ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕКТРО­ПРИВОД

МЕХАНИЗМЫ ЦИКЛИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Задачи удовлетворения электроприводом технологических тре­бований при рассмотрении механизмов указанного класса сводится обычно к необходимости реализации заданной тахограммы повтор­но-кратковременного режима работы (в качестве типовой примем диаграмму скорости рис. 5.2).

Для двигателей до 30—40 кВт, работающих в повторно-кратко­временном режиме, могут быть использованы следующие виды ре­гулируемых электроприводов с полупроводниковыми преобразова­телями:

1) асинхронный двигатель с параметрическим управлением. Будем рассматривать короткозамкнутые асинхронные двигатели, управляемые напряжением, т. е. систему преобразователь напря­жения — асинхронный двигатель (ПН — АД);

2) частотно-управляемый асинхронный электропривод, систе­ма преобразователь частоты — асинхронный двигатель (ПЧ — АД);

3) электропривод постоянного тока, система преобразователь--- двигатель постоянного тока (П-ДПТ).

Для расчета приведенных годовых затрат, связанных с приме­нением указанных типов регулируемых электроприводов, необхо­димо рассчитать величины, входящие в (6.3) для систем ПЧ—АД и П — ДПТ, аналогично тому, как это было сделано в гл. V для системы ПН — АД.

Система ПЧ — АД. Современные частотно-управляемые асинхронные элек­троприводы часто строятся таким образом, чтобы поддержать в процессе регу­лирования скорости постоянство абсолютного скольжения [121]:

2С, р 2

(6.4)

Qo N

где ficw и Ос, р — синхронная скорость двигателя при номинальной (/w) и регу­лируемой (f) частотах.

При таком законе регулирования разность между синхронной и текущей скоростями двигателя при заданном моменте является величиной постоянной во

всем диапазоне изменения частоты. Обычно при номинальном моменте Paf=sw,

где sn — номинальное скольжение двигателя при /=/w.

С учетом указанного для мощности потерь при частотном управлении асин­хронным двигателем можно записать следующие выражения:

Єм1=ЛРм,/ДЛи*= [Л-|~Л/г}- (1 —А) [А2]; (6.5)

6м2 = ДРм2/ДРм2Л' = ^п2Ц2; (6.6)

бси=ДРсп/ДРсш= (1 IDfy- (6.7)

где АРХ — потери в меди статора от высших гармоник, выраженные в долях от номинальных потерь; Df = fN/f — диапазон регулирования частоты.

Так как потери в меди статора и ротора не зависят от текущей скорости, а их относительные значения близки, то для расчета номинальной мощности двигателя достаточно учитывать потери в наиболее загруженном элементе, в частности в меди статора. Используя (5.53) и (6.5), получим выражение для кр. Для частотно-управляемого асинхронного электропривода Яр обычно несу­щественно отличается от единицы. При его расчете будем считать, что /д=/д0. Укажем, что в рассматриваемом случае в переходных режимах возможна реа­лизация режима рекуперативного торможения, однако и для этого режима по­тери в меди статора определяются по (6.5). G учетом этих замечаний коэффи­циент "кр для заданных значений Рс и /до, Qyi = Q;v, tn=tr при учете потерь в меди статора и отработке тахограммы рис. 5.2 определяется из выражения:

(1-А)

22/у(^до + ^м)

tnPc2 -10е ^у2

Р т^п+^yi + Руя^уя Р(А>) — М + A^v) №п + ^y2+*yi) * ^ ^

где Рс~McQn, кВт.

Используя (6.5) — (6.7), определим активную энергию, потребляемую элек­троприводом при работе на отдельных участках тахограммы. Как видно из этих
выражений, при частотном управлении только потери в стали (6.7) зависят от текущей частоты. Можно показать, что диапазоны регулирования частоты пи­тающего напряжения D; и скорости двигателя D связаны следующим прибли­женным соотношением:

D( 1+%)

Df ^------------------------- * (6.9)

f I + DsN.

Начальная частота fHa4 при неподвижном двигателе и M—MN

f нач= f N&N - . (6.10)

Считая, что при частотном пуске (торможении) частота f изменяется по ли­нейному закону ОТ /нач до конечного значения, определим, используя (6.7), (6.9), потери в стали в переходных режимах:

ДРс11П, ІҐ=ДРс1Лг^П, п/2,3. (6.11)

Приведем выражения для определения активной энергии, потребляемой асинхронным частотно-управляемым электроприводом:

1) двигательный режим при изменении скорости от Q = 0 до Q = fi/v

(ylnP jy ДР-ідг]

п, дВ= tUt п І 2 + 2N + М + АР, + ( 1 — А) (Ід2] + 2,3 (*

(6.12)

2) режим рекуперативного торможения при изменении скорости от 2 = йдг до 2 = 0

І PN

wn, п, р, т — ^п, п (Fc — Ну) 2 &п2Мт2АРм2ЛГ + [A -|- APV +

АРdiV I

+ (I - A) |V] ДРм1Л, + -2-3- ] • (6.13)

При реактивном статическом моменте двигатель развивает тормозной мо­мент на участке торможения, если p,/>j, ic. Как видно из (6.13), при этом усло­вии значение 1Г„,п, р,т может оказаться отрицательной величиной, т. е. в режиме рекуперативного торможения энергия отдается в сеть. Если же №п, п,р, т>0, то для покрытия потерь в машине необходимо потреблять некоторую энергию из сети. При р/Срс имеет место двигательный режим работы электропривода на участке торможения;

3) работа на установившейся скорости

Wy = ty{+.lcPN fD--ku2lic2PM2N--[A-^APv ( 1—А) |Лс2] ДРм1Л'-|—

+ (1/D--sn) 1,3ДРсш}. (6.14)

Формула (6.14) справедлива при работе как на номинальной (Z)=l), так и на пониженной (D> 1) скорости. Знак «-)-» соответствует реактивному стати­ческому моменту, знак «—» — активному моменту нагрузки, когда электропри­вод работает в режиме рекуперативного торможения.

Энергия, потребляемая двигателем за цикл работы, определяется по (5.73),

а для расчета энергии Wn, потребляемой из сети, необходимо еще учесть потери

в преобразователе ДРпр. Будем считать их постоянными при различных режимах работы двигателя и определим через номинальный КПД преобразователя (i]np/v)

и активную мощность, потребляемую двигателем в номинальном режиме. Тогда

Afip=Pn (1 /г)пр, л— 1) /rN (6.15)

FU= Wm--Pn (l/nnp. w— I) (^n—(—^ T {—^ у I ( ^ У 2) /V (6.16)

Стоимость электроэнергии определяется по (5.75).

Вычисляя реактивную мощность, будем считать, что в частот­но-управляемом асинхронном электроприводе

&c = coscp м/Df. (6.17)

С учетом этого реактивную мощность на отдельных участках тахограммы можно определить, используя следующие выражения:

1) длительный режим при изменении скорости от £>=0 до

^п. п

+ АРпр ] tg (arccos £с. ср), (6.18)

'п, п J

где kCiCp — средний коэффициент сдвига на участке переходного процесса,

+ kc, нач cos! 1 + 2sN

Qn. n.

kc с = '■ - Щ /v I (6.19)

с, ср 2 2 1 +% )

kCN И kc, HS4 коэффициент сдвига при номинальной и нулевой скорости двигателя;

2) тормозной режим при изменении скорости = до Q=0

Qn. n.p. T = [ АЯпР] tg (arCC0S kc-cp)- (6-20)

Укажем, что &c, cp в (6.20) подставляется со знаком «—», если величина [^п, п,р, т/^п, п+АРдр] окажется отрицательной;

3) работа на установившейся скорости

Г cos «д. (I 4- Ds*,)

(6.21)

Qy = (Wyfty + ДРпр)tg arccos--------------- в(Т+Т~)—

Зная составляющие активной и реактивной мощностей на от­дельных участках тахограммы, определяем среднюю активную и реактивную мощность за цикл работы (5.77), а затем мощность (5.83) и стоимость (5.84) компенсирующей установки.

Система П — ДТП. Для упрощения расчетов не будем учитывать механиче­ские и добавочные потери. Приведем выражения для относительных потерь в меди якоря 6М при Ф=Фл?=const, а также для относительных потерь в стали (бс) [27]:

(6•22)

— АРм/АРмЛг — [л2;

дс = АЯс/АРсЛ7 = 1 [D2,

где APmn и АРм — номинальные и текущие потери в меди якоря; APc, v и АРС — номинальные и текущие потери в стали.

Принимая те же допущения, что и при расчете Лр для системы ПЧ — АД и рассматривая потери в меди якоря, получаем выражения для определения Лр при работе двигателя постоянного тока в повторно-кратковременном режиме (см. рис. 5.2):

Г 2 (/д0 4- /м')2

U 9

1 О/ 4 1 4

vn L Wioe

Т Т“ *yl ~Г *у2

+ *yi + fWya + IVo) ’ ^ ^

Х„ =

где k„ — коэффициент, учитывающий увеличение потерь в якоре за счет высших гармоник; J'u — момент инерции механизма, приведенный к валу двигателя по­стоянного тока.

Определим активную энергию, потребляемую ДПТ при работе на различных участках тахограммы, считая, что в качестве тормозного режима используется режим рекуперативного торможения:

1) в двигательном режиме при изменении скорости от 0 = 0 до Q=Qa'

w п, п, дв

( РцРN АРСN .

“ ^п, п у 2 k«2№AP*N 3 / ’ (6.24)

2) в режиме рекуперативного торможения при изменении скорости от Q — £2дг

до Q = О

ГИ-С-- И/ *Pcn].

^п, п, р, т — ^п, п 2 PN "Ь ^п2Мт2АРм/у 4“ з J’ (6.25)

3) при работе на установившейся скорости

і №срм АРcN |

Wy = ty J^+ ^ -)- kn2nc2APu/v - J - Q2 J" (6.26)

Энергия, потребляемая двигателем за цикл работы, складывается из энергии якорной цепи

№я, ц= Wn+W-r+Wy^Wyz

и энергии WB, потребляемой обмоткой возбуждения, включенной в течение всего времени цикла. Считая ток возбуждения постоянным и равным номинальному значению, получаем

WB=kBPNtn, (6.27)

где kD=PDN/PN — номинальная мощность возбуждения (PBw), выраженная в до­лях от номинальной мощности двигателя.

Энергия, потребляемая из сети за цикл работы, с учетом потерь в преобра­зователе, питающем якорные цепи,

№ц=№я, ц+^Н^Рпр(М-Ч-*У1-НУ2), (6.28)

где ДРпр определяется по (6.15) при заданном rjnp. v преобразователя постоянно­го тока.

Стоимость электроэнергии за год работы электропривода вычисляется по (5.75).

При расчете реактивной мощности систем П — ДПТ учтем, что при питании якорных цепей от трехфазных мостовых выпрямителей коэффициент сдвига

а постоянное напряжение на выходе выпрямителя

Ud=UdoCos а, (6.30)

где Udc — максимальное значение выпрямленного напряжения при а=0.

При управлении электроприводом необходимо иметь некоторый запас по напряжению, обеспечивая Udo>U,', где Un— номинальное питающее напряже­ние ДПТ. Приняв UdolUn —1,2, получим, что при этом cos флг =0,833, где фЛ— угол управления вентилей, обеспечивающий Ua — ^n - Тогда в номинальном ре­жиме kCN—cos фл/ = 0,796. При известном cos фл^ тиристорного электропривода постоянного тока расчет реактивной мощности на отдельных участках тахограм­мы можно производить по тем же выражениям (6.18) — (6.21), что и для ча­стотно-управляемого асинхронного электропривода. Укажем, что входящая в расчетные формулы величина Sn при использовании ДПТ определяется сле­дующим образом:

5л'=/дг/?я/^л7, (6.31)

где 1N, R„ — номинальный ток и сопротивление якорных цепей двигателя по­стоянного тока.

Полученные выражения позволяют рассчитать отдельные составляющие за­трат в (6.3) и оценить технико-экономические показатели сравниваемых вариан­тов регулируемого электропривода при рассмотрении конкретных производствен­ных механизмов.

Помимо решения частных задач, важно в общем виде наме­тить рациональные области применения управляемых напряжени­ем асинхронных электроприводов при повторно-кратковременном режиме работы, используя для определения приведенных затрат аппроксимированные зависимости для выбранных серий двигате­лей переменного и постоянного тока. В этом случае ряд величин, входящих в расчетные выражения, целесообразно выразить в функции номинальной мощности выбираемого двигателя и запи­сать их в следующем виде:

стоимость двигателя

Кл=С--С2Р к=С-{-С2крР с (6.32)

номинальные потери в меди статора (АPmn) и в меди якоря (АРмл) двигателя постоянного тока

АРМ1ат (АР мл-) =Сз-}—С4РW=Сз~}-СДрР с', (6.33)

номинальные потери в меди ротора

АРМ2л^= С5+СбР^=С5Н - С6Хр Pjv ; (6.34)

номинальные потери в стали статора (APcuv) и в стали двига­теля постоянного тока (АРск)

АРсш (АРсл) = С7~{-СъРьг—С7-]-Сй1крРк, (6.35)

где коэффициенты Ci—Cs определяются на основе каталожных данных выбранной серии двигателей.

Стоимость полупроводниковых преобразователей существенно зависит от технологии изготовления, используемой аппаратурной базы, реализуемых режимов, выбранной конструкции и т. д. По-

рс, кЕт

Z

D

3V

Система ПН—АД, серия MTKF-6

X

р

РУб-

Кд. руб.

Кк. у> РУб-

1

100

1

0

0,9

20,9

52

2,0

1

100

10

0,1

1,2

19,9

53

2,6

1

200

1

0

1.0

20,0

53

2,4

1

200

10

0,1

1,3

19,3

55

2,9

1

400

1

0

1,3

18,7

55

3,1

2

100

1

0

0,9

33,5

59

3,0

2

100

10

0,1

1,3

32,8

G3

4.2

2

200

1

. 0

1,1

32,8

61

3,8

2

200

10

0,1

1,4

32,3

66

4,8

2

400

1

0

1,5

31,8

67

5,1

5

100

1

0

1,0

70,2

83

5,1

5

100

10

0,1

1,5

70,3

99

8,0

5

200

1

0

1,3

69,9

93

7,2

5

200

10

0,1

1,8

70,4

109

9,8

5

400

1

0

1,9

70,0

113

10,4

10

100

1

0

1,1

131.4

Г4

10

10

100

10

0,1

1,6

133,5

163

16,2

10

гоо

1

0

, 1,4

132,1

148

14,1

10

200

10

0,1

2,0

134,6

188

19,4

10

400

I

0

2,4

140,8

224

23,0

этому при общем рассмотрении целесообразно не связывать рас­четы с конкретной стоимостью выпускаемых серийных преобразо­вателей, а оценить допустимую разницу в стоимости различных типов преобразователей при равнозначности вариантов электро­привода по приведенным годовым затратам и сравнить получен­ные значения с реально существующим в настоящее время соот­ношением цен преобразователей, а также оценить другие показа­тели, и в частности такой важный, как количество потребляемой электроэнергии.

Тогда при расчете приведенных затрат систем ПН — АД (Зі) и ПЧ — АД (32) из условия 3і=32 получаем

AKl—Кпч Кп, н= (Кд1-)~Кк, у1 Кд2 Кк, уг) - f-3,636 (Сю1 Cwi), (6.36)

где ЛК— разница в стоимости систем с ПЧ и ПН при 3i = 32; Кдь Кк. уі, Cwі — величины, характеризующие систему ПН—АД; КД2, Кк, у2> Cw2 — величины, характеризующие систему ПЧ — АД.

При расчете приведенных затрат систем ПН—АД и П—ДПТ (З3) из условия 3і=33 получаем

АКг= Кп Кп, н:= (Кді+КкіУі Кдз Кк, уз) +3,636 (Cw,—Cw з), (6.37)

где Кдз, Кк, уз, Cw3 — величины, характеризующие систему П — ДПТ.

Если рассчитанное значение AKi положительно, то это означа­ет, что при удовлетворении условия 3і = 3г стоимость ПЧ может быть больше стоимости ПН на значение АКь Отрицательное зна­чение AKi обозначает, что при 3i=32 необходимо снижение стои­мости ПЧ по сравнению с ПН на значение ДКь Аналогичный смысл имеет знак ДК2 при сравнительном расчете систем ПН —> АД и П — ДПТ.

Система ПЧ—АД, серия 4А-6

Система П—ДПТ, серия 2ПН

ДКі,

руб.

ДКа ■

X

Р

cw руб-

Кд. руб.

Кк, у. РУб.

X

Р

cw руб-

Кд, РУб-

Кк, у Руб-

руб.

0,6

18,6

66

1,2

0,7

18,5

164

0,1

—5

— 101

0,6

17,6

66

2,0

0,8

17,5

165

0,3

—3

—99

0,6

17,6

66

1,4

0,8

17,7

165

0,2

—3

—101

0,6

16,6

66

2,2

0,8

16,7

165

0,5

—1

—98

0,6

15,5

66

1,7

0,8

16,2

165

0,5

2

—99

0,6

31.1

72

2.1

0,8

33,4

187

0,3

—3

— 125

0,6

29,2

72

3,4

0,8

31,4

187

0,8

5

— 116

0,6

29,1

72

2,3

0,8

32,2

187

0,6

4

—122

0,6

27,2

72

3,6

0,8

30,3

187

1,1

14

— 112

0,6

25,2

72

2,7

0,8

29,8

187

1,2

21

— 114

0,6

68,6

90

2,9

0,8

72,0

258

1,5

1

— /79

0,6

63,9

90

5,6

0,8

67,3

258

2,7

35

— 144

0,6

63,8

90

3,4

0,8

68,7

258

2,1

28

— 160

0,6

59,3

90

6,1

0,8

64,0

258

3,3

63

— 124

0,6

54,6

90

4,4

0,8

61,9

258

3,3

84

— 109

0,6

132,3

124

4,0

0,8

140,2

380

3,9

3

—282

0,6

123,1

124

9,0

0,8

130,7

380

6,2

83

—200

0,7

124,1

125

5,2

0,8

135,4

380

5,4

61

— 235

0,7

114,9

125

10,1

0,8

126,0

380

7,7

142

— 150

0,7

107,7

125

7,5

0,9

125,5

409

8,4

230

—115

По предложенным методикам были произведены технико-экономиче­ские расчеты для трех сравниваемых систем электропривода и определены со­ставляющие затрат.

Вычисления производились при следующих значениях параметров, входящих в расчетные формулы: 7 = 4000 ч, ^1 = 0,01 руб/(кВт-ч), 2 = 4,7 руб/квар,

coscp3 = 0,93. При расчете принято, что для системы ПН—АД Г)пр = 0,99, для си­стемы ПЧ—АД r]np/v = 0,9, APV=0,05, для систем П—ДПТ г}Прл/ = 0,96, cosq>w = = 0,796. Для иллюстрации в табл. 6.1 приведены некоторые результаты расче­тов при Егр=0,25, /„=0,5 с; /м соответствует данным табл. 5.5.

Анализ результатов комплексного расчета позволяет сделать следующие выводы:

Проведенные технико-экономические расчеты позволяют в общем виде обо­снованно определить рациональные области применения систем асинхронного электропривода с параметрическим управлением [78]. Существует группа меха­низмов циклического действия, технологические требования которых могут быть удовлетворены при использовании рассматриваемого класса электроприводов с приемлемыми технико-экономическими показателями (минимальными приве­денными годовыми затратами и том же или незначительно большем энергопо­треблении по сравнению с другими классами регулируемых электроприводов). При общем рассмотрении целесообразная область параметров может быть оха­рактеризована следующими усредненными значениями: Рс^10ч-15 кВт, D^ ^Г.10-^15, е^О, 1ч-0,15, Z<200-h300, егр^0,25-5-0,4, /^2/д, /п^0,5ч-1 с, требуе­мая точность позиционирования Д0^О,2—0,3 рад по валу исполнительного дви - теля. (При анализе конкретных механизмов рекомендуемые значения парамет­ров могут несколько различаться, например увеличение Z при снижении егр и /, возрастание ev при уменьшении D и т. д.).

Учитывая эти общие рекомендации, соотношение стоимости серийных пре­образователей для сравниваемых типов регулируемых электроприводов, а также немаловажный фактор относительной простоты и высокой надежности полупро­водниковых преобразователей для параметрического управления, можно объек­тивно констатировать, что существует и будет существовать круг производствен­ных механизмов циклического действия (в том числе многие из позиционных механизмов), для которых наиболее целесообразно применение тиристорных асинхронных электроприводов с параметрическим управлением, режимы которых формируются в замкнутых САУ. К таким механизмам, в частности, относятся краны-штабелеры для складских работ, пассажирские и грузовые лифты, неко­торые типы манипуляторов, штыревые краны, подъемные лебедки, весовые до­заторы, разрывные машины, кулачковые распределители прессов, механизмы циклического действия, работающие по упорам, сельскохозяйственные механиз­мы, предназначенные для погрузочно-разгрузочных и транспортно-складских ра­бот, и т. д.

На некоторых из перечисленных устройств (разрывной машине, золотнико­вом гидрораспределителе пресса, погрузочном манипуляторе, кране-штабелере, подъемной лебедке) прошли успешную апробацию разработанные в Уральском политехническом институте макетные образцы тиристорных асинхронных элек­троприводов с параметрическим управлением на основе короткозамкнутых асин­хронных двигателей [77, 104], что позволило начать промышленное производ­ство асинхронных электроприводов для этих механизмов.

При широком использовании систем ПН — АД целесообразно создать спе­циальную модификацию асинхронных короткозамкнутых двигателей [127], снаб­женных встроенными датчиками скорости, тепловой защитой и тормозом (по­следнее особенно важно для подъемно-транспортных механизмов).

Областью рационального применения тиристорных преобразователей напря­жения, работающих в разомкнутых системах управления, являются нерегулируе­мые по скорости электроприводы повторно-кратковременного режима с частыми пусками и торможениями [128].

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕКТРО­ПРИВОД

Способы регулировки уровня выходной мощности: тиристорные регуляторы

Регулятор мощности тристорного типа используется для оперативного изменения подводимого к нагрузке уровня мощности. Достигается изменения задержки включения за счет задержки момента включения тиристора. Тиристор работает только при наличии сигнала на …

МЕХАНИЗМЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Электроприводы механизмов непрерывного действия работают в продолжительном режиме, поэтому при необходимости регули­рования их скорости целесообразность использования преобразо­вателей напряжения определяется, особенно при управлении ко­роткозамкнутыми асинхронными двигателями, зависимостью мо­мента статической нагрузки от …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.