Двигатель
|
Сеть
|
Altivar
61HD45N4
|
Р, кВт
|
л. с.
|
I, А
|
S, кВА
|
Iк. з. мах, кА
|
Iмах, А
|
Iперех.
|
|
|
380 В
|
220 В
|
|
|
380 В
|
480 В
|
|
15
|
18
|
25
|
20
|
15
|
22--
|
94--
|
77--
|
112,8---
|
Применение
Преобразователь частоты Altivar 61 используется для трехфазных
асинхронных двигателей мощностью от 0,75 кВт до 630 кВт.
Преобразователь используется для создания современных систем
обогрева, вентиляции и
кондиционирования воздуха (HVAC) в промышленных и
коммерческих зданиях:
вентиляция;
кондиционирование воздуха;
насосные агрегаты.
Преобразователь частоты Altivar 61 может уменьшить
эксплуатационные расходы путем оптимизации потребления энергии, значительно
повышая комфортность. Различные встроенные функции позволяют адаптировать
преобразователь для использования в электрических установках, сложных
управляющих системах и системах диспетчеризации инженерного оборудования
здания.
При разработке преобразователя учитывалась необходимость
электромагнитной совместимости и уменьшения гармонических составляющих тока.
В зависимости от характеристик, каждый тип (UL типа 1/IP 20
и/или UL типа 12/IP 54) либо имеет встроенные фильтры ЭМС класса A или B и
дроссели звена постоянного тока, либо эти элементы доступны в качестве
дополнительного оборудования.
Функции
Макроконфигурации и меню ускоренного запуска ПЧ Altivar 61
могут использоваться для быстрого запуска установок и моментальной настройки в
дружественных пользователю диалоговых средствах.
Функции, разработанные специально для насосных и
вентиляторных агрегатов
Энергосбережение, квадратичный закон по 2 или 5 точкам.
Автоматический подхват вращающейся нагрузки с поиском
скорости.
Адаптация ограничения тока в зависимости от скорости.
Подавление шума и резонанса посредством частоты коммутации,
которая, в зависимости от номинальной нагрузки, может быть установлена до16 кГц
во время работы, и случайной модуляции.
Предустановленные скорости.
Встроенный ПИД-регулятор, с предустановленными значениями ПИД
и режимом
автоматический/ручной (Auto/Man).
Счетчик наработки и энергопотребления.
Определение отсутствия жидкости, определение нулевой скорости
потока, ограничение скорости потока.
Функция "сон", функция "пробуждение".
Клиентские настройки с отображением физических значений: бар,
л/с.,°C.
Характеристики момента (типовые кривые)
Нижеприведенные кривые соответствуют установившемуся и
переходному перегрузочным моментам для двигателя с естественной и
принудительной вентиляцией. Различие заключается в способности двигателя
продолжительно развивать значительный момент при скорости ниже половины
номинальной.
Электропривод с разомкнутой системой
. Двигатель с естественной вентиляцией: полезный
установившийся момент (1)
2. Двигатель с принудительной вентиляцией: полезный
установившийся момент
3. Перегрузочный момент в течение <60 c для ATV
61W
(UL типа 12/IP 54)
4. Перегрузочный переходный момент в течение y 60 с
для ATV61HD45N4
(UL типа 1/IP 20)
5. Момент на скорости выше номинальной при
постоянной мощности (2)
6. Выбор и расчет преобразователя частоты
Преобразователь частоты (ПЧ) предназначен для
одноступенчатого преобразования энергии переменного тока одной частоты в
энергию переменного тока другой частоты.
Схема НПЧ представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Принципиальная схема ПЧ
Преобразователь состоит из 18 управляемых вентилей по 6 на фазу, в
каждой фазе 6 вентилей объединены во встречно-параллельные группы с раздельным
или совместным управлением. В основе каждой фазы преобразователя лежит
трёхфазная нулевая схема выпрямителя. Каждая фаза состоит из двух
встречновключённых выпрямителей. Группу из трёх управляемых вентилей, имеющих
общий катод называют положительной, общий анод - отрицательной.
Вентильные группы могут управляться либо раздельно, либо
совместно. По принципу действия каждая фаза ПЧ аналогична двухкомплектному
реверсивному выпрямителю. При раздельном управлении управляющие импульсы
подаются на вентили одной из групп в соответствии с желаемым направлением тока
в нагрузке. При этом во избежание К.З. применяют специальные логические
устройства, предотвращающие протекание тока в обеих группах. В преобразователях
с совместным управлением необходимо предусматривать включение мощных реакторов,
предотвращающих протекание уравнительных токов между вентилями каждой группы
(что ограничивает их применение). Углы управления вентилями положительной и
отрицательной групп изменяются по определённому закону, исключающему появление
постоянной составляющей уравнительного тока.
В течении одного полупериода выходного напряжения преобразователя
пропускают ток вентили положительной группы, другого полупериода -
отрицательной. Выходное напряжение формируется из отрезков волн напряжения
питающей сети. На рисунке 7 представлена диаграмма выходного напряжения при
углах управления , . Выходное напряжение имеет прямоугольную форму.
Для получения напряжения близкого к синусоидальному изменяют угол управления
во времени так, чтобы среднее значение выходного напряжения Uср. вых в течении каждого пол периода изменялось
бы по синусоидальному закону.
Диаграмма, поясняющая работу ПЧ, представлена на рисунке 7.
Рисунок 2 - Диаграмма, поясняющая работу ПЧ
НПЧ могут выполняться с фиксированной выходной частотой или с
регулированием по выходной частоте. При этом выходная частота зависит от
длительности полупериода выходного напряжения и, соответственно, изменяется с
помощью изменения длительности открытого состояния вентилей положительной и
отрицательной групп. Нижний предел частоты выходного напряжения может быть
практически равен нулю, что совершенно не сказывается на энергетических
показателях привода. Верхний предел ограничивается отношением .
Это связано с тем, что увеличение частоты выходного напряжения
выше указанных пределов приводит к резкому ухудшению формы UВЫХ (энергетические показатели снижаются).
Поэтому, в тех редких случаях использования ПЧ когда требуется
регулирование вверх от основной скорости вращения применяют сетевое напряжение
повышенной частоты.
Показатели качества регулирования скорости вращения:
направление: однозонное вниз от основной частоты;
экономичность высокая;
плавность: в нижнем диапазоне выше;
диапазон: ниже чем в других преобразователях за счёт отсутствия
верхней части диапазона;
допустимая нагрузка: как правило ПЧ используются в приводах
турбомеханизмов МС = f; наиболее благоприятный закон управления:
.
стабильность высокая.
Достоинства и недостатки ПЧ:
К достоинствам этого типа преобразователей можно отнести:
однократное преобразование энергии (h = 0.97¸0.98);
возможность независимого регулирования амплитуды выходного
напряжения от частоты;
свободный обмен реактивной и активной энергией от сети к двигателю
и обратно (возможен вариант работы с опережающим cos j);
отсутствие коммутирующих конденсаторов, т.к. коммутация вентилей
осуществляется напряжением сети
возможность получения практически синусоидального напряжения на
выходе;
В последнее время наблюдается резкое увеличение области применения
НПЧ, что связано с появлением современной электронной базы, которая имеет
больший диапазон напряжений и мощностей и является полностью управляемой.
К недостаткам можно отнести:
ограниченную возможность регулирования выходной частоты при
значении входной f = 50 Гц.;
большое количество силовых вентилей: динамические потери, сложная
система управления.
невысокий cos j. Максимальное значение 0,8.
Преобразователь с промежуточным звеном постоянного тока позволяет
регулировать частоту как вверх, так и вниз от частоты питающей сети; он
отличается высоким КПД (около 0,96), значительным быстродействием, малыми
габаритами, сравнительно высокой надежностью и бесшумен в работе.
Частотное регулирование скорости вращения асинхронных двигателей с
использованием преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией.
Принцип работы АИ с ШИМ удобно рассмотреть с помощью эквивалентной
схемы (рисунок 9), где а - эквивалентная схема однофазного инвертора с
синусоидальной ШИМ; б - график напряжения и тока регулируемой частоты в
нагрузке при постоянной несущей частоте и неизменном выпрямленном напряжении на
входе инвертора.
Здесь нагрузка включена в диагональ моста, образованного двумя
источниками напряжения и полупроводниковым ключом, который переключается из
положения 1 в положение 2 с высокой частотой fк, называемой
несущей частотой коммутации. В общем случае напряжение на нагрузке, усредненной
за период несущей частоты:
,
гдеτ - период несущей частоты, с.
Если при постоянной несущей частоте менять соотношение между Δt1 и Δt2 в соответствии с синусоидальным законом, то среднее значение
напряжение на нагрузке также будет меняется по синусоидальному закону:
,
гдеws
- круговая частота модуляции,
рад/с;
μ - коэффициент глубины модуляции, который
показывает, в каких пределах изменяются длительности интервалов коммутации в
течение периода частоты модуляции.
Исходя из заданных параметров, выбираем преобразователь частоты
РИТМ-Н-75/150-380-У3-IP20
7.
Расчеты системы ПЧ-АД
(7.1.1) Расчет схемы замещения
Рисунок 3 - Схема замещения асинхронного двигателя при частотном
регулировании
Анализ характеристик АД при частотном управлении можно произвести,
использовав Т-образную схему замещения (рис3.1).
(7.1.2) Скорость вращения на ХХ:
об/мин
где р=2 - количество пар полюсов.
(7.1.3) Частота вращения на ХХ:
с-1
(7.1.4) Номинальная частота вращения:
с-1
(7.1.5) Номинальное скольжение:
.
(7.1.6) Уравнение для критического скольжения:
,
где λм - кратность максимального момента, λм=2,3.
.
(7.1.7) Ток намагничивания Iµн:
, А
(7.1.8) Приведенный ток ротора:
;
=65,72 А
(7.1.9) Сопротивление статора:
;
=1,23 Ом
(7.1.10) Приведенное сопротивление ротора:
;
=1,379 Ом
(7.1.11) Индуктивное сопротивление контура намагничивания:
=143 Ом
Индуктивное сопротивление ротора:
(7.1.12) С помощью критического скольжения найдем :
;
=23,62 Ом
(7.1.13) Реактивное сопротивление статора:
;
=11,35 Ом
(7.1.14) Реактивное сопротивление ротора
;
=11,81 Ом
(7.1.14) Номинальный момент АД:
Мн= 4065 Нм
(7.1.15) Критический момент:
Мкр=4810·103 Нм
На основании полученных результатов проводим расчет статических и
энергетических характеристик.
(7.2.1) Расчет статических характеристик
Закон частотного управления который определяет соотношения между
частотой и напряжением в зависимости от характера технологической нагрузки:
.
- относительное напряжение;
- относительная частота;
- относительный момент;
Для приводов с насосной нагрузкой : , тогда закон частотного управления будет
иметь вид
Принятыми допущениями обусловливается постоянство сопротивлений
схемы замещения при данной частоте. Индуктивные сопротивления соответствуют частоте ХХ.
Параметр абсолютного скольжения, или относительная частота ротора
- отношение абсолютного скольжения к синхронной скорости при номинальной частоте (7.2.2):
Параметр используется вместо скольжения s и связан с ним соотношением (7.2.3):
Коэффициент рассеяния соответственно для статора и ротора (7.2.4):
Общий коэффициент рассеяния (7.2.5):
Кроме того, введём обозначения (7.2.6):
; ; ;
Анализ и расчёты установившегося режима проводятся в действующих
значениях величин.
Для дальнейших расчетов примем обозначения (7.2.7):
;
Для каждой из рассчитываемых величин задаются несколько значений и изменение
Из расчёта схемы замещения получаем электродвижущую силу
Поток в воздушном зазоре (7.2.8):
Ток статора (7.2.9):
Приведенный ток ротора (7.2.10):
ток намагничивания (7.2.11):
Графики токов показаны на рисунках
Рисунок 4.1 - График изменения токов статора при частотном
регулировании
Рисунок 4.2 - График изменения токов ротора при частотном
регулировании
Рисунок 4.3 - График изменения токов намагничивания
8.
Расчет механических характеристик. Нагрузочные характеристики
Момент двигателя (8.1):
Нагрузочная характеристика определяется из выражений момента
статического и угловой скорости (8.2):
При этом изменяется от 0 до 1
Механические характеристики и нагрузочная кривая, при частотном
регулировании, изображены на рисунке 5.1.
Рисунок 5.1 - Механические и нагрузочные характеристики при
частотном регулировании
9.
Компьютерное моделирование энергетических характеристик частотно-управляемых
электроприводов в среде Matlab
В связи с широким внедрением в последние годы во всех
отраслях промышленности частотно-регулируемых (ЧР) асинхронных
электродвигателей и существующей проблемы энергосбережения, актуальной является
задача оптимизации энергопотребления указанных приводов.
В первую очередь представляет интерес практическое решение
задачи расчета энергетической эффективности электропривода по схеме
преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ-АД), что требует
предварительного создания математических и программно-ориентированных моделей
расчета потерь мощности и коэффициента полезного действия (к. п. д.) в данном
приводе.
Целью работы является исследование энергетических
характеристик системы ПЧ-АД путем виртуального моделирования, используя
инструментальные средства наиболее удобной и популярной в настоящее время среды
Matlab со своими пакетами
расширения Simulink.
Разработанная модель (рис.1) представлена комплектным
частотно-регулируемым асинхронным электроприводом переменного тока
использованием оболочки Power system blockset программной среды Matlab.
Питание системы электропривода осуществляется от источника
синусоидального напряжения (Source) через трехфазный силовой трансформатор (Transformer). Преобразователь частоты
имеет двухзвенную структуру. На первой ступени происходит выпрямление
переменного тока питающей сети в постоянный, на выходе неуправляемого
выпрямителя (Rectifier). Силовой фильтр, состоящий из дросселя L и конденсатора C, уменьшает пульсации
выпрямленного напряжения и ограничивает скорость изменения тока di/dt в аварийных режимах. На
второй ступени с помощью трехфазного мостового автономного инвертора напряжения
(Inverter) постоянное напряжение преобразуется в переменное, требуемой
частоты и амплитуды. Управление силовыми (IGBT) - модулями автономного
инвертора осуществляется методом широтно-импульсной модуляции блоком (PWM Generator). К входу и выходу
преобразователя подключены фильтры (Series), уменьшающие его влияние
на питающую сеть и асинхронный двигатель.
Вводимыми параметрами в модели каждого блока являются
паспортные данные источника питания, трансформатора, фильтра, типа исследуемой
машины, величины сопротивлений элементов системы. Описание элементов
виртуальной модели приведено в табл.1.
Расчет параметров (R1, R2, R3), являющихся
соответственно эквивалентным сопротивлениям трансформатора, выпрямительной и
инверторной групп преобразователя частоты, осуществляется согласно методике.
Расчет активного сопротивления ротора R4 и статора R5
асинхронного двигателя проводится согласно общепринятой методике. Коэффициент
полезного действия электропривода определяется отношением механической мощности
Р2, на валу асинхронной машины, к сумме механической мощности Р2
и суммарным потерям sP.
Рис.1. Схема виртуальной модели системы ПЧ-АД
Описание элементов виртуальной модели. Таблица 1
Элемент
|
Наименование и
функции
|
Вводимые
параметры
|
Source
|
Источник
трехфазного синусоидального напряжения
|
Амплитуда,
фазовый угол и частота фазного напряжения, внутреннее активное и реактивное
сопротивление
|
Transformer
|
Трехфазный
силовой трансформатор
|
Номинальные
частота и полная мощность, параметры цепей
|
Series
|
Фильтр
преобразователя частоты
|
Активное
сопротивление и индуктивность
|
Rectifier
|
Трехфазный
силовой неуправляемый выпрямитель
|
Тип моста, тип
силового элемента, динамическое сопротивление диода, пороговое напряжение,
параметры цепей
|
L
|
Индуктивный
элемент
|
Величина
индуктивности
|
C
|
Емкостной
элемент
|
Величина
емкости
|
Inverter
|
Трехфазный
мостовой инвертор напряжения (силовой элемент - IGBT-транзистор)
|
Тип моста, тип
силового элемента, параметры демпфирующих цепей, динамическое сопротивление,
пороговое напряжение, постоянные времени
|
PWMGenerator
|
Блок управления
автономным инвертором (генератор ШИМ-сигнала)
|
Несущая
частота, коэффициент модуляции, модулирующая частота, начальная фаза
модулирующего напряжения
|
АМ
|
Асинхронный
двигатель
|
Тип ротора,
номинальные мощность, напряжение и частота, параметры статора и ротора,
момент инерции
|
AM
demux
|
Блок вывода
переменных асинхронного двигателя
|
Тип исследуемой
машины, указание о выводе требуемых переменных
|
RMS
|
Блок
определения действующего значения периодической величины
|
Значение
основной частоты
|
Product
|
Блок
определения алгебраического произведения сигналов
|
Число входов,
тип сигнала
|
Scope, Multimeter
|
Блоки
визуализации исследуемых параметров
|
Число входов,
параметры отображения координат
|
В результате исследования модели получены временные
зависимости токов статора, угловой частоты вращения ротора, электромагнитного
момента и значения к. п. д. всей системы, показанные на рис.2.
Рис.6. Временные зависимости энергетических показателей
системы ПЧ-АД
Как видно из графиков характер зависимостей отражает
физическую картину изменения энергетических характеристик во времени, что
существенно для анализа и оптимизации в требуемых режимах работы. Кроме того,
модель позволяет определить долевые потери энергии на каждом участке системы.
Разработанная виртуальная модель может быть использована в
процессе выбора и проектирования энергосберегающих электроприводов как в
учебном процессе подготовки специалистов электротехнических специальностей, так
и на производстве.
Выводы: в данном разделе была построена математическая модель
двигателя в программном пакете MatLab. Вычислены необходимые коэффициенты модели для
исследования динамических характеристик. Построены графики изменения скорости,
момента, токов статора и ротора от времени t при Мс=0 и при Мс=Мн.
Заключение
Энергосбережение, увеличение производительности, повышение
конкурентоспособности не возможно без применения современного комплектного
автоматизированного электропривода.
В настоящее время основным потребителем электроэнергии,
порядка 80% от вырабатываемой электроэнергии, является электропривод.
Доля асинхронного электропривода, в приводе машин и механизмов,
составляет порядка 75 % с тенденцией к постоянному увеличению.
Такая тенденция связана с тем, что с одной стороны,
применение современных электропроводящих и изоляционных материалов в
производстве асинхронных двигателей, позволяет повышать его энергетические
характеристики, тем самым, обеспечивая экономию электроэнергии в традиционных
областях применения асинхронных двигателей.
С другой стороны, современный уровень развития электроники,
обеспечивший производство недорогих, надежных, быстродействующих, простых в
эксплуатации преобразователей частоты, стал основой для внедрения регулируемого
электропривода, позволяющего экономить электроэнергию, за счет более точного
учета особенностей работы исполнительных механизмов и улучшения условий работы
самого асинхронного двигателя. Развитые и разнообразные устройствами
визуализации, возможность совместной работы с компьютером, обеспечивают удобную
диспетчеризацию, учет и анализ потребления электроэнергии.
Простота ввода в эксплуатацию преобразователей частоты, позволяет
заказчику частично или полностью автоматизировать свое производство своими
силами (малыми затратами), т.е. значительно повысить производительность,
снизить количество сотрудников и требуемого оборудования на единицу продукции.
Возможность быстрой настройки параметров (параметрирования),
учета особенностей работы приводного механизма, интуитивно понятный интерфейс
программного обеспечения, и возможность настройки режимов работы on-line с
помощью программного осциллографа, позволяет разнообразить потребительские
свойства производимого потребителем оборудования, т.е. значительно увеличить
номенклатуру, производимого оборудования, и его конкурентоспособность.
Повышение конкурентоспособности, выпускаемой продукции
Рост стоимости энергоносителей, ужесточение экологических
требований, повышение требований к потребительским качествам, делает
экономически нецелесообразным покупать не автоматизированное оборудование.
Существенные преимущества автоматизированного электропривода:
экономия электроэнергии в циклических режимах;
повышение срока службы механических и электрических
составляющих привода, за счет возможности задавать плавные режимы эксплуатации,
без механических ударов и пиковых электрических нагрузок;
повышение гибкости производственных линий;
простотой интеграции нового оборудования в
существующие технологические линии;
интеграции электроприводов в сети управления
производством, с центральным компьютером сбора и анализа данных и удаленным
доступом.
Все эти возможности легко могут быть реализованы применением
комплектного автоматизированного электропривода
(редуктор-двигатель-преобразователь частоты).
Список
используемой литературы
1. 1980_Solomahova_T_S_Chebysheva_K_V_Centrobejnye_ventilyatory_Aerodinamicheskie_shemy_i_harakteristiki
2. Лезнов
Б.С. Энергосберегательные и регулируемый привод вентиляторов и насосов
. Справочник
вентиляторов. Рысин С.А.
. Соломакова
Т.С. Расчет электропривода вентиляторов
5. Интернет: сайт
<http://www.twirpx.com/>