Удут Л.С., Кояин Н.В., Мальцева О.П. Проектирование и исследование автоматизированных электроприводов. Часть 6 Механическая система электропривода

Подождите немного. Документ загружается.

ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ

5.1. Пути модернизации электропривода постоянного тока

В последнее время актуальным становится вопрос о

рентабельности применения электропривода постоянного тока для

конкретных производственных механизмов. Чаще всего речь идёт о

выборе пути модернизации существующих электроприводов

постоянного тока или их полной замене на электропривод переменного

тока.

Возможные пути модернизации электропривода постоянного тока:

 Замена электромашинного или магнитного усилителя в системе

генератор – двигатель на тиристорный возбудитель.

 Замена устаревшей аналоговой электроники в системе

управления на современную аналоговую или цифровую при

дальнейшем использовании силовой части электрооборудования

привода.

 Замена силового модуля тиристорного преобразователя на

современное устройство.

 Замена электромашинного преобразователя (асинхронный или

синхронный электродвигатель–генератор) в системе генератор–

двигатель на тиристорный преобразователь.

 Замена старого тиристорного преобразователя на новый, если

электродвигатель ещё в хорошем состоянии.

 Полная замена старого электропривода на новый электропривод

постоянного тока.

При выборе пути модернизации электропривода постоянного

тока анализируются следующие факторы:

 В каком техническом состоянии находятся отдельные

компоненты электропривода. Оценивается их срок работы и службы,

надёжность работы, текущие затраты на обслуживание, совместимость с

другими, в том числе и с планируемыми новыми компонентами

электропривода.

 Изменились ли требования, предъявляемые к электроприводу

(режим работы, характер нагрузки, условия работы и способ управления).

 Целесообразность применения электропривода постоянного тока

с точки зрения будущего совершенствования управления

технологическим процессом рабочей машины или производственного

агрегата в целом.

5.2. Критерии выбора рода тока регулируемого

114

электропривода для производственных механизмов

Альтернативой модернизации электропривода постоянного тока

является его замена на электропривод переменного тока.

Основные критерии сравнительной оценки систем

регулируемого электропривода:

 Общие расходы на приобретение электропривода.

 Эксплуатационные расходы на работу устройства,

учитывающие обслуживание (в том числе расходы на обучение

персонала), потери энергии, надёжность работы.

 Технические и инновационные показатели: массогабаритные

показатели, возможность работы в 4-х квадрантах или в тормозных

режимах, динамические характеристики, возможности сервисного

обслуживания, целесообразность применения с точки зрения будущего.

 Соответствие конструктивного исполнения

электрооборудования механизму, сети и условиям эксплуатации.

 Электромагнитная совместимость элементов электропривода с

сетью и параллельно работающими устройствами.

Прежде чем окончательно принять решение о замене

электропривода постоянного тока электроприводом переменного

тока, необходимо дополнительно обратить внимание на следующие

моменты:

 наличие свободного места для размещения двигателя и

электропривода переменного тока;

 дополнительные затраты на прокладку новых силовых кабелей;

 соблюдаются ли требования к выведению потерь

электроэнергии из распределительного шкафа;

 сроки проведения работ.

5.3. Сравнительная оценка электроприводов постоянного

и переменного тока

Широко распространена так называемая «чёрно-белая»

сравнительная оценка электродвигателей:

 электродвигатель постоянного тока сложен, требует

интенсивного ухода и постоянного обслуживания, поэтому дороже и

менее надёжен, кроме того, имеет трудности при исполнении

двигателей со степенью защиты IP54;

 асинхронный электродвигатель прост, надёжен и не требует

постоянного обслуживания, к тому же возможно исполнение любой

степени защиты.

115

Подобные рассуждения верны в самых простейших случаях. Что

касается регулируемых электроприводов, то всё обстоит гораздо

сложнее и не так однозначно. Приведём сравнительную оценку

электродвигателей, преобразователей и регулируемых приводов

постоянного и переменного тока в интервале мощностей

электродвигателей общего назначения. За основу будут взяты

материалы фирмы ABB по сравнительной оценке выпускаемых фирмой

электроприводов постоянного и переменного тока.

В общем случае будут сравниваться электроприводы постоянного

и переменного тока (рис. 5.1), выполненные на базе 6-пульсных

тиристорных преобразователей постоянного тока с электродвигателями

независимого возбуждения и 3-фазных преобразователей частоты с

широтно-импульсной модуляцией с асинхронными двигателями,

предназначенные для типовых производственных механизмов.

5.3.1. Сравнительная оценка электродвигателей

Массогабаритные показатели, момент инерции и время пуска

По данным фирмы АВВ для одних и тех же номинальных

значений мощности, момента и скорости вращения приводного

электродвигателя производственного механизма высота оси, масса и

момент инерции существенно меньше у двигателей постоянного тока

(табл. 5.1). Следовательно, меньше (примерно в 1.5 раза) и время пуска

с ограниченным значением пускового момента.

нагрузка

Электропривод постоянного тока Электропривод переменного тока

нагрузка

Рис. 5.1. Системы приводов постоянного и переменного тока

Таблица 5.1

Сравнительная оценка электродвигателей постоянного

и переменного тока фирмы АВВ

Режим работы с

номинальным

моментом

двигателя

Вариант реализации электропривода по системе

преобразователь – двигатель

116

мН 

мин

об

Р,

кВт

Электродвигатель

постоянного тока

Асинхронный

электродвигатель

Тип

мкг 

Выс

ота

оси

Масс

а, кг

(IP23

)

Тип

мкг 

Высо

та

оси

Масс

а, кг

(IP54

)

71 2000 15

DMP112L

0.05 112 110

180M4

0.161 180 175

579 2000 125

DMP180-

4LB

0.69 180 455

3155MA4

2.3 315 870

1570 2000 329

DM1225S

3.0 225 1032

355SMA4

8.2 355 1800

3565 1500 560

DMA+315

10.6

315 2100

450LG4

25.0 450 3980

В табл. 5.2 приведен пример сравнительной оценки

отечественных электродвигателей. В качестве базисного взят

электродвигатель постоянного тока серии 4ПФ250L. Приведенные

данные не столь наглядны, как для электродвигателей фирмы АВВ. Но

если учесть, что регулирование скорости вращения асинхронного

двигателя вниз от основной даже в небольшом диапазоне (не более 10)

требует увеличение его мощности примерно на 25%, т.е. практически

необходимо выбирать двигатель следующего большего габарита, чем

требуется по мощности при работе на номинальной скорости, то и они

говорят о существенном превосходстве двигателей постоянного тока по

этим показателям.

Более низкие массогабаритные показатели двигателя постоянного

тока со степенью защиты IP23 по сравнению с асинхронным двигателем

со степенью защиты IP54 могут иметь решающее значение в случаях,

когда электродвигатель расположен на подвижном исполнительном

органе рабочей машины или когда ограничено пространство для его

монтажа.

Таблица 5.2

Сравнительная оценка отечественных электродвигателей

постоянного и переменного тока

Исполнение Тип

кВт

мин

об

осн

дв

мкг



Высота

оси,

мм

Масса,

кг

IP23

4ПФ250L 160 1000 4.86 250

1215

4АН315М6 160 1000 6.1 315 940

4АН355S6 200 1000 7.8 355 1200

IP44

4А355S6 160 1000 7.3 355 1375

4А355М6 200 1000 8.8 355 1570

Примечание к табл. 5.2:

– с учетом пристроенного вентилятора.

Коэффициент полезного действия и охлаждение двигателей

117

Коэффициент полезного действия (КПД, %) асинхронных

двигателей в зависимости от мощности выше на

)52( 

% по сравнению

с двигателями постоянного тока. Тепловые потери в электродвигателе

постоянного тока (не зависят от скорости вращения) легко удаляются

при использовании принудительной вентиляции. Исторически

двигатели постоянного тока для регулируемых приводов

изготавливались с внутренней принудительной вентиляцией.

Тепловые потери в асинхронном электродвигателе при частотном

регулировании удалить сложнее (особенно ротора), так как теплоотвод

значительно ограничен, причём на малых скоростях вращения ситуация

ухудшается. В регулируемых электроприводах с асинхронными

двигателями используются в основном двигатели общего назначения с

внешним обдувом поверхностей. Внешний обдув характеризуется

меньшей эффективностью, но широко применяется для охлаждения

двигателей, работающих в загрязнённой атмосфере, например, в

запылённых помещениях (степень защиты IP54).

Диапазон регулирования скорости двигателей

На рис. 5.2 приведены зоны длительных допустимых нагрузок

электродвигателей и кратковременных допустимых перегрузок системы

преобразователь–двигатель. Регулирование скорости электродвигателей

ниже основной (номинальной для двигателя постоянного тока и

синхронной для асинхронного двигателя) осуществляется при

постоянном потоке, что при работе с номинальным током обеспечивает

постоянство развиваемого двигателем момента.

118

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

1 2 3 4 5 о.е.

эп.длит.

эп.кратк.

макс.дв

макс.эп

осн

дв.н

Границы допустимой

коммутации

varU constU

осн

о.е.

дв.ндв.н

const

I

const)Ф( 

var)Ф(var

I

тп.макс

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3 4 5 о.е.

Опрокидывающий

момент АД

Граничное значение

тока ПЧ

эп.кратк.

эп.длит.

АД с принуд.

вентиляцией

АД с естест.

охлаждением

осн

о.е.

осн

2.5

varU

constФ  varФ 

constU

дв.кр

дв.н

пч.макс

varf

Рис. 5.2. Графики длительной допустимой нагрузки и

кратковременной допустимой перегрузки двигателя в системе

преобразователь–двигатель: а – постоянного тока; б – переменного

тока

119

Допустимый кратковременный момент электропривода

ограничивается максимальным током преобразователя, обычно на

уровне двукратного значения номинального момента двигателя.

Регулирование скорости выше основной производится ослаблением

поля двигателя, что при работе с номинальным током обеспечивает

постоянство отдаваемой двигателем мощности.

Зона регулирования скорости ослаблением поля для двигателей

постоянного тока составляет 1: 3 для некомпенсированных машин и 1: 5

для компенсированных машин. В зоне постоянства допустимой

длительной нагрузки и кратковременной токовой перегрузки (интервал

скоростей от

осн

до

осн

3 n

) момент электродвигателя постоянного тока

обратно пропорционален относительному превышению скорости

осн

С ростом скорости вращения ухудшается коммутация двигателя

постоянного тока и необходимо уменьшать ток двигателя, а

следовательно дополнительно уменьшать момент двигателя и

отдаваемую мощность.

Для асинхронного электродвигателя в зоне регулирования потока

длительно допустимый момент изменяется аналогично, как и для

двигателя постоянного тока, а кратковременно допустимая перегрузка

определяется, главным образом, значением критического момента,

величина которого (в первом приближении) уменьшается в обратно

пропорциональной зависимости от квадрата отношения

осн

Ограничение отдаваемой мощности асинхронного двигателя в зоне

больших скоростей вызвано уменьшением критического момента

двигателя. Типичные значения максимального диапазона регулирования

стандартного асинхронного электродвигателя из-за наличия

опрокидывающего момента (при

5.2

кр

М

) лежит в пределах от

5.1:1

до

5.2:1

. В области малых скоростей из-за проблем с охлаждением

асинхронного двигателя необходимо также уменьшать его нагрузку.

В табл. 5.3. приведены значения основной и максимальной скорости

электродвигателей общего назначения постоянного тока и асинхронных.

Таблица 5.3

Электродвигатель

(общего назначения)

мин

об

осн

мин

об

макс

Постоянного тока

3000200 

до 5000

до 6000 (АВВ)

Асинхронный

(основного исполнения)

3000/1500/1000/

750/600/500

до 3000

до 6000 (АВВ)

120

Возможность работы электропривода с кратковременной

перегрузкой зависит не только от параметров электродвигателя, но и от

выбора типоразмера тиристорного преобразователя или

преобразователя частоты. Практически чаще всего преобразователи

обеспечивают двукратную допустимую перегрузку по моменту

двигателя.

На рис. 5.3 приведены совмещённые графики зависимости

мощности от скорости вращения электродвигателей постоянного и

переменного тока в длительном режиме работы (режим S1). Сравнение

характеристик двигателей позволяет сделать вывод о том, что двигатель

постоянного тока имеет преимущества при продолжительном режиме

работы на малых скоростях вращения, а также имеет значительно

больший диапазон регулирования скорости вращения выше основной

как с постоянной мощностью, так и вообще.

0.5

1.0

1.5

1 2 3 4 5 о.е.

электропривод постоянного тока

электропривод переменного тока

осн

дв.н

о.е.

осн

varU

constФ 

varФ 

constU

varФ 

Рис. 5.3. Графики зависимости мощности от скорости вращения

электродвигателей в длительном режиме

Обслуживание электродвигателей и срок службы

На сегодняшний день время службы щёток электродвигателя

постоянного тока составляет около (

120007000 

) часов. Срок же

службы двигателей постоянного и переменного тока зависит от

своевременного смазывания подшипников, что играет большую роль,

121

чем время службы щёток. При относительной простоте конструкции

надёжность асинхронных двигателей всё ещё остаётся низкой.

Например, средний срок службы асинхронных двигателей в горно-

добывающей промышленности составляет (

60005000 

) часов.

5.3.2. Сравнительная оценка преобразователей

Коммутация и преобразование электроэнергии

Принципиальные электрические схемы одноквадрантного

электропривода постоянного тока с тиристорным преобразователем и

переменного тока с асинхронным двигателем, и преобразователем

частоты приведены на рис. 5.4 и рис. 5.5 соответственно.

Коммутация вентилей в тиристорном преобразователе

естественная и возможна только в определённые периоды времени. Ток

включенного по цепи управления тиристора нарастает с той же

скоростью, с какой спадает до нуля ток выключающегося тиристора.

Скорость изменения тока вентилей определяется и ограничена

параметрами коммутируемых цепей.

Полностью управляемые вентили инвертора прерывают

протекающий через них ток практически мгновенно. Такая коммутация

не зависит от напряжения сети, возможна в любой период времени, но

при этом возникает больше помех, высокочастотных перенапряжений,

что создаёт проблемы электромагнитной совместимости

преобразователя частоты, как с сетью, так и с электродвигателем.

Преобразование энергии в тиристорном преобразователе

происходит один раз, а в преобразователе частоты – два раза. Поэтому

потери при преобразовании электроэнергии у преобразователя частоты,

по меньшей мере, в два раза больше, чем у тиристорного

преобразователя. Потери мощности у тиристорного преобразователя

составляют примерно

)5.18.0( 

%, у преобразователя частоты

примерно

)5.32( 

% от номинальной мощности.

122

Рис. 5.4. Схема электропривода по системе ТП–ДПТ с

выпрямителем на обычных однооперационных тиристорах

Рис. 5.5. Схема электропривода по системе ПЧ–АД с автономным

инвертором напряжения: а – на запираемых (GTO) тиристорах; б – на IGBT

модулях

При мощности более 100 кВт преобразователи частоты требуют

для монтажа свободного места примерно в

33.1 

раза больше, чем

тиристорные преобразователи.

Влияние на сеть

Ток, потребляемый из сети преобразователем постоянного тока с

6-ти пульсным тиристорным мостом, содержит кроме первой гармоники

(50 Гц) также 5, 7, 11, 13,



со следующими значениями амплитуд по

отношению к основной гармонике: 22%, 14%, 9%, 7.6%,



. Для

преобразователей переменного тока с 6-ти пульсным диодным мостом

при работе в первом квадранте значения амплитуд названных высших

гармоник по отношению к основной следующее: 40%, 14%, 9%, 7.6%,



. Применение IGBT-элементов уменьшает пульсации от низкочастотных

токовых гармоник, но приводит к генерированию высокочастотных

помех.

5.3.3. Сравнительная оценка электроприводов

123