расширение сферы использования регулируемого по

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
УДК 621.313
РАСШИРЕНИЕ СФЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО
ПО НАПРЯЖЕНИЮ АСИНХРОННОГО ПРИВОДА
Юхименко М.Ю., Гладырь А.И.
Кременчугский государственный политехнический университет
Институт электромеханики, энергосбережения и компьютерных технологий
Гомилко В.И.
ЗАО “Научно-технический центр “Информационные системы”, Кременчуг
Введение. Большое разнообразие технических
производства;
объектов,
приводимых
в
движение
- совершенствования
существующих
и
электроприводом, широкий диапазон мощности и
разработки новых технологических процессов;
скорости вращения приводит к соответствующему
- снижения себестоимости, повышения качества
разнообразию
структурных,
конструктивных,
и конкурентоспособности продукции;
схемотехнических решений, применяемых в
- рационального использования и сохранения
различных системах электропривода.
ресурсов и электроэнергии;
Наиболее
распространенному
в
- достижения оптимальных и согласованных
промышленности электроприводу с асинхронными
режимов работы разнообразного оборудования,
двигателями (АД) с короткозамкнутым ротором
машин и механизмов в сложном современном
присущи
малая
управляемость
и
низкие
производстве;
динамические свойства. Малая управляемость
- повышение надежности и увеличение сроков
обусловлена невозможностью изменения скорости
их безотказной работы;
в широком диапазоне при постоянной частоте
- снижение
количества
выпуска
питающей сети, а также трудностями реализации
недоброкачественной
и
бракованной
режимов плавного пуска, точной остановки,
продукции;
позиционирования
и
отработки
малых
- уменьшение
расходов
на
ремонт
и
перемещений, а возникающие при коммутации
эксплуатацию.
знакопеременные электромагнитные моменты
По указанным причинам доля РЭП в
существенно ухудшают переходные режимы.
промышленности США составляет 40%, а в ФРГ Цель работы. Целью работы является анализ
50% [11]. Для этого используются все возможные
возможности повышения управляемости АД путем
варианты РЭП независимо от их сложности и цены.
улучшения характеристик регулирования скорости
Такое значительное внимание, которое уделяется
и момента двигателя, снижение знакопеременных
зарубежными специалистами РЭП, объясняется
моментов двигателя в динамических режимах и
тем, что без него невозможна реализация
анализ
возможностей
расширения
сферы
современных технологических процессов, высокое
использования регулируемого по напряжению
качество продукции и эффективности (получение
асинхронного электропривода.
прибыли). Экономическая эффективность от
Материалы и результаты исследования. В
перечисленных показателей значительно (на дванастоящее время существует и постоянно
три порядка) выше, чем эффективность от
увеличивается число промышленных машин и
повышения
энергетических
показателей
механизмов, которые работают в повторно(коэффициентов мощности и полезного действия).
кратковременных или интенсивных динамических
Поэтому при выборе типа РЭП в каждом
режимах
(частых
пусков,
торможений,
конкретном случае на первый план выдвигаются
реверсирования, повторных включений и т.п.), в
его преимущества, хотя и энергетические
тяжелых условиях пуска (разгона больших маховых
показатели также учитываются.
масс на протяжении значительного промежутка
В то же время доля регулируемого РЭП в
времени), в режимах регуляции частоты вращения
странах СНГ составляет несколько процентов.
или управления необходимыми режимами работы и
Этим объясняется невысокий уровень качества
движения по заданным законам, тахо- и
продукции и значительные энергозатраты на ее
циклограммам
и
другими
требованиями
изготовление.
современного сложного производства.
Для решения задач регулирования скорости АД
В этих условиях использование регулируемого
с короткозамкнутым ротором, в настоящее время
электропривода
(РЭП)
во
всех
отраслях
наибольшее применение получили следующие
промышленности, сельском и коммунальном
способы регулирования: изменением частоты
хозяйствах, на транспорте обеспечивает решение
питающего напряжения, амплитуды питающего
следующих важных задач:
напряжения, числа пар полюсов статора (табл. 1).
- комплексной механизации и автоматизации
Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1
18
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
№
п/п
1
2
3
Таблица 1 Способы регулирования асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором
Рекомендуемый
Система
диапазон
Достоинства
Недостатки
привода
применения
КПД более 0,8 во всех Стоимость преобразователей
режимах регулирования
значительно (в 5-6 раз)
превышает
стоимость
двигателя
Система
с
тиристорным
Жесткие регулировочные Сложность управления и
преобразователем
характеристики во всех наладки схем
частоты (со звеном
режимах регулирования
до 1000 кВт
постоянного тока и
Возможность повышения Необходимость увеличения
непосредственным
частоты
вращения установленной
мощности
преобразованием
двигателя
выше асинхронного
двигателя
частоты)
номинальной
(выше вследствие
увеличения
частоты питающей сети)
потерь
при
питании
несинусоидальными
напряжением и током
КПД более 0,9 во всех Стоимость многоскоростного
режимах регулирования
двигателя в 1,7 раза выше
Система
с
обычного;
многоскоростными
Высокий
коэффициент Возможна
потеря
двигателями
До 40 кВт
мощности
во
всех
режимах
устойчивости
(переключение
пар
регулирования
центробежными
насосами
полюсов)
при
ступенчатом
регулировании
Система
с
Низкая
стоимость Энергия
скольжения
регулированием
дополнительного
рассеивается
напряжения на зажимах
оборудования
непосредственно в двигателе
статорных
обмоток
Малые
габаритные Возникновение
(автотрансформатором,
размеры
субгармонических колебаний
дросселями насыщения,
системы с частотой 3-5 Гц
Высокая
надежность
до 100 кВт
магнитными
вследствие
отсутствия при критическом скольжении
усилителями,
менее 20 % и тиристорном
скользящих контактов
реостатом,
регулировании напряжения
тиристорным
регулятором
напряжения)
Системы
привода
с
использованием
многоскоростных асинхронных двигателей находят
применение для технологических механизмов, по
условиям эксплуатации которых ступенчатое
регулирование скорости является допустимым и
составляют незначительную часть от общего
количества АД.
Основную часть регулируемого асинхронного
электропривода составляют системы, содержащие
статические полупроводниковые преобразователи.
Даже в тех случаях, когда не требуется изменение
скорости, применение таких преобразователей
позволяет
расширить
функциональные
возможности
электропривода
(повышение
пускового момента, ограничение токов, повышение
уровня защиты и диагностики, большая надежность
работы).
Как
правило,
необходимость
регулирования
скорости
или
момента
электроприводов производственных механизмов
диктуется
требованиями
технологического
процесса, но может дать и существенную
экономию энергии и материальных ресурсов. При
неполной загрузке рабочей машины работа привода
с
постоянной
скоростью
характеризуется
повышенным удельным расходом электроэнергии
по сравнению с номинальным режимом.
Кроме того, использование электропривода с
регуляторами напряжения в цепи статора АД
может быть рекомендовано для всех механизмов с
незначительным диапазоном изменения скорости,
для получения кратковременных сниженных частот
вращения турбомеханизмов, намоточных машин,
для кранов, подъемников, транспортно-складского
оборудования, других машин и механизмов
разнообразного назначения.
С другой стороны, в ряде случаев выдвигаются
необоснованные требования использовать системы
привода с плавным регулированием с большим
Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1
19
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
диапазоном регулирования для этих установок. В
то же время достаточно большой диапазон
регулирования производительности, например, для
механизмов с вентиляторным характером нагрузки
(рис. 1), можно получить при диапазоне изменения
скорости, не превышающем 20 % [2].
отдельного рассмотрения.
При работе двигателя в режиме частых пусков и
торможений большое значение имеют условия
формирования пусковых и тормозных моментов.
Механические
характеристики
асинхронного
двигателя при питании от преобразователя частоты,
работающего в режиме автономного источника
напряжения, снижают критический момент в зоне
малых частот. При этом существенное влияние
оказывает активное сопротивление обмотки фазы
статора r1 [6]. Для увеличения момента в зоне
малых частот приходится повышать напряжение на
статоре.
К другим недостаткам преобразователей
частоты относятся: уменьшение коэффициента
мощности
системы ПЧ–АД, это означает
увеличение реактивной составляющей входного
тока и, как следствие, суммарного тока,
потребляемого системой ПЧ–АД из сети. Причиной
этого являются высшие гармоники тока, а именно
5-я, 7-я, 11-я, 13-я, 17-я, 19-я гармоники,
генерируемые неуправляемым выпрямителем. То
есть в сети будут циркулировать, кроме токов
основной частоты 50 Гц, токи с частотами 250, 350,
550, 650, 850, 950 Гц. Выражения (1) и (2)
иллюстрируют негативное влияние данного
явления.
P U  I  cos1 I1
  1 1

 cos1 ,
(1)
S
U1  I S
IS
M*,%
100
Экструдер,
миксер
80
60
Конвейер,
компрессор
40
20
Насос,
вентилятор
0
20
40
60
80
 *,%
Рисунок 1 - Механические характеристики
типичных нагрузок
При разработке схемотехнических решений
силового канала асинхронного электропривода и
алгоритмов управления приходится учитывать
особенности, характерные для любого типа
электродвигателя, как нагрузки преобразователя:
- сильно индуктивный характер;
- наличие противо-ЭДС вращения;
- возможные кратковременные, но многократные
перегрузки по току;
- близость начального этапа пуска к режиму
короткого замыкания;
- рекуперация
механической
энергии
в
динамических и тормозных режимах;
- взаимосвязь электрических и магнитных
контуров разных фаз.
Дополнительно следует иметь ввиду,
что
разнообразие требований к электроприводу
(номинальные значения, диапазон, точность и
плавность регулирования скорости, способы
защиты и управления) не позволяет пока создать
полностью универсальное решение.
Одна из причин, по которой развитие РЭП в
нашей стране в течение значительного времени (2030 лет) не нашло должного развития, состоит в том,
что преобладало мнение, что проблема создания
РЭП успешно решается разработкой тиристорных
преобразователей частоты (ТПЧ). При этом
предполагалось, что для РЭП с ТПЧ смогут быть
применены
короткозамкнутые
АД
общепромышленного исполнения. Однако наряду с
достоинствами РЭП по схеме ТПЧ-АД (при
использовании АД с короткозамкнутым ротором)
имеют место недостатки [8], заслуживающие
IS 
N
 I n2
n 1
2
2
 I12  I 52  I 72  I11
 I13
 ... , (2)
где:  – коэффициент мощности системы ПЧ–
АД;
P – активная мощность, потребляемая из сети
системой ПЧ–АД;
S – полная мощность, потребляемая из сети
системой ПЧ–АД;
U1 – действующее значение первой гармоники
напряжения;
I1 – действующее значение первой гармоники
тока;
сos  – коэффициент мощности АД при питании
его от промышленной сети;
IS – действующее значение суммарного тока;
In – действующее значение n-гармоники тока.
Это вызывает необходимость установки
мощных
фильтров
для
обеспечения
электромагнитной совместимости электропривода с
сетью, что повышает стоимость и габариты
преобразователя; в связи с высокочастотной
модуляцией ускоряется процесс старения изоляции
обмоток
двигателя,
а
также
появляются
дополнительные потери в двигателе.
Другим широко распространенным видом
статических преобразователей в асинхронном
электроприводе являются тиристорные регуляторы
напряжения (ТРН).
ТРН - традиционная система плавного пуска и
Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1
20
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
управления
АД
путем
регулирования
действующего значения питающего напряжения
посредством
фазоимпульсного
управления
встречно-параллельными тиристорами в каждой
фазе регулятора. Система ТРН-АД обеспечивает
пуск асинхронного двигателя с ограничением
пускового тока до уровня 2...3 номинальных
значений. При этом, по сравнению с прямым
пуском, уменьшаются электродинамические усилия
в обмотках и связанное с ним механическое
повреждение их изоляции. Однако данная система
обладает
существенным
недостатком
значительное энерговыделение в двигателе в
процессе пуска. Это явление объясняется тем, что
физические процессы в двигателе такие же, как и
при прямом пуске, поскольку частота напряжения
на зажимах статорных обмоток двигателя равна
частоте питающей сети. Простое снижение тока
статора приводит к уменьшению момента
двигателя по сравнению с режимом прямого пуска.
Момент уменьшается в квадрате снижения тока в
каждой точке характеристики. Снижение момента
приводит к существенному увеличению времени
пуска и, следовательно, к увеличению энергии
потерь. Дополнительные потери вызываются
протеканием токов 5-й гармоники по статорным
обмоткам. Некоторое улучшение характеристик
ТРН дает применение т.н. «квазичастотного»
способа управления, при котором первая гармоника
выходного напряжения имеет частоту ниже
частоты сети и пульсации момента меньше. Это
мероприятие дает положительный результат, так
как
позволяет
осуществить
предпусковую
прокрутку агрегата при частотах 0 - 0,7 Гц [5].
Однако пуск АД все равно происходит в режиме
«подтягивания» частоты вращения двигателя к
выходной частоте ТРН. К тому же, реализовать
такой способ управления трехфазным регулятором
напряжения удается только до частоты 5-7 Гц, а
далее приходится переходить на обычное
регулирование напряжения частоты 50 Гц.
Использование
квазичастотного
способа
управления целесообразно при пуске нагруженных
двигателей.
Анализ характеристик системы ТРН-АД при
работе в режиме квазичастотного управления (рис.
2) показывает, что, несмотря на перспективность
разработок систем ТРН-АД с возможностью
квазичастотного
управления,
их
широкое
внедрение требует устранения или, по крайней
мере,
ограничения
имеющихся
негативных
особенностей подобных преобразователей:
- значительные пульсации момента М(t) (рис. 2, а);
- неравномерность угловой скорости (t) (рис. 2, б);
- негативное влияние на питающую сеть и, как
следствие, на соседних потребителей;
- повышенный уровень вибрации, вызванный
знакопеременными моментами;
- повышенный уровень нагрева от высших
гармоник;
ограниченные возможности формирования
требуемых
характеристик
M(t)
без
отрицательных участков.
Результаты моделирования (рис. 2) позволяют
сделать вывод о целесообразности использования
-
а
б)
Рисунок 2 - Характеристики системы ТРН – АД
в режиме квазичастотного управления:
а) - изменение момента; б) - изменение угловой
скорости
систем ТРН-АД с возможностью квазичастотного
управления при формировании заданных пусковых
характеристик в условиях тяжелого пуска АД.
Однако для реализации этих возможностей
необходимо
обеспечить
с
помощью
СУ
автоматическое регулирование угла  при
изменении частоты M и момента сопротивления
Мс [4].
Как показано в работе [10], асинхронные
двигатели
общепромышленного
исполнения
являются малочувствительными к искажению
формы
питающего
напряжения
высокими
гармоническими, за исключением третьей и
кратных ей. Поэтому перспективными являются
законы регулирования напряжения, позволяющие
получить спектр кривой выходного напряжения без
третьей и кратных ей гармоник [1, 3].
При этом задача улучшения спектра выходного
напряжения преобразователя требуют выполнения
схем регуляторов на вентилях с полным
Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1
21
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
управлением, чтобы иметь возможность включать и
выключать их в желаемые моменты времени. На
рис. 3 представлены схемы преобразователей на
ключах, позволяющие реализовать широтноимпульсное
регулирование
переменного
напряжения.
а)
б)
переменного напряжения могут реализовываться
или
встречно-параллельным
включением
полностью управляемых тиристоров – GTOтиристоров,
или
диодно-транзисторными
комбинациями, показанными на рис. 5. В схеме
ключа на рис. 5, а на транзистор с диодного моста
всегда поступает напряжение только необходимой
(рабочей) полярности для коллекторного перехода
транзистора. В схемах ключей на рис. 5, б, в
нерабочая полярность напряжения на транзисторе
снимается последовательными или параллельными
диодами соответственно.
в)
Рисунок 3 - Схемы регуляторов на ключах,
позволяющих реализовать широтно –
импульсное управление
а)
б)
в)
Рисунок 5 - Схемы ключевых элементов
регуляторов напряжения при широтно –
импульсном управлении
Схема регулятора на рис. 3, а позволяет
регулировать выходное напряжение вниз от
номинального
методом
однократного
или
многократного широтно-импульсного управления,
кривые выходных напряжений для которых
приведены соответственно на рис. 4, а, б. При этом
ключи К1 и К2 работают в противофазе, так что все
время такта Тт существует цепь для протекания
тока нагрузки, содержащей индуктивность. Схема
регулятора на рис. 3, б позволяет выполнять
комбинированное регулирование переменного
напряжения как за счет амплитудной, так и за счет
широтно-импульсной модуляции. Противофазное
переключение ключей К1 и К2 обеспечивает
переключение мгновенного значения выходного
напряжения регулятора между уровнями U1 и U2,
как видно из рис. 4, в. При необходимости
уменьшения выходного напряжения регулятора
ниже значения U2, в противофазе начинают
переключаться ключи К2 и К3, обеспечивая
многократное широтно-импульсное регулирование
выходного напряжения, аналогично рис. 4, б. На
основе этих принципов используют широтноимпульсное регулирование на несущей частоте,
значительно превышающей (в число раз,
называемое кратностью коммутации – Кт) частоту
выходного напряжения. Это смещает гармоники
напряжения, обусловленные регулированием, в
область более высоких частот, что облегчает их
фильтрацию на нагрузке [6].
а)
б)
При наличии у источника входного напряжения
собственной индуктивности это требует установки
входного
LC-фильтра.
Например,
при
многократном
широтно-импульсном
способе
регулирования выходного напряжения, при частоте
коммутации в несколько килогерц, форма тока iн в
нагрузке
регулятора
будет
практически
синусоидальной. При этом форма тока на входе
регулятора будет иметь вид, представленный на
рис. 6.
Рисунок 6 - Форма тока на входе регулятора
в одной из фаз регулятора при многократном
широтно – импульсном способе регулирования
выходного напряжения
Регуляторы трехфазного напряжения с широтно
– импульсным регулированием получают путем
объединения трех однофазных регуляторов. При
этом, используя свойство связности трехфазных
нагрузок без нулевого провода, можно упростить
схемы трехфазных регуляторов по сравнению с
прямым суммированием однофазных регуляторов.
При этом формы токов в фазах регулятора такие
же, как у однофазных регуляторов, только с
соответствующим временным сдвигом между
фазами.
Выводы.
Переход
от
нерегулируемого
в)
Рисунок 4 - Кривые выходных напряжений
регуляторов при однократном (а) и
многократном (б, в) широтно – импульсном
регулировании
Ключевые элементы для цепей регуляторов
Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1
22
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
асинхронного электропривода к регулируемому,
при
имеющихся
установленных
АД
общепромышленного исполнения, в условиях
ограниченного диапазона изменения скорости
вращения,
целесообразно
реализовать
с
использованием регуляторов напряжения в цепи
статора. Наиболее простые и дешевые регуляторы с
фазовым способом регулирования переменного
напряжения
и
естественной
коммутацией
выполняются на вентилях с неполным управлением
(тиристорах), но они имеют пониженное качество
выходного напряжения и потребляемого из сети
тока.
Для улучшения динамических свойств привода
и гармонического состава тока и напряжения более
предпочтительно использование регуляторов с
широтно-импульсными способами управления.
Такие регуляторы выполняются на вентилях с
полным управлением, являются более сложными и
дорогими,
чем
ТРН
или
регуляторы
с
вольтодобавкой, но дешевле преобразователей
частоты со звеном постоянного тока и могут
обеспечивать
достаточно
высокое
качество
выходного напряжения и потребляемого тока во
всем диапазоне регулирования.
Энергия, 1979. – 254 с.
10. Регулируемые
асинхронные
электродвигатели
в
сельскохозяйственном
производстве. Под ред. Д.Н. Быстрицкого. М.:
Энергия, 1975. – 400 с.
11. Соколов
И.В.
К
вопросу
об
энергосбережении в асинхронном регулируемом
электроприводе // Материалы Государственного
учреждения
высшего
профессионального
образования «Белорусско-Российский университет»
Брест, 2005, С. 223.
ЛИТЕРАТУРА
1. Браславский И.Я., Валек В.М. Расчет
статических характеристик асинхронного привода с
ШИП в статорных цепях // Реферативный научнотехн. сб.: Электротехническая промышленность.
Сер. привод, 1978, №4, С. 4-6.
2. Бармин А., Ташлицкий М. Преобразователи
частоты фирмы Siemens // СТА 4/2000. - С. 7-19
3. Глазенко
Т.А.,
Хрисанов
В.И.
Полупроводниковые
системы
импульсного
асинхронного электропривода малой мощности. - Л.:
Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1983. – 176 с.
4. Гладырь А.И. Технологические предпосылки
применения пусковых систем с квазичастотным
управлением // Проблемы создания новых машин и
технологий. Сб. научных трудов КГПУ. – Выпуск 2
(9). – Кременчуг: КГПУ. – 2000. – С. 84-88.
5. Закладной А.Н., Праховник А.В., Соловей А.И.
Энергосбережение средствами промышленного
электропривода. – К.: «ДИЯ», 2001. – 343 с.
6. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники:
Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. – Ч.
2 – 197 с.
7. Латышко В.Д., Шамрай Ф.А., Клешнёв Д.Ю.
Системы управления силовыми электрическими
приводами. Анализ решений. Материалы компании
ОМЗ-КРАН, Санкт-Петербург, 2005. – 37 с.
8. Лукевски М. Сетевые дроссели. Elhand
transformatory, ul. PCK 22, 42-700 Lubliniec, e-mail:
info@elhand.com.pl.
9. Мерфи
Дж.
Тиристорное
управление
двигателями переменного тока: Пер. с англ. – М.:
Стаття надійшла 15.04. 2006р.
Рекомендовано до друку
д.т.н., проф. Родькіним Д.Й.
Вісник КДПУ. Випуск 4/2006 (39). Частина 1
23