Приклади використання частотно-керованого електроприводу

Енергозбереження в силових електроприводах.

ЛЕКЦІЯ 2

2.1 Приклади використання частотно-керованого електроприводу

2.2 Аналіз енергозбереження в ЕМСА із некерованими ЕП

2.3 Енергозбереження в ЕМСА з керованими електродвигунами

2.4 Енергозбережні системи ЕП з асинхронними двигунами, керованими за напругою статора

2.1.1 КЕРУВАННЯ ПОТОКОМ РІДИНИ Й ГАЗУ

Асинхронні двигуни звичайно використовуються для привода вентиляторів і насосів для транспортування потоків рідин і газів. Вони знаходять застосування у всіх областях комерційної й промислової діяльності. Прикладами можуть служити вентилятори, піддувала, вентилятори парових казанів, насоси для перекачування грузлих рідин і вентилятори живильників казанів. Звичайно ці двигуни працюють при всіх навантаженнях з постійною швидкістю. Керування потоком здійснюється з використанням механічних дроселів, клапанів і вентилів.

Рис. 2.1

Типовий приклад показаний на мал. 2.1, де двигун змінного струму приводить вентилятор охолодження. Двигун розрахований за критерієм максимального навантаження повітря, що коли перекачується, задовольняє максимальним технологічним вимогам. Якщо процес вимагає меншу кількість повітря, його потік зменшують підстроюванням вихідних дроселів, що обмежують потік. Однак, при обмеженні потоку повітря, споживана потужність двигуна залишається близькою до її номінального значення, хоча потік по вимогах технології набагато менше максимального його значення. Таким чином, при регулюванні потоку механічні дроселі й клапани розсіюють енергію, споживану двигуном з постійною швидкістю.

Важливою характеристикою вентиляторів і насосів є те, що потік пропорційний швидкості вентилятора або насоса. Ця властивість була застосована розробниками в минулому для конструювання ремінних або редукторних передач, використовуваних двигуном з постійною швидкістю. Сьогодні потік може бути змінений регулюванням швидкості обертання двигуна насоса або вентилятора, як показано на мал. 2.2.

Рис. 2.2

При низьких швидкостях, зі зменшеним потоком, споживання потужності є лише малою часткою номінальної потужності. Енергія, що розсіюється традиційними елементами регулювання при досягненні малих потоків, може бути зекономлена зменшенням швидкості обертання вентилятора або насоса. З використанням частотно-регульованого привода швидкість обертання вентилятора або насоса може регулюватися для задоволення вимог процесу без розсіювання енергії.

Якщо вентилятор або насос працюють на малій швидкості більшу частину робочого циклу, то застосування частотно-регульованого привода дасть відчутний економічний ефект.

Деякі турбомеханізми, що працюють при навантаженні, близької до номінальної, можуть використовуватися разом із частотно-регульованим приводом, хоча це й не приведе до істотного заощадження енергії. Такі режими, як керований розгін і гальмування, особливо коли мова йде про вентилятори й насоси з великою інерцією, роблять частотне керування виправданим.

Необхідно також взяти до уваги обмеження моменту й швидкості, які повинні бути застосовані при використанні частотно-регульованого привода в турбомеханізмах. При навантаженнях з великою інерцією, потрібно подбати про обмеження роботи на кривій моменту-швидкості подалі від області зриву моменту. Також повинна бути прийнята до уваги сумісність окремих видів частотно-регульованого привода для підтримки роботи на низьких швидкостях (нижче 20% від максимальної швидкості).

2.1.2. ПЕРЕМІЩЕННЯ МАТЕРІАЛІВ

Машини для переміщення матеріалів використовуються для навантажувальних, розвантажувальних і транспортних операцій. Прикладами можуть служити конвеєри, підйомні крани, автонавантажувачі, елеватори. Ці установки вимагають спеціальних приводів для забезпечення вимог безпеки, захищеності й портативності. Часто використовуються двигуни постійного струму для задоволення вимог регулювання швидкості й великого моменту.

На мал. 2.3 показаний електронавантажувач. Тут через вимоги великого моменту при низькій швидкості використовується привод постійного струму із серійною обмоткою. У такого двигуна м'яка статична характеристика, що забезпечує максимальний момент при більших навантаженнях. Швидкість може регулюватися за допомогою реостата, установленого послідовно із двигуном. Цей двигун для мобільності добре сполучимо з електричними батареями, від яких він живиться. Однак існує кілька недоліків, включаючи технічне обслуговування колектора, чутливість до вологи й бруду, низька ефективність. Колекторний двигун постійного струму вимагає частих оглядів і технічного обслуговування, що збільшує час простоїв.

Рис. 2.3

Асинхронні двигуни можуть широко використовуватися в механізмах для переміщення матеріалів. При цьому не потрібне техобслуговування колектора, немає електромеханічних контакторів і комутаційних апаратів, і немає розсіювання енергії в додаткових опорах. Також, для мобільного встаткування, асинхронний двигун має меншу вагу в порівнянні із ДПС тієї ж потужності. Момент може регулюватися одночасною зміною напруги й частоти для точного керування швидкістю.

Рис. 2.4

Розглянемо застосування частотно-регульованого електропривода на прикладі електронавантажувача (мал. 2.4). Тут ми бачимо, що інвертор (И) використовується для перетворення енергії постійного струму батарей в енергію змінного струму регульованої напруги й регульованої частоти. На трифазному виході інвертора момент поступово збільшується під час пуску АД й залишається постійним для розгону. Коли досягається необхідна потужність, частота на виході інвертора збільшується для досягнення високої швидкості.

Швидкість двигуна може бути швидко знижена за допомогою гальмування в генераторному режимі, що є важливою характеристикою для приводів мобільного встаткування. Рекуперативне гальмування в частотно-регульованому приводі досягається зменшенням частоти інвертора настільки, щоб відповідна їй синхронна швидкість була нижче, чим швидкість двигуна. Це змушує двигун працювати в генераторному режимі й перетворювати механічну енергію руху в електричну, яка подається назад на батареї. Частотно-регульований привод із широтно-імпульсною модуляцією найбільше добре відповідає цьому призначенню, тому що в ньому немає лінії змінного струму, по якій би відбувалася віддача реактивної енергії в мережу. Крім того, немає додаткових інверторних ланцюгів, випрямних ланцюгів і скільки-небудь значної фільтрації. Це робить конструкцію частотно-регульованого привода гранично простою.

Використання частотно-регульованого привода в перевезенні матеріалів дає в результаті поліпшене виконання при підвищеній ефективності. При цьому зменшуються витрати на обслуговування й, завдяки рекуперації, потрібні менші батареї для мобільних установок у порівнянні із приводом постійного струму.

2.1.3. КЕРУВАННЯ ЧАСОМ ЗАТРИМКИ В ХІМІЧНИХ ПРОЦЕСАХ

Керування часом затримки є необхідним елементом у хімічних процесах. Час затримки обумовлює досягнення певного щабля реакції, відстою, здрібнювання і т.д. Процес може регулюватися контролюванням вхідних значень, класифікатором вихідних значень або їх комбінацією. У промисловості це наступні процеси: мінералізація, кристалізація, фільтрація, змішування, операції з відходами. У цих процесах традиційно використовуються двигуни з постійною швидкістю. Загальноприйняте, що ці застосування вимагають низькошвидкісних операцій, тому тут використовуються редуктори або пасові передачі, що знижують швидкість.

Рис. 2.5

На мал. 2.5 показаний кульовий млин із традиційним приводом, що виконує операцію перемелювання на цементному заводі. Двигун змінного струму приводить в рух млин за допомогою фіксованого комплекту передач. Ступінь здрібнювання є функцією швидкості обертання млина й ступені подрібнення подаваного на вхід матеріалу. У цьому випадку процес регулюється ланцюгом повернення шляхом класифікації виходу млина й повернення неопрацьованого матеріалу в млин для повторної обробки. Втрати енергії є функцією частки виходу, яка повинна бути повернута.

Використання частотно-регульованого привода в цьому випадку дозволяє управляти процесом регулювання часу здрібнювання матеріалу шляхом зміни швидкості обертання двигуна, а не швидкості подачі матеріалу. Енергія зберігається за рахунок зменшення повторної циркуляції матеріалу.

Рис. 2.6

У кульовому млині на мал. 2.6 необхідний ступінь здрібнювання може бути досягнута застосуванням частотно-регульованого привода. Система, що складається з низькошвидкісного синхронного двигуна й перетворювача частоти, є найбільш підходящою комбінацією. Такі системи частотно-регульованого привода використовуються в більших цементних кульових млинах. Синхронні двигуни можуть бути сконструйовані для роботи на низьких швидкостях, навіть нижче 120 об/хв.

У даному прикладі використання частотного керування виключає редуктори й реверс матеріалу. У результаті одержуємо більш високу ефективність, менші витрати й поліпшена якість продукції.

Спеціальний клас перетворювачів для низькошвидкісних частотно-регульованих приводів називається циклоконверторами. Вони кращі, коли максимальна необхідна швидкість є частка номінальної швидкості більших синхронних двигунів. Циклоконверторы змінюють вхідні напругу й частоту без використання випрямляча й інвертора.

2.1.4. МОДЕРНІЗАЦІЯ ВЕРСТАТНОЇ ОБРОБКИ НА ВИРОБНИЦТВІ

У деяких верстатах використовуються двигуни з постійною швидкістю обертання. Представниками такого встаткування можуть бути токарні верстати, ріжучі верстати, електропилки, стрічково-шліфувальні верстати. Процеси обробки вимагають певний діапазон робочих швидкостей залежно від типу оброблюваного матеріалу. Регулювання швидкості здійснюється за допомогою ремінної передачі або редуктора.

Якщо потрібно більш точне керування швидкістю, може застосовуватися векторний метод. Цей метод дозволяє контролювати швидкість у межах ±1%. При додаванні тахогенератора можливо збільшити точність до ±0.1%.

На мал. 2.7 показаний токарний верстат із двигуном змінного струму з постійною швидкістю обертання. Регулювання швидкості здійснюється за допомогою східчастої ремінної передачі. Переміщення приводного паса з одного колеса на інше дозволяє змінювати передаточне число передачі. Найбільше колесо на валу двигуна відповідає найменшому колесу на валу шпинделя й навпаки, для підтримки натягу ременя.

Рис. 2.7

Хоча такий пристрій є простим і енергетично ефективним, швидкості при цьому фіксовані й обмежені числом щаблів ремінної передачі або редуктора. Крім того, перемикання щаблів швидкості обтяжливо й займає якийсь час. Звичайно це робиться з відключенням устаткування від мережі.

З метою збереження довгого терміну служби інструментів і високої якості продукту, необхідно підтримувати постійну швидкість різака й постійний ріжучий момент. Це, у свою чергу, означає, що повинна підтримуватися постійна потужність, у той час як швидкість підбирається під діаметр, що змінюється в ході процесу. У випадку фрезерування, швидкість повинна змінюватися відповідно до діаметра оброблюваного інструмента й товщини шару захвату.

Рис. 2.8

Частотно-регульовані привода добре пристосовані для застосування у верстатній обробці, тому що вони дозволяють змінювати швидкість із великою точністю й на тривалий проміжок часу. Рис. 2.8 ілюструє цей приклад. Частотно-регульований привод нормально працює в діапазоні частот від 50 до 100 Гц. Це гарантує довгий термін служби інструментів і кращу якість продукту на додаток до гнучкості й досягається без застосування ременів або редукторів. Більше того, частотно-регульовані привода легко сумісні із програмувальними контролерами, міні- і мікрокомп'ютерами для автоматизації й для впровадження цифрових систем.

Необхідно помітити, що використання частотно-регульованого привода нижче 50 Гц у випадках, що вимагають постійну потужність на низьких швидкостях, може бути технічно недоцільним. У цих випадках потужність частотно-регульованого привода зменшується нижче потужності двигуна й результатом може бути недостатній момент.

2.1.5. КЕРУВАННЯ ЧАСОМ НАГРІВАННЯ ДЛЯ еКСТРУЗії Й МОЛДИНГА

Процеси екструзії й молдинга знаходять відображення при обробці металів, пластику, у керамічній промисловості. Деякі традиційні пристрої для контролю теплоти/часу - міксери, збудники й екструдери. Температура й час є критичним у цих процесах, тому що вони підвищують якість матеріалу й підтримують необхідне ковзання між частинами, що рухаються. Двигуни змінного струму звичайно використовуються разом з яким-небудь типом електричного або гідравлічного сполучення для керування швидкістю.

Рис. 2.9

Гвинтовий екструдер пластику із традиційним керуванням показаний на мал. 2.9. Двигун змінного струму з постійною швидкістю обертає лопати усередині труби машини для просування пластику через вихідний отвір. Індукційна муфта регулює швидкість обертання лопат, щоб погодити зміни температури й составу пластику.

Зовнішня частина (статор) індукційної муфти подібна по конструкції з обмоткою двигуна постійного струму. Внутрішня частина (ротор) схожа на ту ж частину асинхронного двигуна, однак, і статор, і ротор обертаються. Статор з'єднаний з вихідним валом двигуна, а ротор сполучений із приводним валом екструдера. Коли до обмоток статора прикладають струм, створюється магнітне поле, яке проникає в ротор і індукує у ньому струм. Цей струм забезпечує магнітне сполучення між двома валами. Ковзання між ними назад пропорційно величині струму, прикладеного до котушок статора. При високому ступені екструзії по котушках протікає максимальний струм. При низьких рівнях струм зменшується для забезпечення ефективного ковзання.

Індукційна муфта має прийнятну ефективність поблизу номінальної швидкості. Вона стає неефективною при зменшенні швидкості, особливо у випадках роботи протягом тривалих періодів часу й при менш ніж 90% номінальної швидкості. Втрати ковзання індукційної муфти розсіюються як теплова енергія. У випадках більших розмірів потрібне водяне охолодження. Ці муфти також вимагають обережного обслуговування через малі повітряні зазори між статором і ротором.

Частотно-регульований привод забезпечує високу якість керування швидкістю без використання тахогенератора, застосовуваного для контролю швидкості індукційної муфти. Рівень екструзії підлаштовується до швидкості обертання гвинта екструдера.

Рис. 2.10

На мал. 2.10 замість традиційного привода (двигун і індукційна муфта) представлено частотне керування. Частотно-регульований привод управляє швидкістю гвинта екструдера, відповідно до змін у температурі пластику або рівнем продуктивності. З використанням частотного керування можна уникнути більших втрат ковзання в індукційній муфті, що приведе до більшої ефективності процесу. Також зникають вимоги до обслуговування індукційної муфти.

2.1.6. РЕГУЛЮВАННЯ ШВИДКОСТІ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ Й ТОЧНОСТІ ПРИ МЕХАНІЧНІЙ ОБРОБЦІ МАТЕРІАЛІВ

Якість і точність дуже важливі при опоряджувальних роботах у таких процесах, як заточення, полірування й ін. Звичайно використовуване для цих цілей устаткування - це круглі й безцентрові шліфувальники. Керування швидкістю необхідно для регулювання рівня заточення в комбінації зі швидкістю подачі. Звичайно використовуються шунтові двигуни постійного струму, тому що їх швидкість регулюється й мало міняється залежно від навантаження. Регулювання швидкості в такому двигуні здійснюється зміною струму збудження.

На мал. 2.11 показаний круглий шліфувальник із традиційним приводом, що обробляє довгий сталевий прут. ДПТ із шунтовою обмоткою приводить два точильні колеса з відповідної кожному з них швидкістю. Регулювання струму шунтової обмотки приводить до зміни швидкості. Струм поля збільшують для зменшення швидкості двигуна й зменшують для її збільшення. Недоліками такого привода є: обслуговування двигуна, особливо комутатора й щіток, висока первісна вартість контролера швидкості.

Рис. 2.11

Необхідність підвищення якості й точності процесу механічної обробки матеріалів вимагає застосування частотно-регульованого привода, що підходить для оздоблювальних операцій, особливо коли здійснюється регулювання багатодвигунних приводів.

Рис. 2.12

Для круглого шліфувальника на мал. 2.12 точне регулювання швидкості може бути досягнуте використанням системи частотно-регульованого привода, що полягає з окремих двигунів для кожного точильного колеса, що й живляться від загального перетворювача частоти. Двигуни можуть бути асинхронними двигунами з низьким ковзанням. Синхронні двигуни використовуються, коли точність є основною вимогою. Тому що швидкість кожного точильного колеса пропорційна частоті живлення напруги двигуна, обоє точильних колеса можуть управлятися одночасно регулюванням частоти загального перетворювача.

Особливу увагу необхідно приділити двигунам, що живляться від загального перетворювача. Важливо взяти до уваги відносні зміни швидкості при різних моментах навантаження на валах двигунів. У таких випадках необхідно використовувати асинхронні двигуни з низьким ковзанням. Нерівномірно розподілене навантаження може привести до критичного значення моменту окремих двигунів. Через цю причину необхідний індивідуальний захист від перевантаження кожного двигуна.

2.1.7. КЕРУВАННЯ РІВНЯМИ ПОТОКІВ МАС

Потоки мас знаходять своє застосування в харчовій промисловості, вугільних дворах, хімічних заводах і т.д. Застосовується таке встаткування, як фідери, гвинтові насоси, ковшові підйомники. Традиційно використовується двигун змінного струму з постійною швидкістю обертання з яким-небудь типом механічного регулятора швидкості. Власна швидкість механізму повинна бути такою, щоб наступний щабель потоку, такий як конвеєр, одержувала безперервну й рівномірну кількість матеріалу.

Зворотним зв'язком для потоку в цій ситуації є в основному затримка часу. Маса вихідного конвеєра приблизно пропорційна масі потоку. Однак, існує великий усереднюючий ефект завдяки довжині конвеєра. Таким чином, вихідний конвеєр повинен бути як можна більш коротким для зменшення усереднюючого ефекту. Дія регулятора швидкості повинна бути вповільнена для узгодження помилок зворотного зв'язка й для недопущення поломки регулятора. При цих умовах установка більш стабільна без якої-небудь компенсації ковзання. Така система має меншу тенденцію до «перекидання» через помилки в потоці мас.

Рис. 2.13

На мал. 2.13 показаний фідер у вигляді обертової пластини із традиційним керуванням. Двигун змінного струму з постійною швидкістю обертання приводить фідер за допомогою ремінної передачі з регульованим зазором барабанів. Переміщенням пари ближче - далі, одночасно переміщаючи іншу пару далі - ближче, можна змінювати передаточне число. Передача розроблена з таким розрахунком, щоб підтримувати постійним натяг V-Ременя. Конструкція з пасовою передачею такого типу, хоча й дозволяє регулювати швидкість безступенево, вимагає істотного механічного обслуговування.

Використання систем частотно-регульованого привода в конструкціях для переміщення мас дозволяє регулювати швидкість без використання пристроїв для механічного керування швидкістю.

Рис. 2.14

На мал. 2.14 показана та ж конструкція, але із частотно-регульованим приводом з низько-швидкісним асинхронним двигуном, прямо сполученим з валом пластини фідера. Рівень подачі може регулюватися шляхом підбору швидкості двигуна. Процес має більшу ефективність завдяки виключенню втрат тертя в пасовій передачі. На додаток, система менш піддана перевантаженням або недовантаженням. Також виключається часте обслуговування ремінної передачі описаної вище конструкції.

Дата добавления: 2013-12-13