ВИКОНАВЧІ ПРИСТРОЇ ЗМІНИ ПРОДУКТИВНОСТІ

В багатьох галузях промисловості широко використовуються дозуючі виконавчі пристрої, які забезпечують зміну продуктивності агрегатів та установок.Основою даних виконавчих пристроїв є, як правило, регульований електропривод.Керування електроприводом полягає в здійсненні пуску/зупинки, а іноді в зміні напрямку обертання.Проте для більшості інших застосувань потрібно ще і регулювання швидкості обертання електропривода та зв'язаної з нею зміна продуктивності. Рішення цієї дуже непростої технічної проблеми може здійснюватися різними способами [9].

Для регулювання швидкості обертання двигунів широко використовуються три основних типи пристроїв: механічні варіатори, гідравлічні та електромагнітні муфти ковзання, а також електронні регулятори. Основним недоліком перших двох типів пристроїв є наявність елементів, які механічно зношуються, що ускладнює експлуатацію й обслуговування приводів, особливо в забруднених і вибухонебезпечних середовищах, а також необхідність компонування регулюючого пристрою в один агрегат разом із двигуном і навантаженням. Електронні регулятори, вільні від цих недоліків і тому, знаходять усе ширше застосування.

    8.1 Основні поняття, визначення, принципи роботи

Електропривод містить у собі електричний двигун, перетворювач електричної енергії (наприклад, перетворювач частоти) і систему керування. У промисловості й побуті застосовуються двигуни змінного й постійного струму. Історично склалося, що для регулювання швидкості обертання частіше використовували двигуни постійного струму. Перетворювач у даному випадку регулював тільки напругу, був простий і дешевий. Однак двигуни постійного струму мають складну конструкцію, критичний в експлуатації щітковий апарат і порівняно дорогі. Асинхронні двигуни широко поширені, надійні, мають відносно невисоку вартість, гарні експлуатаційні якості, але регулятори швидкості їхнього обертання, через складність систем електричного регулювання частоти напруги живлення, коштували до початку 80-х років дорого і не мали якості, необхідної для широкого впровадження в індустрію. Завдяки бурхливому розвитку електроніки й появі недорогих перетворювачів частоти стало можливим регулювання швидкості обертання асинхронних двигунів у широких масштабах. Швидкий ріст ринку перетворювачів частоти для асинхронних двигунів не в останню чергу став можливий у зв'язку з появою нової елементної бази —силових модулів на базі IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor — біполярний транзистор з ізольованим затвором).Вони розраховані на струми до декількох кілоампер, напруга до декількох кіловольтів і частоту комутації до 30 кГц і вище.

Для кращого розуміння принципів, що лежать в основі електронних систем регулювання швидкості обертання, нагадаємо будову асинхронного електродвигуна з короткозамкнутим ротором — наймасовішого типу електродвигуна. Досить сказати, що сумарний обсяг електроенергії, використаної всіма приводами з асинхронними двигунами, складає більш 50% усієї спожитої електроенергії. Такий двигун має нерухомий статор з обмотками, що утворять полюси, і рухливий короткозамкнутий ротор. При підведенні до статорних обмоток електродвигуна трифазної напруги, статорними струмами, зміщеними відносно один одного на 120 градусів, формується обертове магнітне поле статора. Це поле індукує у роторі струми, що породжують власне поле ротора, яке обертається синхронно з полем статора й утворює загальний обертаючий потік двигуна. У результаті взаємодії струмів ротора з магнітним потоком виникають механічні сили, які діють на провідники ротора й обертаючий електромагнітний момент. При цьому для створення моменту необхідно, щоб статорне поле оберталося зі швидкістю вище частоти обертання ротора. Ця різниця у швидкості обертання називається ковзанням.

Швидкість ротора асинхронного електродвигуна можна регулювати зміною частоти напруги живлення, амплітуди напруги живлення, числа пар полюсів статора.

Для зміни швидкості обертання асинхронного електродвигуна частіше використовуються пристрої, що дозволяють змінювати частоту підведеної напруги — напівпровідникові перетворювачі частоти. У найпростішому випадку частотного регулювання, керування швидкістю обертання здійснюється шляхом зміни частоти й амплітуди напруги трифазного джерела живлення. Як відомо, регулювання швидкості асинхронного двигуна зміною частоти підведеної до статора напруги, можливо, як убік зниження швидкості, так і вбік збільшення швидкості вище номінальної. При регулюванні частоти униз від номінальної, можна вибрати такий закон частотного керування (співвідношення між частотою й амплітудою напруги живлення, підведеної до статора асинхронного двигуна), що магнітний потік машини буде підтримуватися незмінним. У цьому випадку максимальний момент двигуна зберігається незмінним, і в такий спосіб забезпечується сталість перевантажувальної здатності у всьому діапазоні регулювання при незмінному моменті навантаження. При регулюванні частоти вверх від номінальної, що можливо для перетворювачів із проміжним контуром постійного струму, має місце режим зниження магнітного потоку двигуна, оскільки амплітуда напруги залишається незмінною на рівні її номінального значення.

Існує два основних типи перетворювачів частоти: із безпосереднім зв'язком і з проміжним контуром постійного струму. У першому випадку вихідна напруга синусоїдальної форми формується з ділянок синусоїд перетвореної вхідної напруги. При цьому максимальне значення вихідної частоти принципово не може бути рівним частоті мережі живлення. Частота на виході перетворювача цього типу, звичайно, лежить у діапазоні від 0 до 25-33 Гц. Але найпоширенішими є перетворювачі частоти з проміжним контуром постійного струму, виконані на базі інверторів напруги. Структурна схема такого перетворювача приведена на рис. 8.1.

             

Рисунок 8.1-Структурна схема перетворювача частоти з проміжним контуром постійного струму

 Змінна напруга мережі перетворюється за допомогою діодного випрямляча, а потім згладжується в проміжному ланцюзі індуктивно-ємнісним фільтром. І, нарешті, інвертор, вихідний каскад якого виконується на основі IGBT-модулів, здійснює зворотне перетворення з постійного струму в змінний, забезпечуючи формування вихідного сигналу з необхідними значеннями напруги й частоти. Найчастіше в інверторах застосовується метод високочастотної широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). У цьому випадку вихідний сигнал перетворювача являє собою послідовність імпульсів напруги постійної амплітуди й змінної тривалості. На індуктивному навантаженні, яким є обмотка статора, цим сигналом формується струм синусоїдальної форми (рис.8.2). Можливий діапазон регулювання частоти — від 0 до декількох тисяч герців.

                    

                Рисунок 8.2-Вихідний сигнал перетворювача частоти.

 

     8.2 Типи навантажень.

Вимоги до електропривода визначаються діапазоном необхідних швидкостей і типом навантаження. Залежність між швидкістю обертання й моментом опору неоднакова для навантажень різного типу (рис.8.3). Багато навантажень можуть розглядатися як такі, що мають постійний момент у всьому діапазоні зміни швидкості. До них відносяться, наприклад, конвеєри, компресори і поршневі насоси.

 

              

Рисунок 8.3-Механічні характеристики типових навантажень.

Деякі види навантаження мають змінну механічну характеристику, для якої момент навантаження зростає зі збільшенням швидкості обертання. Типовим прикладом пристроїв з таким навантаженням є відцентрові насоси й вентилятори, чия механічна характеристика описується рівнянням квадратичної параболи, а споживана потужність пропорційна кубу швидкості обертання. З цього випливає, що навіть невелике зниження швидкості електропривода може дати значний виграш у потужності — от чому економія електроенергії є головною перевагою використання керованого електропривода для насосів і вентиляторів. Теоретично зниження швидкості на 10% дає тридцятипроцентну економію споживаної потужності.

Є клас пристроїв (екструдери, промислові міксери), у яких механічна характеристика, близька до характеристики насосів і вентиляторів. Але особливість навантажень такого типу виявляється в наявності високого пускового моменту, який зі збільшенням швидкості знижується, а потім, починаючи з деякого значення, характеристика стає квадратичною.

Крім того, існує і велике число навантажень із зовсім унікальними механічними характеристиками. Тому в будь-якому випадку вибору електродвигуна й перетворювача частоти повинний передувати етап аналізу характеру навантаження і її механічної характеристики.

 

     8.3 Режими керування електродвигуном.

В залежності від характеру навантаження, перетворювач частоти забезпечує різні режими керування електродвигуном, реалізуючи ту чи іншу залежність між швидкістю обертання електродвигуна і вихідною напругою.

Режим із лінійною залежністю між напругою й частотою (U/f=const) реалізується найпростішими перетворювачами частоти для забезпечення постійного моменту навантаження і використовується для керування синхронними двигунами чи  двигунами, підключеними паралельно. Разом із тим, при зменшенні частоти, починаючи з деякого значення, максимальний момент двигуна починає падати. Для підвищення моменту на низьких частотах у перетворювачах передбачається функція підвищення початкового значення вихідної напруги, яка використовується для компенсації падіння моменту для навантажень із постійним моментом чи збільшення початкового моменту для навантажень із високим пусковим моментом, таких, наприклад, як промисловий міксер. Для регулювання електроприводів насосів і вентиляторів використовується квадратична залежність напруга/частота (U/f² = const). Цей режим, так само як і попередній, можна використовувати для керування двигунами, які підключені паралельно.

Перераховані режими керування достатні для більшості застосувань. Разом із тим, для підвищення якості керування приводом, потрібне використання інших досконаліших методів керування. До них відносяться метод керування потокозчепленням (Flux Current Control —FCC) і метод безсенсорного векторного керування (Sensorless Vector Control — SVC). Обидва методи базуються на використанні адаптивної моделі електродвигуна, яка будується за допомогою спеціалізованого обчислювального пристрою, що входить до складу системи керування перетворювача.

Точніше й ефективніше керування забезпечує режим векторного керування без датчика зворотного зв'язку за швидкістю (SVC). Якщо у двигунах постійного струму знаходяться дві обмотки (статорна, або збудження і роторна, чи якірна), що дозволяє керувати роздільно швидкістю обертання (струм збудження ) і електромагнітним моментом (струм якоря), то у двигунах змінного струму з короткозамкнутим ротором знаходиться усього лише одна статорна обмотка, струм через яку формує магнітне поле збудження і визначає обертаючий момент. З цим і зв'язані всі труднощі керування електродвигуном. Вихід залишається один: необхідно керувати амплітудою й фазою статорного струму, тобто його вектором. Однак для керування фазою струму, а виходить, і фазою магнітного поля статора відносно ротора, необхідно знати точне положення ротора в будь-який момент часу. Ця задача може бути розв'язана з використанням датчика положення, наприклад, шифратора збільшень. У такій конфігурації привід змінного струму по якості регулювання стає порівнянним із приводом постійного струму. Але в складі більшості стандартних електродвигунів змінного струму відсутні інтегровані датчики положення, оскільки їхнє введення неминуче веде до ускладнення конструкції двигуна й істотному підвищенню його вартості.

Застосування ж сучасної технології векторного керування дозволяє обійти це обмеження шляхом використання математичної адаптивної моделі двигуна для передбачення положення ротора. При цьому система керування повинна з високою точністю вимірювати значення вихідних струмів і напруг, забезпечувати розрахунок параметрів двигуна (опір статора, значення індуктивності розсіювання і т.д.), точно моделювати теплові характеристики двигуна, погоджувати параметри двигуна з різними режимами його роботи, здійснювати великий обсяг обчислень із дуже високою швидкістю. Останнє забезпечується застосуванням у складі системи керування перетворювача спеціалізованих інтегральних схем ASIC (Applications Specific Integrated Circuit).

Векторне керування без датчиків зворотного зв'язку за швидкістю дозволяє забезпечити динамічні похибки, характерні для регульованого привода із замкнутим зворотним зв'язком. Однак повне керування моментом при швидкості, близької до нульового, неможливо без зворотного зв'язку за швидкістю. Такий зворотний зв'язок стає необхідний і для досягнення похибки регулювання менше 1%. Контур зворотного зв'язку при цьому легко реалізується за допомогою самого перетворювача частоти.

Разом із тим режим векторного керування не може бути використаний для синхронних чи реактивних синхронних електродвигунів, для групи двигунів, включених паралельно, а також для двигунів, чия номінальна потужність менше половини потужності перетворювача частоти чи перевищує її.

     8.4 Способи зупинки і режими гальмування електродвигуна.

Для того щоб швидко зупинити чи сповільнити швидкість механізму, що приводиться в обертання електродвигуном, поряд із механічними, застосовують і електричні способи гальмування. Сутність електричних способів гальмування полягає в тому, що електрична машина в цей період із режиму приводу переводиться в генераторний і, отже, створює електромагнітний момент, спрямований проти руху.

Найпростіший спосіб зупинки — вибій електродвигуна. Двигун відключається від мережі живлення і зупиняється за інерцією. При цьому час до повної зупинки не регулюється й визначається інерційними властивостями двигуна і його навантаження.

Регульований час гальмування забезпечує генераторний спосіб, який полягає в тому, що перетворювач із необхідною швидкістю зменшує вихідну частоту до необхідного значення. При цьому двигун стає генератором, перетворюючи кінетичну енергію обертання в електричну. У залежності від типу пристрою, що випрямляє, енергія повертається в первинну мережу або накопичується в контурі постійного струму перетворювача частоти. У другому випадку й у випадку навантаження з великим моментом інерції, для розсіювання енергії може знадобитися зовнішній гальмівний опір, підключення якого при виникненні небезпечної перенапруги в проміжному контурі перетворювача здійснює спеціальна контролююча схема. Таким чином, перевагою генераторного гальмування є передбачуваний час і плавність зупинки, високий гальмівний момент. Недолік же полягає в том, що енергія виділяється в перетворювачі, і у випадку швидкої зупинки чи великого моменту інерції навантаження, для запобігання перегріву вбудованого резистора контуру постійного струму перетворювача, необхідне використання зовнішнього опору.

Для того щоб здійснити гальмування постійним струмом, чи, іншими словами, динамічне гальмування, з обмотки статора двигуна знімають змінну напругу і на одну чи дві фази подають постійну напругу. При цьому магнітне поле буде викликати спочатку уповільнення, а потім і утримання ротора в нерухомому стані. Перевагою динамічного гальмування є виділення електричної енергії у роторі двигуна, що робить непотрібним використання гальмівного опору, і плавну зупинку. Але оскільки вихідна частота перетворювачем не контролюється, той час гальмування стає величиною невизначеною. Ефективність гальмування в цьому випадку, в порівнянні з генераторним методом, складає 30-40%.

При комбінованому способі гальмування використовується комбінація двох описаних способів, тобто на змінну складову вихідної напруги перетворювача накладається постійна складова. Цей спосіб гальмування поєднує у собі переваги обох електричних способів гальмування і дозволяє ефективно гальмувати електродвигун за короткий час, без виділення тепла в перетворювачі.

      8.5 Основні серії перетворювачів частоти ФІРМИ S IEMENS.

Фірма Siemens [ 5] робить найширшу гаму двигунів постійних і змінних струмів і пристроїв керування для них. У 1993 році почалося виробництво серії MICROMASTER, що відразу зайняла ведучі позиції на ринку перетворювачів частоти для електродвигунів загального призначення завдяки високим технічним характеристикам, простоті керування, невисокій вартості і компактним розмірам. Постійно розвиваючи цей напрямок і, розробляючи нові вироби, фірма Siemens пропонує кілька серій перетворювачів частоти для частотно-регульованих приводів, що відрізняються діапазоном потужностей, можливостями системи керування і конструктивним виконанням.

Перетворювачі частоти серії MICROMASTER застосовуються для зміни й регулювання швидкості обертання низьковольтних двигунів змінного струму з постійним чи квадратичним моментом навантаження. Існують різні моделі — від компактного однофазного MICROMASTER потужністю 120 Вт до MICROMASTER із трифазним входом потужністю 7, 5 кВт.

                  

Рисунок 8.4-Перетворювачі частоти серії MIKRO/MIDIMASTER VECTOR.

Перетворювачі серії MICRO/MIDIMASTER Vector (рис. 8.4) відрізняються наявністю режиму векторного керування, що дозволяє використовувати їх у складі приводів для процесів з підвищеними вимогами до динаміки, стартового моменту і перевантаження, наприклад, для ліфтів, пакувальних машин і т.п. Крім того, ці перетворювачі разом з асинхронними двигунами в багатьох випадках дозволяють замінити більш дорожчий привід постійного струму. Діапазон потужностей від 120 Вт до 75 кВт (95 кВт для квадратичного навантаження). Основні технічні параметри перетворювачів MICROMASTER і MICRO/MIDIMASTER Vector представлені в таблиці 8.1.

Відмінними рисами перетворювачів цих серій є:

· сумісність з усіма типами асинхронних і синхронних двигунів вітчизняного й закордонного виробництва;

· висока навантажувальна здатність;

· вбудований ПІД-регулятор (ПІ-регулятор для серії MICROMASTER);

· можливість динамічного гальмування;

· програмований час розвантажування/гальмування з регульованою плавністю;

· функція швидкого обмеження струму для надійної й безпечної роботи;

· тиха робота двигуна за рахунок частоти модуляції перетворювача в надзвуковому діапазоні;

· тепловий і електричний захист перетворювача частоти й двигуна;

· можливість підключення до промислової шини PROFIBUS-DP (12 Мбод).

Таблиця 8.1-Основні технологічні параметри перетворювачів серії MICROMASTER i MICRO/MIDIMASTER Vector

Тип перетворювача частоти	MICROMASTER 6SE92	MICROMASTER VECTOR 6SE32	MIDIMASTER VECTOR 6SE32
Діапазон потужностей	0.12...7.5кВт	0.12...7.5кВт	5.5...7.5кВт
Напруга живлення	1 фаза, 208...240 В ±10% 3 фази, 208...240 В ±10% 3 фази, 380...500 В ±10%		3 фази, 208-420 В±10% 3фази, 308-500 В±10% 3фази, 525-575 В±10%
Вихідна частота	0...400Гц	0...400Гц	0...400Гц
Розширення за частотою	0.01Гц	0.01Гц	0.01Гц
Перевантажувальна здатність	150%від номін.струму на протязі 60 с.	150%від номін.струму на протязі 60 с. 200%від номін.струму на протязі 3 с.
Метод керування	Вольт-частотний: лінійний (U/f) і квадратичний (U/f2)	Потокозчепленням (FCC), векторний(SVС) вольт-частотний: лінійний (U/f) і квадратичний(U/f2)
Дискретні входи (програмовані)	3(18функцій)	6(24функцій)	6(24функцій)
Аналогові входи	1 (0...10В, 2...10В)	2 (0...10В, 2...10В, ±10В, 0./4...20мА)
Аналогові виходи		1(0/4...20мА)	2(0/4...20мА)
Дискретні релейні виходи (параметричні)	1 110В/0.3А змін. струму, 30В/1.0А пост.струму	2 240В/0.8А змін.струму 30В/2.0А пост.струму
Метод охолодження	Пограмно-керований вентилятор		Вентилятор
Діапазон робочих температур	від 0 до 500С	від 0 до 500С	від 0 до 400С(500С без кожуха)
Степінь захисту	ІР20	ІР20	ІР21/ІР56

 

Рисунок 8.5-Перетворювач частоти серії MIKRO/MIDIMASTER Eco

 

Таблиця 8.2- Основні технічні параметри перетворювачів серії MICRO/MIDIMASTER Eco

Тип перетворювача частоти	MICROMARTER Eco 6SE95	MIDIMARTER Eco 6SE95
Діапазон потужностей	0, 75...7, 5кВт	5, 5...315кВт
Напруга живлення	3 фази, 208-240 В±10% 3 фази, 308-500 В±10%	3 фази, 208-240 В±10% 3фази, 308-460/480/500В±10% 3 фази, 525-575 В±10%
Перевантажувальна здатність	150% від ном.струму на протязі 60 с.	110% від ном.струму на протязі 60 с.
Метод керування	Режим оптимізації електроспоживання (Есо) Вольт-частотний квадратичний(U/f2)
Дискретні входи (програмні)	6	6
Аналогові входи	2(0...10В, 2...10В, ±10В, 0/4...20мА)
Аналогові виходи	1(0/4-20мА)	2(0/4-20мА)
Дискретні релейні виходи(параметричні)	2 230В/1, 0А змін. струму	2 230В/1, 0А змін. струму
Фіксовані частоти	8	8
Способи гальмування	Генераторне, динамічне, комбіноване
Методи охолодження	Вентилятор	Вентилятор
Діапазон робочих температур	Від 0 до 500С	Від 0 до 400С
Ступінь захисту	ІР20/ІР56	ІР21/ІР56

Перетворювачі частоти MICROMASTER Eco і MIDIMASTER Eco (рис. 8.5) розроблені для застосування в системах опалення, вентиляції, водопостачання, в установках для кондиціонування повітря. Завдяки своїм характеристикам, вони дозволяють значно знизити експлуатаційні витрати. Перетворювачі мають вбудований ПІД-регулятор і функцію енергозбереження. Діапазон потужностей від 0, 75 кВт до 315 кВт. Їх основні технічні параметри представлені в табл. 8.2.

Для експлуатації у складних умовах навколишнього середовища можна використовувати перетворювачі у виконанні зі ступенем захисту IP56.

Перетворювачі MICROMASTER Integrated призначені для безпосереднього монтажу на двигун. З їхньою допомогою будь-який двигун змінного струму з постійною швидкістю обертання, у тому числі й вітчизняного виробництва, може стати двигуном із регульованою швидкістю обертання. Перетворювачі MICROMASTER Integrated сполучаються з двигунами за допомогою адаптаційної плати MIP (Motor Interface Plate), що стикує електричні виходи двигуна й перетворювача. Перетворювач кріпиться до встановленої на двигуні адаптаційної плати чотирма болтами.

Перетворювач серії COMBIMASTER являє собою компактний модуль, що складається з низьковольтного асинхронного двигуна з короткозамкнутим ротором і перетворювача частоти. Таке виконання значно полегшує інтеграцію привода в установку (рис. 8.6).

                              

Рисунок 8.6-Перетворювачі частоти серії COMBIMASTER.

Крім регулювання швидкості, перетворювачі частоти дозволяють уникнути кидків струму при пуску двигуна і забезпечити його захист в аварійному режимі.

До перетворювачів пропонується широкий вибір додаткових компонентів для надійної і комфортної роботи, таких як вхідні й вихідні дроселі, фільтри електромагнітної сумісності, багатофункціональний пульт із чотирьохрядковим дисплеєм на рідких кристалах, що дозволяє здійснити одночасне керування максимум 31 перетворювачем з одного пульта і забезпечити підключення перетворювача до комп'ютера за допомогою вбудованого в пульт перетворювача інтерфейсів RS-232/RS-485 (рис. 8.7).

                                                 

Рисунок 8.7-Багатофункціональний пульт керування

 

⇐ Предыдущая14151617181920212223Следующая ⇒

Поделиться: