Формирование механических характеристик электроприводов водоотливных установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формирование механических характеристик электроприводов водоотливных установок

План

1. Анализ ЕП систем водоотлива

2. Способы управления АД

3. Анализ законов частотного регулирования

4. Обоснования и выбор закона частотного регулирования для водоотливных установок

1. Анализ ЕП систем водоотлива

Наиболее эффективным и экономичным способом управления является применение частотно-регулируемого привода одним (или несколькими, при работе нарезные водоводы) насосным агрегатом в большинстве случаев приносит дополнительную экономию электроэнергии за счет оптимальной работы системы двигатель-насос-трубопровод. Одним из главных преимуществ использования регулируемого электропривода насосных агрегатов является возможность адаптации его характеристик к характеристикам гидравлической сети посредством выбора рациональной номинальной скорости вращения рабочего колеса, отвечающей основному режиму работы установки. При этом номинальная скорость может быть как выше, так и ниже стандартного значения. Большинство насосов и насосных станций работает или объективно должны работать с переменной производительностью. Гидравлические способы не экономичны и не дают возможности автоматизированного регулирования.

Применение регулируемого электропривода в насосных установках, с одной стороны, уменьшает потребление электроэнергии, с другой - требует дополнительных капитальных затрат. Поэтому целесообразность применения регулируемого электропривода в насосных установках определяется сравнением приведенных затрат двух вариантов: базового и нового. За новый вариант принимается насосная станция, оснащенная регулируемым электроприводом, а за базовый - установка, агрегаты которой работают с постоянной частотой вращения. Таким образом, по аналогии с энергоресурсосбережением, использование частотно-регулируемого электропривода можно назвать "ресурсосберегающей" технологией, значительно увеличивающей срок службы, как самого двигателя, так и насосного агрегата. Указанный тезис может быть обоснован научно-техническими, конструкторскими, проектными, организационными, маркетинговыми и эксплуатационными соображениями.

2. Способы управления АД

электропривод водоотлив двигатель асинхронный

Основным способом плавной регулировки скорости конденсаторного однофазного двигателя является частотный метод, реализуемый с помощью трехфазных или однофазных ШИМ-инверторов (преобразователей частоты), а также метод фазовой регулировки напряжения с помощью тиристорных регуляторов мощности.

Рис. 1 V/F управление с помощью трехфазного ШИМ-инвертора

В данном случае используется стандартный преобразователь частоты с мостовой схемой IGBT-транзисторов, формируемый на выходе трехфазное напряжение с фазовым сдвигом на 120 градусов. Обмотки двигателя и их средняя точка подключаются к трем выходным фазам инвертора. Конденсатор, при этом, из схемы должен быть исключен. Так как обмотки геометрически сдвинуты на 90 градусов, а напряжение, прикладываемое к ним - на 120 электрических градусов, то полученное поле не будет круговым, и как следствие, момент будет пульсирующим. Причем среднее его значение за период будет меньше, чем в случае питания от напряжений со сдвигом 90 градусов.

При схеме подключения на рис.2 действующее напряжение на главной обмотке (Vгл) будет равно разности напряжений фаз A и C, а напряжение на дополнительной обмотке

(Vдоп) = Vb-Vc.

Изменяя порядок коммутации IGBT-транзисторов, можно легко изменять чередование напряжение на обмотках, а следовательно и направление вращения двигателя без каких-либо дополнительных аппаратных средств.

Достоинства:

* доступность на рынке и достаточно низкая цена преобразователей частоты с трехфазным выходом;

* возможность реверсивной работы;

* хороший диапазон регулирования скорости и возможности, присущие большинству преобразователей частоты (аналоговые и дискретные входы/выходы, ПИД-регулятор, предустановленные скорости, коммуникационные интерфейсы, защитные функции, и т.д.).

Недостатки:

* пониженный и пульсирующий момент двигателя, повышенный его нагрев;

* не все преобразователи частоты и конденсаторные двигатели годятся для данного метода, требуется предварительный анализ характеристик преобразователя и конструкции двигателя. К тому же, большинство производителей частотных преобразователей в своих инструкциях запрещают подключение однофазных двигателей, и в случае поломки могут снять с изделия свои гарантийные обязательства.

3. Анализ законов частотного регулирования

По характеру зависимости момента механизма от его скорости - Мс=f(щ) можно выделить следующие механические характеристики производственных механизмов:

· не зависящая от угловой скорости механическая характеристика

Mc=const; Pc =k ·щ; (1.1)

· нелинейно-спадающая механическая характеристика или работа с постоянной мощностью

M_c=k·щ^-1;P_c=const; (1.2)

· нелинейно-возрастающая механическая характеристика или вентиляторная нагрузка

·

M_c=k·щ²;P_c= k·щ³; (1.3)

В частотно-регулируемых электроприводах переменного тока зависимости (1.1) - (1.3) можно сформировать и для электромагнитных моментов двигателей. Например, при постоянном моменте нагрузки (Mс=const) управление напряжением и частотой тока статора асинхронного двигателя должно осуществляться по закону:

U1 j/f1 j =const; (1.4)

При нелинейно-спадающей нагрузке Mс=k·щ^-1 - закон управления напряжением и частотой принимает вид

U²1 j/f1 j =const; (1.5)

Наконец, при "вентиляторной" нагрузке Mс= k·щ² напряжение и частота должны изменяться в соответствии с зависимостью

U1 j/f²1 j =const; (1.6)

Законы управления (1.4)-(1.6), связывающие напряжение, частоту и характер нагрузки, описываются формулой М.П. Костенко:

(1.7)

где U1н - номинальное напряжение питающей сети, В; U1 j - напряжение на выходе преобразователя частоты; Mc- статический момент на валу асинхронного двигателя при данной частоте f1 j .

Из (1.2) следует, что, например, для привода, работающего с постоянной мощностью, увеличение скорости в четыре раза приводит к уменьшению статического момента Мстакже в четыре раза. При этом потери в стали и на намагничивание уменьшаются, а перегрузочная способность двигателя остается примерно постоянной:

(1.8)

где Mк- критический момент двигателя, Н·м.

Таким образом, для того, чтобы наиболее эффективно реализовать принципы частотного управления асинхронным двигателем, необходимо в соответствии с видом нагрузки на валу двигателя управлять напряжением, подводимым к статору, взаимосвязано с изменением частоты тока статора. Перечисленные режимы управления достаточны для большинства механизмов. Однако закон управления (1.7) справедлив только в первом аналитическом приближении, когда активным сопротивлением статора R1 можно пренебречь. В действительности, при малых значениях частоты (f1?0,5·f1н) падение напряжения на сопротивлении 1 R существенно снижает величину напряжения, прикладываемого к контуру намагничивания, и критический момент асинхронного двигателя уменьшается. При более точном анализе, учитывающем падение напряжения на сопротивлении R1, механические характеристики принимают вид, показанный на рис. 1.1. Так, например, при законе управления U1j /f1j = const, предполагающем постоянство критического момента, наблюдается его снижение при уменьшении частоты j f1 .

Рисунок 1.1 - Механические характеристики производственных механизмов и электроприводов преобразователь частоты - асинхронный двигатель

4. Обоснования и выбор закона частотного регулирования для водоотливных установок

Скалярное управление или U/f²-регулирование асинхронным двигателем является наиболее эфективным для данной водоотливной установки, так как это изменение скорости двигателя путем воздействия на частоту напряжения на статоре при одновременном изменении модуля этого напряжения.

При U/f ²-регулировании частота и напряжение выступают как два управляющих воздействия, которые обычно регулируются совместно. При этом частота принимается за независимое воздействие, а значение напряжения при данной частоте определяется исходя из того, как должен изменяться вид механических характеристик привода при изменении частоты, т.е., из того, как должен меняться в зависимости от частоты критический момент.

Для реализации такого закона регулирования необходимо обеспечить постоянство соотношения U/f ²=const, где U-напряжение на статоре, а f-частота напряжения статора.

При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.

К законам U/f-регулирования можно отнести законы, связывающие величины и частоты питающего двигатель напряжения (U/f=const, U/f2=const и другие). Их достоинством является возможность одновременного управления группой электродвигателей.

Скалярное управление используется для большинства практических случаев применения частотного электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя без использования датчика обратной связи до 1:40.

Алгоритмы скалярного управления не позволяют реализовать контроль и управление вращающим моментом электродвигателя, а также режим позиционирования. Наиболее эффективная область применения данного способа управления: вентиляторы, насосы, конвейеры и т.д.

Размещено на Allbest.ru