Содержани простой электропривод
 Скачать 1.04 Mb.
|
|
З А МЕТКИ упрощенная и более надежная по сравнению с преобразователем частоты для асинхронного электропривода схема и конструкция силового коммутатора за счет однополярной коммутации; широкие функциональные возможности работа в зоне низких (десятки – сотни об/мин) или высоких (десятки тысяч об/мин) частот вращения с широким диапазоном регулирования и большими моментами в зоне низких частот; высокие энергетические показатели, не уступающие ближайшим аналогам; высокая надежность привода в целом; По зарубежным данным некоторые показатели трех типов электроприводов для машины с высотой вала мм приведены в таблице. Совокупность свойств вентильно-индукторного привода позволяет прогнозировать наиболее перспективные области его применения в ближайшие годы: Тип электропривода Номинальная мощность, кВт Номинальная мощность к oбъему активных атериалов КПД Постоянного тока Асинхронный Вентильно- индукторный 9 11 1 1,2 1,7 76 81 электрический транспорт, в частности автономный, с аккумуляторным питанием, а также городской; центробежные машины – вентиляторы, насосы, где ВИД может революционно изменить привычные конструктивы и режимы, дать заметный эффект в сфере энерго- и ресурсосбережения; станки, другие обрабатывающие машины; бытовая техника. Весьма интересны перспективы встраивания элементов ВИД в технологические машины – мотор-колесо, крыльчатка вентилятора, совмещенная с ротором обращенной машины и т.п. З А МЕТКИ. Силовые полупроводниковые элементы регулируемого электропривода Выбор базового ключевого элемента играет решающую роль в конструировании преобразователя любого типа. Преобразование электроэнергии постоянно нуждается в идеальном ключе. Такой ключ должен иметь следующие основные характеристики: большой ток; высокое напряжение; малые потери (статические и динамические); высокую частоту (быстрое переключение); высокую надежность; компактную конструкцию (низкие потери). Эти идеалы в разработке приборов реализуются двумя путями через структуру транзистора и через структуру тиристора, при этом основным достоинством тиристора являются низкие статические потери, а транзистора – его хорошая способность к выключению. В настоящее время основными приборами мощной силовой электроники являются: традиционные тиристоры запираемые тиристоры биполярные транзисторы с изолированным затвором коммутируемые по электроду управления тиристоры На сегодня основные статические параметры сравнимы с таковыми для обыкновенных тиристоров. Главный недостаток GTO – значительные токи управления, приводящие к необходимости создания громоздких и мощных блоков управления и систем передачи энергии на управляющий электрод тиристоров уступают GTO по статическим параметрам, но принципиально превосходят их по динамике (прежде всего, повремени включения и запирания). Кроме того, IGBT, имеющий в составе своего электрода управления полевой транзистор, не требует больших токов для запуска процессов включения и запирания, тем самым облегчая систему управления. В настоящее время транзисторы IGBT выпускаются, как правило, в виде модулей с односторонним прижимом и охлаждением, и только компания «Toshiba Semiconductur Group» сообщает о создании IGBT в таблеточном корпусе что позволяет осуществить двухстороннее охлаждение прибора. В IGCT комплексно реализованы требования к силовому ключевому элементу. Он одновременно сочетает в себе симметричную таблеточную конструкцию с двухсторонним теплоотводом, имеет минимальное падение напряжения во включенном состоянии, не требует высокоэнергоемких цепей питания блоков управления, обладает достаточной помехоустойчивостью при невысоких динамических потерях ив силу особенностей требуемого управляющего импульса (крутизна тока запирания до 3000 А/мкс) отличаются идентичностью динамических характеристик. В результате почти на порядок уменьшается (по сравнению с О) время коммутации, снижаются коммутационные потери. IGCT работают без снабберной емкости. Кроме того, в IGCT имеется интегрированный на одном кристалле обратный быстро восстанавливающийся диод. Параметры и сравнительные потребительские характеристики мощных полупроводниковых силовых приборов различных типов приведены в таблицах. З А МЕТКИ ТИП ПРИБОРА ФИРМА- ИЗГОТОВИТЕЛЬ МАРКА I, А, В, В ΔU, В Традиционный тиристор SCR «АВВ Semiconducturs» 5STP 34N5200 3350 4400 4200 2,54 GTО «АВВ Semiconducturs» 5SGT 30J6004 3000 6000 17 3,35 IGСT «АВВ Semiconducturs» 5SHY 35L4502 4000 6000 19 2,65 GCT «Mitsubishi» PGC4000AX-90DS 4000 4500 19 2,65 IGBT (PP HV IGBT) «Toshiba Semiconductur Group» ST1200FXF21 1200 3300 20 Примечания 1. Ток I для традиционного тиристора – номинальный средний ток для остальных (полностью управляемых) приборов – максимальный повторяющийся запираемый ток. ΔU для традиционного тиристора определяется при амплитудном токе I m =πI. Значения ΔU для остальных (полностью управляемых) приборов определяются при максимальном повторяющемся запираемом токе I. 3. Обозначения U DRM , для IGBT следует понимать как U CES , U GES соответственно. Тип прибора Преимущества НЕДОСТАТКИ Цена, отн.ед 1о.е=250 Традиционный тиристор Самые низкие потери во включенном состоянии. Самая высокая перегрузочная способность. Высокая надежность. Легко соединяется параллельно и последовательно. Не способен к принудительному запиранию по управляющему электроду. Низкая рабочая частота 0,5 GTО Способность к управляемому запиранию. Сравнительно высокая перегрузочная способность. Возможность последовательного соединения. Рабочие частоты до 250 Гц при напряжении до 4 кВ. Высокие потери во включенном состоянии. Сложные системы управления и передачи энергии на тиристор. Очень большие потери в системе управления. Большие потери на переключение 1 IGСT Способность к управляемому запиранию. Перегрузочная способность та же, что и у GTО. Низкие потери во включенном состоянии на переключение. Рабочая частота до единиц кГц. Встроенный блок управления. Возможность последовательного соединения. Не выявлены из – за отсутствия достаточного опыта эксплуатации 1,5 IGBT (PPHV Способность к управляемому запиранию. Самая высокая рабочая частота (до 10 кГц). Простая неэнергоемкая система управления. Встроенный драйвер. Очень высокие потери во включенном состоянии ЗАМЕТКИ. Преобразователи на управляемых электронных приборах АИ Н В L C А Д VТ3 VD Т VD 4 VT1 VD 1 VT6 VD 6 Т VD 2 VT5 VD Многообразию существующих преобразователей свойственно использование в качестве силовой схемы одной и той же классической структуры: трехфазный мостовой неуправляемый выпрямитель В, LC – фильтр звена постоянного тока, трехфазный мостовой автономный инвертор напряжения АИН с широтно-импульсной модуляцией ШИМ. Неуправляемый режим работы выпрямителя и свойства силовых управляемых ключей инвертора снимают вопросы ограничения di/dt ив цепях вентилей, применения громоздких снабберов для защиты от перенапряжений и т.п. Разнообразие силовых схем сводится лишь к различию типов и способов включения коммутационных и защитных аппаратов (электромагнитные пускатели, автоматические выключатели, предохранители, токоограничивающие реакторы, датчиков тока и напряжения, устройств торможения (сетевой инвертор для рекуперации, ключ электродинамического торможения. Акцент разработки силовой части преобразователей сместился из области схемотехники (существенной для тиристорных устройств) в область оптимизации конструкторско-компоновочных решений и теплофизических расчётов, повышения устойчивости к аварийным режимам. Основное влияние на потребительские свойства преобразователей и электроприводов оказывает их информационный канал – используемые алгоритмы управления и регулирования и реализующие их микроконтроллерные системы МСУ. Именно последние определяют регулировочные свойства, динамические характеристики электропривода, его функциональность. Автономный инвертор питается от постоянного напряжения с выхода неуправляемого диодного выпрямителя, либо от автономного источника постоянного напряжения. Емкость С сглаживает пульсации с выхода выпрямителя. Ключ состоит из биполярного ключа Т с полевым управлением (IGBT-ключ) и диода, включенного противоположно питающему напряжению. Диод предназначен для возврата энергии в сеть в случае, когда ток через ключ имеет направление, противоположное направлению напряжения на нем. Подобная ситуация наблюдается при реактивно- активной нагрузке. Схема соединения диодов VD1- VD6 представляет собой трехфазный мостовой шестиполупериодный диодный выпрямитель, позволяющий осуществить возврат энергии от двигателя в сеть. Для реализации режима рекуперации вместо неуправляемого выпрямителя используют управляемый реверсивный преобразователь на тиристорах. Режим электродинамического торможения осуществляется подключением внешнего реостата через дополнительный ключ параллельно автономному инвертору. В типовой схеме автономного инвертора напряжения содержится 6 ключей. Транзисторные ключи, переключаясь в определенной последовательности, формируют на выходе инвертора периодический трехфазный сигнал. В таком инверторе фазы двигателя могут быть подключены к потенциалам постоянного напряжения 2 3 =8 различными способами. Результирующий вектор напряжения на выходе АИН имеет, соответственно, 8 положений, из которых 2 положения являются вырожденными, т.к. они приводят к нулевому значению результирующего вектора. Регулирование частоты трехфазного напряжения на выходе АИН осуществляется путем изменения частоты переключений транзисторных ключей. Изменение амплитуды трехфазного напряжения производится с помощью широтно-импульсного регулирования. З А МЕТКИ Драйвер Драйвер 1 Диагностика Защита по Защита по I, Защита по I, В современных IGBT время переключения составляет менее одной микросекунды. Столь высокая скорость переключения позволяет в полной мере использовать достоинства метода широтно-импульсной модуляции осуществлять коммутацию на частоте свыше 16 кГц, что решает проблему акустических шумов, уменьшает массу и габариты реактивных элементов – фильтров высших гармоник. Наконец при большой кратности частоты коммутации и низкой частоте выходного напряжения значительно повышается быстродействие системы регулирования, что позволяет улучшить динамические характеристики систем. В тоже время при повышении частоты коммутации значительно возрастает доля коммутационных потерь, из-за чего приходится снижать допустимые токи и напряжения при частотах 5 кГц и выше. Увеличение коммутационных потерь уменьшает перегрузочную способность транзисторов. Быстрое переключение транзисторов из-за эффекта на паразитных индуктивностях в контуре коммутации приводит к появлению значительных перенапряжений на элементах схемы ВТ VD3 VT4 Т Т VD2 U B + - б I A U AB а VТ1,VТ2 VТ3,VТ4VТ2,VТ4 VТ1,VТ3 Дв При быстрых переключениях транзисторов на выходе преобразователя скорость изменения напряжения может достигать значений 5000В/мкс. При длине соединительных кабелей болеем и напряжения могут достигать двухкратных по отношению к номинальным значениям. В результате повреждается изоляция двигателя. На рисунке представлена схема двухключевого «интеллектуального» силового модуля с полными функциями защит от перегрузки по току, короткого замыкания, перенапряжений и перегрева силовых элементов. В электроприводе постоянного тока основные способы управления осуществляются посредством изменения напряжения якоря и потока возбуждения. В общем случае требуется обеспечить управление двигателем постоянного тока во всех режимах работы, в том числе в реверсивном режиме с рекуперацией энергии в первичный источник питания. Наиболее эффективно все эти режимы реализуются в схеме, обеспечивающей работу в четырех квадрантах на стороне постоянного тока, выполненной на полностью управляемых ключах и регулируемой по способу широтно-импульсной модуляции. З А МЕТКИ. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ. Энергетический канал электропривода TACIS EUK9701/M/15/2 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОПРИВОДА УПРАВЛЯЮЩАЯ АППАРАТУРА ТО от источника электроэнергии, преобразующие и передающие электроэнергию элементы, передающие механическую энергию W PC W ЭП W ЭMП W ПМ W ИМ W PO W РС -ЭП W ЭП -ЭПМ W ЭПМ - ПМ W ПМ - ИМ W ИМ -РО W РО -ТОРС - распределительная сеть ЭП - электрический преобразователь ЭМП - электромеханический преобразователь (двигатель) ПМ - передаточный механизм ИМ - исполнительный механизм РО - рабочий орган ТО - технологический объект Устройства управления представлены без разделения на блоки. Каждый из элементов цепи преобразования энергии может быть охарактеризован тремя основными показателями: качеством протекания процесса, длительностью его протекания и возможностью управления этим процессом. Первый элемент – распределительная сеть (РС), по которой осуществляется подвод электроэнергии. Параметры сети влияют на параметры электроэнергии, поступающей на вход электропривода. Качество электроэнергии включает в себя несинусоидальность и несимметрию напряжения питания, колебания и отклонения напряжения и частоты. Качество питающего напряжения влияет на режим работы электропривода и обратно, характеристики и режимы силового канала электропривода определяют режим и потери энергии в распределительной сети. Электрический преобразователь (ЭП) преобразует поступающую на его вход электроэнергию к виду, необходимому для последующего преобразования её в механическую работу электромеханическим преобразователем (ЭМП). Электропреобразователь управляет уровнями потоков энергии к электромеханическому преобразователю и имеет возможность управления параметрами потребляемой и преобразуемой энергии. Так, возможно: регулирование потребляемой реактивной мощности в определенных пределах; регулирование гармонического состава тока; симметризация нагрузки в питающей сети в случае использовании преобразовательных устройств большой мощности. Электромеханический преобразователь (двигатель) преобразовывает электроэнергию в механическую и задает с учетом параметров механической части характер механического движения рабочего органа (РО) и переменные, определяющие это движение: электромагнитный момент Ми частоту вращения при вращательном движении (силу F и линейную скорость V при поступательном движении). З А МЕТКИ ПРИМЕР ЭЛЕКТРОПРИВОДА П Э М П П МИМ РО(крю к) ТО (груз) V G = m g = Барабан bbРедук-bbторbbД вигатель О ВО + - М В состав силовой части входит передаточный механизм (ПМ), связывающий электромеханический преобразователь ЭМП и исполнительный механизм (ИМ. Наиболее часто используется редуктор, который снижает скорость двигателя до уровня исполнительного механизма. Исполнительный механизм, например, барабан лебёдки– трос отклоняющие шкивы, обеспечивает окончательное согласование скорости крюковой подвески (рабочего органа РО) со скоростью технологического объекта ТО (груза). Процесс передачи и преобразования энергии в силовом канале сопровождается ее частичной потерей в каждом из элементов ( W) независимо от направления ее передачи. В конечном итоге потери энергии выделяются в виде теплоты. Все элементы силового канала способны накапливать энергию в томили ином виде в зависимости от типа элемента: на индуктивностях накапливается энергия магнитного поляна емкостях – энергия электрического поляна упругих элементах и поднятых над землею массах – потенциальная механическая энергия; на вращающихся и движущихся линейно массах – кинетическая энергия. В силовых электроприводах наиболее ёмкими накопителями энергии являются элементы механической части. Например, электропривод подъёма (м. рисунок) применен в мостовом кране. Определим запасы электромагнитной и кинетической энергии в его элементах. Пусть индуктивность якоря двигателя я 10 -2 Гн, а приведенный момент инерции J = 2 кг м 2 . Подъему номинального груза соответствует ток я А при частоте вращения вала двигателя 100 1/с. В этой системе накапливается энергия в индуктивностях я 4 Дж, в механической части 2 J J W 10 4 Дж. З А МЕТКИ. Потери мощности в электродвигателе TACIS EUK9701/M/15/9 ПОТЕРИ В ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕ Кпд (%) и Коэффициент мощности (%) Кпд Коэффициент мощности Общие потери Потери (кВт) Потери I 2 R Паразитные потери Потери в сердечнике Потери на трение и вентиляцию Нагрузка (Потери мощности в электродвигателях делятся на постоянные и переменные. Они включают: потери встали (потери в сердечнике, которые зависят от напряжения и поэтому являются постоянными для электродвигателя, независимо от его нагрузки; потери на трение механические) и вентиляционные потери. Эти потери являются постоянными для заданной скорости и не зависят от нагрузки; потери оттока возбуждения или тока намагничивания АД; потери в меди, известные как потери пропорциональные квадрату тока нагрузки. Потери встали состоят из потерь на гистерезис, зависящих от физических характеристик используемой стали, и потерь на вихревые токи, которые определяются конструкцией и сборкой стальных пластин. Потери встали влияют на коэффициент мощности электродвигателя, поскольку их возникновение связано с потреблением реактивного тока. При низкой нагрузке основную роль играют потери в стали, которые обуславливают низкие значения коэффициента мощности электродвигателя. Даже при полной нагрузке асинхронный двигатель имеет сравнительно невысокий коэффициент мощности индуктивного характера и составляет 0,8 - 0,9. Чтобы свести к минимуму возможное снижение КПД и коэффициента мощности, необходимо, чтобы номинальная мощность электродвигателя была по возможности ближе к существующей нагрузке двигателя. Кроме потерь на трение, остальные потери относятся к классу греющих потерь, определяющих тепловой режим работы электродвигателя. Так как ток двигателя зависит от статического момента и магнитного потока, то для каждой статической нагрузки имеется ток возбуждения, при котором суммарные потери минимальны. Ремонтные работы приводят к тому, что результирующая индукция после каждого из ремонтов снижается. При этом растут потери, вызываемые вихревыми токами. Установлено, что каждый последующий ремонт увеличивает потери встали на 5-13%. Это приводит к резкому увеличению тепловой напряженности и быстрому нарушению изоляции. |