пояснительная записка (1235563), страница 3
Текст из файла (страница 3)
3 РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ НАСОСА С ПОМОЩЬЮ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
3.1 Принцип работы преобразователей частоты
Статический преобразователь частоты представляет собой электронное устройство, которое обеспечивает плавное регулирование скорости трехфазных электродвигателей переменного тока путем преобразования фиксированных значений напряжения и частоты сети в изменяемые величины. Хотя принцип всегда оставался неизменным, в первоначальные ПЧ было внесено много изменений, в частности применены тиристоры, которые в настоящее время управляются с помощью микропроцессора, и цифровые блоки.
Вследствие возрастающей степени автоматизации в промышленности, существует постоянная потребность в дополнительных средствах автоматического управления, и происходит непрерывное увеличение производственных скоростей и совершенствование методов в целях дальнейшего повышения эффективности промышленных предприятий.
В настоящее время электродвигатели являются важными стандартными промышленными изделиями. Эти двигатели рассчитаны на работу с фиксированной скоростью, и в течение многих лет продолжается работа, направленная на оптимизацию регулирования их рабочей скорости.
Этого не удавалось обеспечить до тех пор, пока не были внедрены статические ПЧ, способные эффективно использоваться для плавного регулирования скорости трехфазных электродвигателей переменного тока.
Подавляющее большинство статических ПЧ, используемых в настоящее время в промышленности для управления или регулирования скорости трехфазных электродвигателей переменного тока, разработаны с применением двух разных принципов:
-ПЧ без промежуточной цепи (также называемые прямыми преобразователями);
-ПЧ с изменяемой или неизменной промежуточной цепью.
Преобразователи частоты с промежуточной цепью имеют промежуточную цепь либо постоянного тока, либо постоянного напряжения и называются, соответственно, преобразователями – источниками тока и преобразователями – источниками напряжения.
Преобразователи с промежуточной цепью имеют ряд преимуществ перед прямыми преобразователями, а именно:
-лучшее регулирование реактивного тока;
-уменьшение уровня гармонических помех;
-отсутствие ограничений в отношении выходной частоты(однако здесь имеется ограничение по управлению и свойствам используемых электронных компонентов).
Как правило, прямые преобразователи дешевле, чем преобразователи с промежуточной цепью, но они обычно хуже подавляют гармоники.[6]
С конца 1960-х годов ПЧ изменились коренным образом, в основном, как результат разработки микропроцессорных и полупроводниковых технологий, а также благодаря снижению их стоимости.
Однако, основополагающие принципы, заложенные в ПЧ, остались прежними.
В состав преобразователя частоты входят четыре основных элемента: выпрямитель, промежуточная цепь, инвертор и схема управления. Схема ПЧ изображена на рисунке 3.1
Рисунок 3.1 - Блок-схема преобразователя частоты
Выпрямитель формирует пульсирующее напряжение постоянного тока при его подключении к трехфазной питающей сети переменного тока. Выпрямители бывают двух основных типов - управляемые и неуправляемые.
Промежуточная цепь одного из трех типов:
-преобразующая напряжение выпрямителя в постоянный ток;
-стабилизирующая или сглаживающая пульсирующее напряжение постоянного тока и подающая его на инвертор;
-преобразующая неизменное напряжение постоянного тока выпрямителя в изменяющееся напряжение переменного тока.
Инвертор, который формирует частоту напряжения электродвигателя. Некоторые инверторы могут также конвертировать неизменное напряжение постоянного тока в изменяющееся напряжение переменного тока.
Электронная схема управления, которая посылает сигналы в выпрямитель, промежуточную цепь и инвертор и получает сигналы от данных элементов. Построение управляемых элементов зависит от конструкции конкретного преобразователя частоты.
Общим для всех преобразователей частоты является то, что все цепи управления управляют полупроводниковыми элементами инвертора. Преобразователи частоты различаются по режиму коммутации, используемому для регулирования напряжения питания электродвигателя.
3.2 Необходимость внедрения преобразователей частоты на насосных станциях
В настоящее время распределение всей произведенной в индустриально развитых странах (в том числе и в России) электроэнергии осуществляется примерно в следующей пропорции:
- 69% - электропривод;
- 6% - освещение;
- 25% - прочее.
В свою очередь, из доли электроэнергии, направленной на работу электроприводов, на долю насосов и вентиляторов приходится около 60%. Таким образом, более 40% (а, по некоторым данным, и более 50%) всей вырабатываемой в мире электроэнергии направляется на нужды электроприводов. Центробежные вентиляторы, насосы и компрессоры объединяются в один класс нагрузочных механизмов для электропривода, так как их характеристики с точки зрения требований и условий работы электропривода имеют много общего. Большая часть электроприводов указанных механизмов является нерегулируемыми.
Традиционные способы регулирования подачи насосных станций и вентиляторных установок состоят в дросселировании напорных линий и изменении общего числа работающих агрегатов по одному из технологических параметров - давлению в трубопроводе или в диктующей точке сети, уровня в приемном или регулирующем резервуаре и др. Эти способы регулирования направлены на решение поставленных технологических задач (поддержание заданного давления) и практически не учитывают энергетических аспектов транспортировки воды.
Вместе с тем, гидравлическое и электротехническое оборудование насосных станций обычно выбирается по максимальным техническим параметрам (подаче, напору и др.) системы водоснабжения и водоотведения. Однако, в реальной жизни оказывается, что вновь вводимые в эксплуатацию насосные установки выходят на проектные режимы в течение многих лет, либо не выходят вообще. Поэтому существующие станции, как правило, работают в режимах существенно отличающихся от расчетных. Кроме того, имеют место суточные, недельные и сезонные колебания расходов и напоров, обусловленные переменным водопотреблением, в результате этого рабочие режимы насосов оказываются далеко от рабочих зон их характеристик.
Поэтому с появлением надежного регулируемого электропривода создались предпосылки для разработки принципиально новой технологии транспортировки воды с плавным регулированием рабочих параметров насосной установки без непроизводительных затрат электроэнергии и с широкими возможностями повышения точности и эффективности технологических критериев работы систем подачи. При этом геометрическим местом рабочих точек насосной установки становятся характеристики трубопроводов, а не характеристики насосов, как в случае регулирования подачи насосных агрегатов с постоянной частотой вращения.
При частотном регулировании насосов можно в значительной степени избежать аварийных ситуаций за счет предотвращения гидравлических ударов, возникающих при изменении режимов работы и пуске системы при нерегулируемом электроприводе.
Наиболее эффективным способом регулирования асинхронных короткозамкнутых двигателей является частотный способ, позволяющий в наибольшей степени осуществить экономически целесообразные режимы работы во всем диапазоне регулирования производительности турбомеханизмов.
Модернизация действующих нерегулируемых электроприводов с целью энергосбережения позволяет получать максимально возможный экономический эффект за счет минимальных затрат.
3.3 Преимущества метода регулирования частоты вращения рабочего колеса насоса
Мощность, потребляемая насосом, находится в кубической зависимости от скорости вращения рабочего колеса насоса 
. Производительность насоса Q прямо пропорциональна скорости вращения рабочего колеса. Т.е. уменьшение скорости вращения рабочего колеса насоса в 2 раза приведет к уменьшению потребляемой мощности в 8 раз.
Преимущество применения частотно-регулируемого электропривода:
-планируемая экономия энергии от 30% и выше;
-исключаются гидроудары, что позволяет увеличить срок работы запорной арматуры и трубопроводов;
-отсутствие больших пусковых токов;
-электродвигатели работают с пониженной нагрузкой, что значительно увеличивает срок их службы;
-значительная экономия воды за счет оптимизации давления в сетях и уменьшения разрывов трубопроводов;
-возможность полной автоматизации насосной станции.[7]
3.4 Скалярное и векторное управление в частотных преобразователях
Существуют различные методы частотного управления, которые позволяют решить различные задачи при регулировке скорости и изменения момента, среди которых два основных метода - скалярный и векторный. Каждый из них имеет свои характерные особенности, на которых следует остановиться более подробно.
Наибольшее распространение получили асинхронные электроприводы со скалярным управлением. Его используют в приводах компрессоров, вентиляторов, насосов и прочих механизмов в которых необходимо удерживать на определенном уровне или скорость вращения вала электродвигателя (применяется датчик скорости), либо какого-то технологического параметра (к примеру, давление в трубопроводе, с применением соответствующего датчика).
Принцип действия скалярного управления асинхронным двигателем – амплитуда и частота питающего напряжения изменяются по закону U/f = const, для обеспечения постоянного момента – М=const. То, как будет выглядеть данная зависимость в конкретном случае, зависит от требований предъявляемых нагрузкой электроприводу. Как правило, в качестве независимого воздействия выступает частота, а напряжение при определенной частоте определяется видом механической характеристики, а также значениями критического и пускового моментов. Благодаря скалярному управлению обеспечивается постоянная перегрузочная способность асинхронного двигателя, независящая от частоты напряжения, и все же при довольно низких частотах может произойти значительное снижение момента, развиваемого двигателем. Максимальное значение диапазона скалярного управления, при котором возможно осуществление регулирования значения скорости вращения ротора электродвигателя, без потери момента сопротивления не превышает 1:10.
Скалярное управление асинхронным двигателем довольно просто реализуется, но все же имеются два значительных недостатка. Во-первых, если на валу не установлен датчик скорости, то невозможно осуществлять регулирование значения скорости вращения вала, поскольку она зависит от воздействующей на электропривод нагрузки. Установка датчика скорости с легкостью решает данную проблему, но еще одним значительным недостатком остается – отсутствие возможности регулирования значения момента на валу двигателя. Можно конечно установить датчик момента, но стоимость подобных датчиков, как правило, превышает стоимость самого электропривода. Причем, даже если установить датчик управления моментом, то процесс управления этим самым моментом окажется невероятно инерционным. Еще одно «но» - скалярное управление асинхронным двигателем характеризуется тем, что невозможно осуществление одновременного регулирования скорости и момента, поэтому приходится осуществлять регулирование той величины, которая в данный момент времени наиболее важна в силу условий технологического процесса.
Для того чтобы устранить недостатки, которыми обладает скалярное управление двигателем, еще в 1971 году компанией SIEMENS было предложено внедрение метода векторного управления двигателем.
Система управления современных электроприводов содержит в себе математическую модель двигателя, позволяющую рассчитать скорость вращения и момент вала. Причем в качестве необходимых датчиков устанавливаются только датчики тока фаз статора двигателя. Специально разработанная структура системы управления обеспечивает независимость и практически безынерционность регулирования основных параметров – момент вала и скорость вращения вала.
К сегодняшнему дню сформировались следующие системы векторного управления асинхронным двигателем:
-бездатчиковые, на валу двигателя отсутствует датчик скорости;
-системы, имеющие обратную связь по скорости.
Применение методов векторного управления зависит от области применения электропривода. Если диапазон измерения значения скорости не превышает 1:100, а требования, предъявляемые к точности, колеблются в пределах ±1,5%, то используется бездатчиковая система управления. Если измерение скорости осуществляется в пределах достигающих значений 1: 10000 и больше, а уровень точности должен быть довольно высоким (±0,2% при частоте вращения ниже 1 Гц), или же необходимо позиционировать вал или осуществлять регулирование момента на валу при низких частотах вращения, то применяется система, имеющая обратную связь по скорости.
Преимущества векторного метода управления асинхронным двигателем:
-высокий уровень точности при регулировании скорости вращения вала, несмотря даже на возможное отсутствие датчика скорости;
-осуществление вращения двигателя на малых частотах происходит без рывков, плавно;
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
