного тока и индивидуальных автономных инверторов напряжения для каж­дого электропривода;
  
• 
  Смешанной структуры, включающей в себя две предыдущие.
  

Для систем с большим числом электроприводов и большой суммарной мощностью целесообразно применение структуры распределительной силовой сети с несколькими групповыми источниками электропитания. Пример такой структуры применительно к многодвигательным АЭП картоноделательной машины показан на рис. 3. Автономные инверторы напряжения 13 в этой системе получают питание от выпрямителей 14. Последние распределены по группам электроприводов секций машины. Часть электроприводов управля­ются от индивидуальных преобразователей частоты 12.

Вторая задача решается с учетом структуры АТК, числа и мест расположения агрегатов, числа исполнительных механизмов. В распределенной системе управления, показанной нарис. 3.1, применены контроллеры управления группами электроприводов, объединенные информационной сетевой шиной 21, технологические контроллеры 16 и 17, станции оператора 18 и системная шина 22.

В многодвигательных системах сервоприводов групповые источники пи­тания не используются, так как даже для сложных объектов суммарные мощности приводов невелики и экономический эффект оказывается не­большим.

Применяют индивидуальные сервоприводы для каждого механизма, вхо­дящего в рабочую машину, с координированным управлением от высоко динамичного специализированного технологического контроллера.

Каждый сервопривод, обладающий высокими динамикой, точностью и пе­регрузочной способностью в широком диапазоне регулирования частоты вра­щения, включает в себя серводвигатель и преобразователь частоты. Возможна установка в серводвигателях энкодаров и электромагнитных тормозов. Рацио­нальными областями применения сервоприводов являются обеспечение по­дач в металлообрабатывающих станках, промышленных манипуляторах, ме­ханизмах автоматизированных конвейерных линий в пищевой, химической промышленности и др.

Динамическое управление и синхронизация работы нескольких сервоп­риводов выполняются программируемым технологическим контроллером МС402. Одновременно им обеспечивается взаимодействие всех компонентов линии.

Проекты нового технологического оборудования выполняются в основном с использованием систем автоматизированных электроприводов переменно­го тока. Доля электроприводов постоянного тока в новых проектах незначи­тельна.

Иначе обстоят дела в проектах модернизации действующего оборудова­ния, так как в базовых отраслях промышленности РФ (металлургической, машиностроительной, целлюлозно-бумажной и др.) действующее оборудова­ние оснащено в основном регулируемыми электроприводами постоянного тока с устаревшими средствами и системами управления, а зачастую и с высоким уровнем энергозатрат в технологических процессах с глубоким регулировани­ем скорости.

Существует четыре основных варианта проектов модернизации действую­щего оборудования в автоматизированных электроприводах.

1. Замена аналоговых и релейно-контактных систем управления на цифровые с использованием промышленных компьютеров, технологических и ло­гических контроллеров, интеллектуальных модулей периферии и других мо­дулей, соответствующих нижнему и среднему уровням автоматизации.

2. То же, и замена аналоговых блоков управления комплектных электропри­водов постоянного тока цифровыми с использованием контроллеров привода.

3. То же, и замена силовых блоков комплектных электроприводов. При этом электродвигатели и сети электропитания остаются неизменными.

4. Полная модернизация автоматизированных электроприводов. Замена элек­троприводов постоянного тока электроприводами переменного тока.

Для крупных АТК затраты на модернизацию имеют параболическую зави­симость от глубины модернизации.

Основные составляющие эффективности модернизации заключаются в следующем: снижение энергозатрат за счет некоторого повышения КПД.

Рис. 3. Функциональная схема системы управления многодвигательными электроприводами

1...10 — технологические агрегаты;

11 — электромагнитные клапаны;

12 — индивидуальные выпрямители с фильтрами;

15 — контроллеры управления группами электроприводов;

16, 17 — технологические контроллеры;

22 — системная шина

Рисунок 3.1. Распределенная система управления

13 — автономные инверторы напряжения;

14 — неуправляемые выпрямители;

18 — станции оператора;

19 — сканер;

20, 21 — информационная сетевая шина

4. Инжиринг электроприводов

4.1 Классификация электроприводов

В соответствии с ГОСТ – 16593 ЭП классифицируются по следующим характеристикам:

• 
  По количеству и связи исполнительных, рабочих органов:
  

1. Индивидуальный, в котором рабочий исполнительный орган приводится одним самостоятельным двигателем, приводом.

2. Групповой, в котором один двигатель приводит в действие испол­нительные органы РМ или несколько органон одной РМ.

3. Взаимосвязанный, в котором два или несколько ЭМП или ЭП электрически или механически связаны между собой с целью поддержания заданного соотношения или равенства скоростей, или нагрузок, или положения исполнительных органов РМ.

4. Многодвигательный, в котором, взаимосвязанные ЭП, ЭМП обеспечивают работу сложного механизма или работу на общий вал.

5. Электрический вал, взаимосвязанный ЭП, в котором для постоянства скоростей РМ, не имеющих механических связей, используется электрическая связь двух или нескольких ЭМП.

• 
  По типу управления и задаче управления:
  

1. Автоматизированный ЭП, управляемый путем автоматического регулирования параметров и величин.

2. Программно-управляемый ЭП, функционирующий через посредство специализированной управляющей вычислительной машины в соответствии с заданной программой.

3. Следящий ЭП, автоматически отрабатывающий перемещение исполни тельного органа РМ с заданной точностью в соответствии с произвольно меняющимся сигналом управления.

4. Позиционный ЭП, автоматически регулирующий положение исполнительного органа РМ.

5. Адаптивный ЭП, автоматически избирающий структуру или параметры устройства управления с целью установления оптимального режима работы.

4.2 Современные электроприводы в минерально – сырьевой промышленности России

Минерально-сырьевая промышленность – одна из важнейших и наиболее быстро развивающихся отраслей промышленности Российской Федерации, однако, большое количество месторождений страны находится в районах со сложными условиями их разработки и эксплуатации. В большинстве случаев, такие районы расположены сравнительно далеко от промышленных линий электропередач, поэтому к буровым установкам (рис. 4), разрабатывающим скважины в указанных условиях, предъявляются повышенные требования к автономности и энергоэффективности.

Современный электропривод буровых установок, как правило, представляет собой многодвигательную электромеханическую систему, которая должна быть полностью регулируемой. Характерными особенностями таких ЭП являются: большая энерговооруженность; обеспечение главных технологических операций; высокая степень автоматизации; высокие требования к надежности; высокий потенциал в энергосбережении; высокие требования к массогабаритным характеристикам.

 



Рис. 4. Буровая установка
Основой многодвигательных ЭП главных механизмов буровых установок являются бесконтактные электродвигатели, как правило, асинхронные (АД). Широкое распространение АД получили благодаря простой конструкции, высокой надежности, низкой стоимости и возможности обеспечить регулирование частоты вращения в переходных и установившихся режимах с помощью простых технических средств.

При разработке многодвигательных ЭП перед коллективом разработчиков стоит важная задача выбора структуры преобразователя частоты (ПЧ). Именно от решения этой задачи зависит возможность обеспечения высокого уровня энергосбережения и совместимости электромеханической системы, её надежности.

4.3 Способы построения структуры ПЧ многодвигательного ЭП, их недостатки и преимущества.
Рассмотрим различные способы построения структуры ПЧ многодвигательного ЭП, их недостатки и преимущества.

Большинство компаний-производителей приводной техники строят ПЧ по двухзвенной схеме. В состав такого ПЧ входят: диодный выпрямитель и автономный инвертор.Рассмотрим возможность управления группой АД буровой установки с использованием общего ПЧ, структурная схема такого ЭП представлена на рис. 5.

Электропривод с общим ПЧ обладает следующими недостатками: невозможно осуществлять индивидуальное управление двигателями, низкий коэффициент мощности, высокое негативное влияние на качество электроэнергии сети, неэффективное использование тормозной мощности. К тому же, его использование возможно только в технологических комплексах, исполнительные механизмы которых работают одновременно и в идентичных режимах, а условия работы буровой установки характеризуются большой неравномерностью нагрузки, вызванной изменением свойств забоя, характером процесса разрушения, возникновением значительных вибраций при работе станка и т.д. Таким образом, использование ЭП с общим ПЧ для энергообеспечения и управления главных механизмов буровой установки является нецелесообразным и не эффективным.В условиях, когда работа исполнительных механизмов характеризуется неравномерностью нагрузки и происходит в различных режимах, как в случае с буровой установкой, могут использоваться индивидуальные ПЧ (рис. 6).Главное преимущество электропривода с индивидуальными ПЧ заключается в возможности независимого раздельного управления приводными двигателями. Однако такой ЭП характеризуется низким уровнем электромагнитной совместимости и коэффициентом мощности, к тому же, весомыми недостатками такого структурного решения являются большие габариты и высокая стоимость. Также значительно усложняется процесс модернизации такого ЭП, реализация энергосберегающих мероприятий и других мер повышения его эффективности.



Рис. 5. Структурная схема многодвигательного ЭП с общим ПЧ

СЭС – сеть электроснабжения,

Т – трансформатор,

ДВ – диодный выпрямитель,

ЗПН -звено постоянного напряжения,

ТУ – тормозное устройство,

АИ – автономный инвертор,

ДР – дроссель,

АД Н – асинхронный двигатель бурового насоса,

АД Р – асинхронный двигатель бурового ротора,

АД Л - асинхронный двигатель буровой лебедки.

 

Рисунок 6. Структурная схема многодвигательного ЭП с индивидуальным ПЧ

Формирование группового ЭП, в котором используются индивидуальные ПЧ, как правило, происходит при последовательной модернизации устаревших электроприводов буровых установок с внедрением преобразователей. Во многих случаях это происходит без учета их электромагнитной совместимости, влияния ПЧ на качество электроэнергии в сетях предприятия и других факторов их эффективного использования.

При комплексном решении задач управления и энергоэффективности ЭП может использоваться многоинверторный ПЧ (рис. 7). Такой ПЧ имеет ряд преимуществ, а именно: возможность индивидуального управления электродвигателями, меньшее количество полупроводниковых модулей, использование общей шины постоянного тока, использование общего тормозного устройства, простота монтажа на буровой площадке, улучшенные массогабаритные характеристики, сниженные потери и энергопотребление.

Несмотря на многочисленные преимущества использования многоинверторного ПЧ, он имеет ряд недостатков, обусловленных использованием в его структуре диодного выпрямителя (ДВ), который, как правило, устанавливается на входе такого ПЧ. К этим недостаткам относятся: низкий коэффициент мощности электропривода, высокие искажения напряжения и тока, потребляемого электроприводом, отсутствие возможности рекуперации электроэнергии, завышенное энергопотребление.

 



Рис. 7. Структурная схема многодвигательного ЭП с многоинверторным ПЧ и ДВ

Для устранения перечисленных недостатков и комплексного решения проблем энергоэффективности буровой установки, в структуре многоинверторного ПЧ целесообразно  использовать активный выпрямитель (АВ) на полностью управляемых тиристорах (транзисторах). Структурная схема такого ЭП представлена на рис. 8. На рис. 5. приняты следующие обозначения: СДР – сетевой дроссель, АВ – активный выпрямитель.

При использовании АВ обеспечивается высокий уровень электромагнитной совместимости ЭП с сетью и другими нагрузками. Также, к преимуществам данного решения относятся: коэффициент мощности на уровне единицы, рекуперация тормозной энергии, автономизация при перебоях электроснабжения или значительном снижении амплитуды напряжения в сети (за счет обеспечение энергетической развязки сети и приводных двигателей).

Необходимо отметить, что использование активного выпрямителя позволяет заменить входной трансформатор на сетевые дроссели, если уровни напряжения сети и двигателей соответствуют друг другу. Одновременно с этим повышение массогабаритных характеристик достигается исключением тормозного устройства. При этом тормозная энергия приводных электродвигателей рекуперируется в сеть (при ее наличии). Таким образом, массогабаритные характеристики многоинверторного ПЧ с использованием в его структуре АВ выше, чем с использованием ДВ.

 



Рисунок 8. Структурная схема многодвигательного ЭП с многоинверторным ПЧ и АВ

 

Заметим, что мощность активного выпрямителя ПЧ должна соответствовать мощности всех подключенных электродвигателей. В период эксплуатации основной экономический эффект достигается за счет обеспечения единичного коэффициента мощности и высокого качества электроэнергии в сети.

Исследование эффективности внедрения АВ в силовой части преобразователя частоты и его воздействие на качество электрической энергии в электроэнергетической системе буровой установки производилось путем имитационного моделирования в среде MatLab. Результатом таких исследований стали осциллограммы входных и выходных токов и напряжений, изображенные на рис. 9 и рис. 10.

Из осциллограмм, представленных на рис. 9 видно: напряжение и ток на входе активного выпрямителя совпадают по форме и фазе и имеют синусоидальную форму - это обеспечивает работу элементов сети в номинальных режимах и позволяет электроприводу функционировать с коэффициентом мощности приближенным к единице. Как следствие, происходит разгрузка электроэнергетического оборудования сети электроснабжения буровой от реактивной мощности.

На рис. 10 представлена осциллограмма, показывающая изменение напряжения в звене постоянного напряжения при подключении нагрузки.  Из нее видно, что активный выпрямитель обеспечивает постоянство напряжения, имея незначительные просадки напряжения при набросе нагрузки.

Таким образом, использование АВ обеспечивает работу многодвигательного ЭП без негативного влияния на форму напряжения сети электроснабжения и потребление электроприводом синусоидальных токов. Этот фактор позволяет электроприводу работать практически с единичным коэффициентом мощности, благодаря чему снижается энергопотребление буровой установки.

 Необходимо отметить, что использование АВ обеспечивает высокий уровень электромагнитной совместимости электропривода с сетью и нагрузкой, в результате чего возникает энергетическая развязка сети и двигателей. Из этого следует, что многоинверторный ПЧ с АВ может обеспечить энергопотребление двигателей буровой установки не только в установившихся, но и в переходных режимах с целью формирования заданных технологических операций и процессов. Все это говорит о том, что использование АВ в структуре многоинверторного ПЧ электропривода главных механизмов буровой установки значительно увеличивает ее энергоэффективность и технические возможности. Таким образом, данная структура электропривода полностью отвечает современным требованиям и обеспечивает высокую экономическую эффективность.

 



Рисунок 9. Изменение напряжения и тока на входе активного выпрямителя при включении нагрузки в цепи постоянного напряжения

 



Рисунок 10. Изменение напряжения в звене постоянного напряжения при подключении нагрузки

 

Список литературы

1. Васильев Б.Ю. «Автоматизированный электропривод объектов минерально-сырьевого комплекса (применение, моделирование, исследование)» - СПб.: Национальный минерально-сырьевой ун-т «Горный», 2014. – 139 с.

2. Васильев Б.Ю. Энергосберегающий многодвигательный электропривод с индивидуальным управлением приводными двигателями и активной коррекцией коэффициента мощности // Автоматизация в промышленности. – 2016. – № 11. – С. 48 – 54.

3. Ильинский Н.Ф. «Основы электропривода» – РИО МЭИ. 2012. – 300с.

4. Москаленко В.В. «Электрический привод» – М.: Мастерство: Высшая школа. Преобразователь частоты многодвигательного электропривода с активной коррекцией коэффициента мощности и энергосберегающей системой управления // Вестник Череповецкого государственного университета. 2015. 4 (65). С. 37-41.

5. Розанов Ю.К. «Электронные устройства электромеханических систем: Учебное пособие» / Ю.К. Розанов, Е.М. Соколова – М.: Издательский центр “Академия”, 2012. – 272с.

6. Тергемес К.Т., Каримсаков Т.К. «Энергосберегающий многодвигательный асинхронный электропривод с активным выпрямителем и индивидуальными инверторами напряжения» // Электротехнические системы и комплексы. 2012. 20. С. 164-167.

7. Чапцев Г.И., Горемыкин Е.В. «Электрооборудование промышленности. В 3- х частях»: Таганрог, ТРТУ 2012. – 80с.

8. Электрические и электронные аппараты: Учебник для вузов / Под ред. Ю.К. Розанова. 2-еизд. Испр. И доп. – М.: Информэлектро, 2001. – 420с.