1. Место силовых преобразователей в электроприводе.

Классификация электропривода

Общие сведения об электроприводе

История развития электропривода

Первый электрический привод был осуществлен в 1838 г. петербургским академиком Б. С. Якоби, который на основе разработанного им в 1834 г. двигателя постоянного тока с вращающимся валом использовал его с питанием от гальва­нической батареи для привода гребных колес прогулочного катера. Вместе с тем, отсутствие экономически целесообразных источников электрической энергии не позволяло на том уровне развития электрического привода использовать его в производстве.

По существу электрический привод стали внедрять в производство и заменять им тепловой и другие приводы машин и механизмов после разработки русским инженером-электротехником М. О. Доливо-Добровольским в 1889-1891 гг. системы производства, распределения и потребления трехфазного переменного тока, в том числе разработки им трехфазного асинхронного двигателя. Очевидные экономические преимущества централизованного производства электроэнергии трехфазного переменного тока и простота ее распределения привели к тому, что электрический привод, постепенно вытесняя другие виды привода машин и механизмов, занял главенствующее место во многих отраслях народного хозяйства.

Исторически сложилось так, что электрический привод из-за своего исключительного значения и широкого распространения, в результате которого на долю ЭП приходится потребление свыше 60 %вырабатываемой в стране электроэнергии, выделен из общих технологических электроустановок для отдельного рассмотрения.

Электрический привод

Электрическим приводом

называют электромеханическую систему, состоящую в обобщенном виде из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств и предназначенную для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением (рис. 1.1).

Основное назначение электропривода как технологической электроустановки – преобразование электрической энергии в механическую энергию движения исполнительных органов машин и механизмов. В отдельных случаях при реализации генераторных режимов торможения возможно и обратное преобразование энергии.

Электродвигательное устройство

обеспечивает непосредственное преобразование электрической энергии в механическую.

Преобразовательное устройство

осуществляет преобразование электрической энергии источника в необходимый для электродвигательного устройства вид. В простейшем случае функции преобразовательного устройства в электроприводе выполняет различного рода коммутационная аппаратура: контакторы, магнитные пускатели, тиристорные коммутаторы и т. д. В более сложном случае – управляемые полупроводниковые преобразователи: выпрямители, регуляторы напряжения, преобразователи частоты и т. д.

Рис. 1.1. Функциональная схема автоматизированного электропривода:

М – электродвигательное устройство; ПРБ – преобразовательное устройство; ПРД – передаточное устройство; УУ – управляющее устройство.

Передаточное устройство

механическую энергию электродвигательного устройства преобразует в вид, необходимый для потребителя механической энергии. В качестве передаточного устройства в электроприводе используют муфты, ременные и цепные передачи, редукторы. По функциональному назначению передаточное устройство сходно с преобразовательным с тем лишь отличием, что преобразовательное преобразует электрическую энергию, а передаточное – механическую.

Потребители механической энергии

– это исполнительные органы рабочих машин и механизмов различных технологических установок.

Преобразовательное, электродвигательное и передаточное устройства образуют энергетическую часть

электропривода.

Информационную часть

электропривода представляет управляющее устройство, которое в ряде случаев классифицируют как информационно-управляющее. Оно на входе получает сигналы задания и обратных связей, а на выходе вырабатывает сигналы управления энергетической частью электропривода. В состав управляющего устройства высокого уровня включают микропроцессорные средства, микро- и мини-ЭВМ.

Важный энергетический показатель электропривода – это коэффициент полезного действия (к. п. д.), значение которого при пренебрежении сравнительно малым потреблением электроэнергии устройством управления определяется выражением

(1.1)

где , , , – соответственно к. п. д. электропривода, преобразовательного, электродвигательного и передаточного устройств.

Так как значения к. п. д. преобразовательного и передаточного устройств достаточно близки к единице и мало зависят от степени нагрузки, то в целом к. п. д. электропривода определяется значением к. п. д. электродвигательного устройства. Как известно, он тоже достаточно высокий и для электродвигателей вращательного движения составляет при номинальной нагрузке 60-95 %. Меньшие значения к. п. д. соответствуют тихоходным электродвигателям малой мощности. При мощностях же свыше 1 кВт номинальное значение к. п. д. электродвигателей, а соответственно и электропривода, как правило, превышает 70 %.

Преимущества электропривода – малый уровень шума при работе и отсутствие загрязнения окружающей среды, широкий диапазон мощностей и угловых скоростей, доступность регулирования угловой скорости и соответственно производительности технологических установок, относительная простота автоматизации, монтажа и эксплуатации по сравнению с тепловыми двигателями, например внутреннего сгорания.

Классификация электропривода

По основным характерным признакам электроприводы классифицируют следующим образом.

По способу передачи механической энергии

исполнительному органу технологической установки различают: групповой, одиночный, индивидуальный и взаимосвязанный электропривод. В групповом электроприводе электродвигатель приводит в движение несколько исполнительных органов одной или нескольких рабочих машин. В одиночном – один исполнительный орган. В индивидуальном – отдельные части электродвигателя представляют собой часть исполнительного органа, например двигатель и исполнительный орган в виде моторколеса. Во взаимосвязанном электроприводе несколько двигателей осуществляют привод одного исполнительного органа, например привод тягового органа протяженного конвейера несколькими электродвигателями.

По наличию механического передаточного устройства

выделяют редукторный электропривод и безредукторный. В редукторном электродвигатель передает вращательное движение передаточному устройству, содержащему редуктор. В безредукторном передача движения от электродвигателя осуществляется либо непосредственно рабочему органу, либо через передаточное устройство, не содержащее редуктор.

По роду тока и виду электродвигательного устройства

различают электроприводы переменного и постоянного тока; асинхронные, синхронные, вентильные и др.

По принципу управления угловой скоростью и положением

исполнительного органа различают электропривод: нерегулируемый, регулируемый, следящий, программно-управляемый, адаптивный. Нерегулируемый – предназначен для приведения в действие исполнительного органа рабочей машины с одной рабочей скоростью, параметры привода изменяются только в результате возмущающих воздействий. Регулируемый – для сообщения неизменяемой или изменяемой скорости исполнительному органу машины, параметры привода могут изменяться под воздействием управляющего устройства. Следящий – автоматически отрабатывающий перемещение исполнительного органа рабочей машины с определенной точностью в соответствии с произвольно меняющимся задающим сигналом. Программно-управляемый – управляемый в соответствии с заданной программой. Адаптивный – автоматически избирающий структуру или параметры системы управления при изменении условий работы машины с целью выработки оптимального режима.

По виду используемого преобразовательного устройства

различают электроприводы следующих систем: УВ-Д (управляемый выпрямитель – двигатель), ШИП-Д (широтно-импульсный преобразователь – двигатель), МУ-Д (магнитный усилитель – двигатель), ТРН-АД (тиристорный регулятор напряжения – асинхронный двигатель), ПЧ-АД (преобразователь частоты – асинхронный двигатель) и др.

По степени (уровню) автоматизации

электропривод может быть: неавтоматизированным, автоматизированным и автоматическим. Неавтоматизированные электроприводы – с ручным управлением, в производственных процессах по требованиям обеспечения безопасности производства не используют. Автоматизированные электроприводы – управляемые автоматическим регулированием параметров; наиболее распространены асинхронные электроприводы мощностью до 200 кВт с синхронными частотами вращения от 750 до 3000 об/мин, которые имеют невысокую стоимость, просты в монтаже и эксплуатации и обладают повышенной надежностью по сравнению с другими типами электроприводов. Автоматические электроприводы – в которых управляющее воздействие вырабатывается автоматическим устройством без участия оператора, обеспечивают гибкое управление технологическими процессами и их полную автоматизацию на основе аппаратных либо программных средств.

Литература

1. Шичков Л.П. Электрический привод. — М.: КолосС, 2006. – 279 с.: ил. – (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений) .

2. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. – 6-е изд., доп. и перераб. – М.: Энергоиздат, 1981. – 576 с., ил.

Содержание

1. Общие сведения об электроприводе. 1

1.1. Историческая справка. 1

1.2. Электрический привод. 1

1.3. Классификация электропривода. 4

Литература. 6

Кратковременный р е-жим работы характеризуется тем, что в течение рабочего периода нагрев электродвигателя не достигает стабильного состояния, а перерыв в работе настолько велик, что при возобновлении ее температура двигателя близка к температуре окружающей среды. При таком режиме, например, работают двигатели подъема стрелы одноковшового экскаватора. Их работа продолжается несколько минут, после чего они надолго выключаются. График кратковременного режима представлен на рис.

При повторно-кратковременном режиме рабочие периоды чередуются с паузами, т. е. с периодами остановки электродвигателя. За период работы двигатель не успевает полностью нагреться, а за период остановки — полностью остыть. Повторно-кратковременный режим дополнительно подразделяется на режим периодический и непериодический (рис. 3,s и г). При таких режимах работают электродвигатели кранов, лифтов и других подъемных механизмов. Рассматриваемый режим характеризуется показателем ПВ (продолжительность включения), который равен отношению продолжительности рабочего периода к продолжительности цикла (рабочего периода и остановки).

Рис. 3. Упрощенные графики работы электроприводов при различных режимах а — длительный; б — кратковременный; а — периодический повторно-кратковре-менный; г — непериодический повторно-кратковременный (т— температура нагрева двигателя)

По характеру изменения нагрузки во времени различают следующие режимы: 1) работа при постоянной нагрузке, не меняющейся с течением времени. Так работают, например, двигатели вентиляторов и центробежных насосов; 2) работа при переменной нагрузке, меняющейся через определенные, равные отрезки времени. Такой режим характерен для электродвигателей поршневых насосов; 3) работа при нерегулярно переменной нагрузке, меняющейся бессистемно, через разные промежутки времени. При таком режиме работают двигатели башенных кранов и других подъемных механизмов.

По характеру изменения скорости вращения от нагрузки различают: 1) работу при постоянной или почти постоянной скорости вращения, когда постоянную скорость вращения обеспечивают синхронные двигатели, а почти постоянную скорость, независимую от изменения нагрузки, — электродвигатели постоянного тока параллельного возбуждения и трехфазные асинхронные двигатели с малым сопротивлением в цепи якоря (ротора); 2) работу со слегка падающей скоростью вращения, когда допустимо незначительное снижение скорости вращения двигателя от холостого хода до максимальной нагрузки. Такой режим обеспечивают трехфазные асинхронные двигатели, двигатели постоянного тока параллельного возбуждения и некоторые двигатели коллекторного типа переменного тока; 3) работу с сильно падающей скоростью вращения, которую обеспечивают электродвигатели с большим сопротивлением в цепи ротора, электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения, трехфазные и однофазные двигатели переменного тока коллекторного типа.

По характеру регулирования скорости вращения различают следующие режимы: 1) работа при нерегулируемой скорости, которую можно обеспечить любым электродвигателем без приспособлений для регулирования скорости. Для большинства строительных машин характерна работа при постоянной скорости; 2) работа при регулируемой скорости, обеспечиваемая двигателями переменного и постоянного тока, снабженными специальными устройствами для регулирования скорости. вращения. Двигатели постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока дают большие возможности в отношении регулирования скорости и ее диапазона. Такой режим (с регулированием скорости) требуется для ряда строительных машин, например строительных кранов, экскаваторов и др.

Электропривод – переменного или постоянного тока?

Ежегодный темп роста продаж регулируемых электроприводов составляет, примерно, 6 %, в то время как темп роста приводов переменного тока — 8 %, а объем рынка приводов постоянного тока остается более или менее стабильным. Данная статья предназначена для конечных пользователей, OEM-производителей, системных интеграторов и прочих инженерно-технических работников, использующих приводную технику, чтобы в общих чертах обрисовать преимущества выбора для различных прикладных задач одного из двух основных типов регулируемого электропривода – постоянного или переменного тока.

Какое приводное решение выбрать — DC или AC?

Силовые статические преобразователи

на базе микропроцессоров, применяемые как в приводах переменного, так и постоянного тока, в настоящее время достигли очень высокого технического уровня, который (в допустимых технологических пределах) в большинстве приложений позволяет использовать
электропривод переменного тока
, там где раньше применялся
привод постоянного тока
. Однако, традиционный привод постоянного тока (1-но и 4-х квадрантный) продолжает играть важную роль, особенно в тех приложениях, где нужно обеспечить высокодинамичные режимы с постоянным моментом вращения, жесткими требованиями по перегрузочной способности в широком диапазоне скоростей и рекуперацию энергии обратно в сеть.

Главные критерии выбора

Первое, что должен сделать пользователь, это объективно оценить варианты, предлагаемые на рынке регулируемых приводов, технически соответствующие требованиям прикладной задачи/процесса. Главными критериями этой оценки должны быть: 1. Совокупная стоимость закупки регулируемого привода и требуемого дополнительного оборудования 2. Текущие эксплуатационные расходы:

• обслуживание;
• производственные издержки, КПД, и т.д;
• требуемая площадь размещения.

3. Технологические и инновационные аспекты:

• динамический отклик, время разгона; 4-х квадрантные операции; аварийный стоп, и т.д.
• массо-габаритные характеристики.

4. Эксплуатационная надежность, пригодность приводов:

• соответствие международным требованиям и стандартам IEC, ГОСТ Р, EN, CE-EMC; CSA, UL, и т.д.;
• условия окружающей среды; степень защиты корпуса; ремонт «по-месту»

5. Воздействие на внешнюю среду:

• искажение сетевого напряжения
• ЭМС

6. Требуемое пространство для преобразователя и двигателя 7. Отвод тепла

Сравнение основных характеристик приводов постоянного и переменного тока в промышленном применении

Сравнение проводится между 6-пульсными 3-фазными тиристорными приводами постоянного тока с независимым возбуждением [далее называемыми ППТ

] и 3-фазными электроприводами переменного тока на базе преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией и асинхронного двигателя [далее называемыми
ЧРП
– частотно регулируемый привод], в следующих типовых категориях: ППТ — P = 11 kW … 5200 kW; U = 200 V … 1190 V ЧРП — P = 0.75 kW … 2000 kW; U = 380 V … 690 V

Привод постоянного тока

Частотно-регулируемый привод

В первом приближении существенных отличий между этими приводами не так и много; однако, при более детальном рассмотрении, выявляются характерные особенности приводов и различие физических принципов функционирования. Дале в статье раскрываются аспекты отличия приводов по следующим пунктам:

• характеристики двигателей, как электромеханических преобразователей
• характеристики преобразователей электрической энергии
• 4-х квадрантные приводы
• влияние на внешнюю среду
• модернизация приводов постоянного тока

Различия между двигателями постоянного и переменного тока

Большинство пользователей имеют такое общее представление об электродвигателях: «Двигатели постоянного тока

сложные, требующие частого обслуживания, что делает их эксплуатацию дорогой; к тому же они имеют низкую степень защиты. Двигатели переменного тока (асинхронные двигатели) просты и надежны, не нуждаются в обслуживании, имеют более низкую цену, и кроме того более высокую степень защиты». Такая классификация может быть верной для многих простых применений; те не менее этот общий вердикт желательно подвергнуть более тщательному рассмотрению!

Механическая характеристика приводов постоянного тока

Обычно используемая независимая вентиляция (прим. в 85 % регулируемых приводов до 250 kW) гарантирует хороший отвод тепла от ротора двигателя постоянного тока во всем диапазоне скоростей.

Типичные применения, требующие обеспечение постоянного момента в широком диапазоне скоростей: волочильные станы, поршневые компрессоры, подъемные механизмы, канатные дороги, экструдеры, …

Механическая характеристика частотно-регулируемых приводов

Обычно используемая самовентиляция (прим. в 90 % регулируемых приводов до 250 kW) в стандартных асинхронных двигателях не является эффективной во всем диапазоне скоростей. На низких скоростях отвод тепла фактически не возможен.

Типичные применения с пониженным моментом на низкой скорости, соответствующие характеристике на рис. 4: насосы, вентиляторы, и др. с квадратичной зависимостью нагрузки от скорости …

Характеристики отношения мощности и скорости в режиме S1 двигателей постоянного и переменного тока:

(1) В отличии от стандартного асинхронного двигателя с фиксированной базовой (номинальной) частотой вращения (синхронные скорости 3000/1500/1000/… об/мин на 50 Гц), двигатель постоянного тока может быть спроектирован с базовой частота вращения в диапазоне примерно от 300 до 4000 об/мин для каждой рабочей точки. (2) В зависимости от типоразмера двигатели постоянного тока (как скомпенсированные, так и не скомпенсированные) могут иметь область работы с ослаблением поля 1 : 3 или 1 : 5 . (3) Ограничение мощности связано с максимальным моментом асинхронного двигателя, уменьшающимся обратно квадрату скорости (1/n2). (4) Ограничение мощности связано с уменьшением коммутационной способности коллекторного двигателя постоянного тока

.

Сравнение рабочих характеристик двигателей показывает, что двигатель постоянного тока выгоднее асинхронного при продолжительной работе на низких скоростях и для широкого диапазона скоростей при постоянной мощности. Перегрузочная способность в кратковременном режиме зависит не только от параметров двигателя, но в большой степени от характеристик преобразователя частоты / тиристорного преобразователя. Чем шире диапазон скоростей, в котором двигатель может выдать максимальную мощность, тем он лучше может быть адаптирован к процессам, требующим обеспечения постоянного момента во всем диапазоне скоростей. Типичное применение: намоточные устройства.

• Типоразмеры, моменты инерции и время разгона:

Основные технические различия двигателей
постоянного и переменного тока
, методы формирования магнитного потока и рассеивание потерь мощности также обуславливают различные размеры (высоту оси вращения вала H) и момент инерции ротора (Jrotor), при одном и том же номинальном моменте вращения двигателя. Двигатели
постоянного тока
имеют значительно меньшую высоту оси вращения
H
и массу ротора, чем асинхронные двигатели, и следовательно обладаю более низким моментом инерции ротора Jrotor, что является существенным преимуществом в высокодинамичных применениях, таких как испытательные стенды, летучие ножницы, и реверсивные приводы, так как это влияет на время разгона и динамический отклик двигателя в 4-х квадрантных приложениях (в двигательных и тормозных режимах).

• Широкий диапазон скоростей при постоянной мощности (работа с ослаблением поля или диапазон регулировки возбуждения):

Для специализированных приводных приложений, как привод намотчика и размотчика, испытательный стенд, лебедка и т.д., требуется очень широкий диапазон скоростей при постоянной мощности. В этом случае, традиционный режим работы с ослаблением поля двигателя постоянного тока с
независимым возбуждением
является особенно экономически эффективным. Это означает: широкий диапазон скоростей, при котором двигатель может выдавать максимальную мощность (длина горизонтальной линии характеристики на рис.5 от nG до n1), требуется меньший запас по мощности двигателя Pmax(motor) / Pmax(load).

• Обслуживание двигателя:

В настоящее время, в зависимости от сложности приложения, ресурс щеток
двигателя постоянного тока
составляет, примерно, 7000 … 12000 часов, благодаря современному коллекторному узлу, углеродистым щеткам и оптимизированному полю возбуждения. В зависимости от механических условий эксплуатации, интервал замены смазки в двигателях постоянного/переменного тока может быть соизмерим, а зачастую и меньше, чем ресурс щеток коллекторного двигателя.

• Степень защиты двигателя:

Исторически сложилось так, что начиная с 20-х годов,
двигатели постоянного тока
разрабатывались в основном для регулируемых приводов, что обусловило применение в них внутренней форсированной независимой вентиляции (прим. в 85 % двигателей до 250 kW). Стандартные асинхронные двигатели активно начали применяться в 70-х/80-х годах и в большинстве своем (прим. 90 % до 250 kW) производились с поверхностной самовентиляцией, так как частотно-регулируемые приводы тогда не были широко распространены. Фактически все асинхронные двигатели мощностью, прим. до 1400 kW имеют степень защиты IP 54, как стандарт, благодаря их простой и прочной конструкции. Для эксплуатации в зонах с повышенной опасностью, практически исключительно используются взрывозащищенные асинхронные двигатели. Асинхронный двигатель отыграл для себя ведущую позицию и доказал свою эффективность в тех секторах промышленности, которые характеризуются агрессивными условиями окружающей среды, высокой степенью загрязненности и запыленности.

• Масса и место для установки двигателя:

Более низкие масса и габариты
двигателей постоянного тока
(стандартная степень защиты
IP 23
) по сравнению с асинхронными двигателями (стандартная степень защиты IP 54) особенно важны для приложений, где двигатель должен перемещаться вместе с грузом (напр., для крупных подъемных, мостовых кранов), или в системах, где важно компактное размещение (буровые установки, подъемники для горнолыжных трасс, морские применения, печатные машины, и т.д.).

Различия между тиристорными преобразователями постоянного тока и преобразователями частоты

• Коммутация и преобразование электрической энергии:

Структурная схема 1-квадрантного привода постоянного тока

Переход тока от одного тиристора к другому начинается с пускового импульса, и после этого продолжается в линейно взаимосвязанном режиме. Это значит, что напряжение между коммутируемыми фазами сети поляризуется таким образом, что ток вновь открываемого тиристора увеличивается, и запирает предшествующий тиристор, снижая его ток до ноля. Коммутация тиристоров производится естественным путем (напряжением сети) при переходе тока через ноль и запирание тиристоров происходит без каких-либо проблем даже при значительной перегрузке. Поэтому тиристоры могут выбираться не по пиковому току, а по среднедействующему номинальному току нагрузки.

Структурная схема преобразователя частоты

Хотя входной выпрямительный мост преобразователя частоты работает подобно приводу постоянного тока, однако выпрямленный им ток должен быть преобразован обратно в 3-х фазный переменный с помощью инвертора. Так как у постоянного тока нет никаких переходов через ноль, то переключающие элементы (IGBT транзисторы

) должны прерывать полный ток нагрузки. Когда IGBT транзистор закрывается, ток проходит через обратный диод на противоположный полюс напряжения постоянного тока. Переключение происходит без контроля напряжения, но оно возможно в любое время независимо от формы сетевого напряжения.

Результат:

Коммутация в преобразователях частоты происходит с большой частотой и в выходном напряжении появляется высокочастотная составляющая, и могут возникнуть проблемы с электромагнитной совместимостью. В преобразователях постоянного тока есть только один контур преобразования энергии (AC → DC). В преобразователях частоты два контура преобразования энергии (AC → DC и DC → AC), т.е. потери мощности удваиваются по сравнению с приводами постоянного тока. Потери мощности, полученные эмпирическим путем следующие: ППТ — 0.8 % … 1.5 % от номинальной мощности; ЧРП — 2 % … 3.5 % от номинальной мощности. Место, требуемое для размещения шкафа преобразователя мощностью от 100 kW: ППТ — 100 %, ЧРП — 130 % … 300 %. Это преимущество приводов постоянного тока обуславливает уменьшение размера и стоимости электрошкафа и системы охлаждения.

• Выходные токи преобразователей переменного и постоянного тока; шум двигателя; нагрузка на изоляцию обмоток, электромагнитная совместимость (ЭМС):

ППТ

• Ток двигателя / шум: Напряжение, подаваемое на двигатель, состоит из сегментов от синусоидального сетевого напряжения. Ток двигателя является постоянным с наложенной переменной составляющей от мостового выпрямителя, поэтому проблем излучения шума в приводе постоянного тока не стоит.

• Пульсации момента вращения двигателя: Пульсирующий момент (foscill = 6 x fline = 300 Гц или 360 Гц), появляющийся в результате пульсаций тока, накладывается на основной момент и по частоте значительно превышает механические резонансные частоты. По этой причине не будет никаких проблем для таких приложений, как намотчики/размотчики и др.

• Напряжение на двигателе/изоляция обмоток: Максимальное напряжение, которое подается на клеммы двигателя постоянного тока эквивалентно пиковому значению сетевого напряжения (UN • √2 ).

• ЭМС: По упомянутым выше причинам инсталляционные затраты, требуемые для уменьшения электромагнитной эмиссии (для обеспечения требований по ЭМС) являются сравнительно небольшими в приводах постоянного тока.

ЧРП

• Ток двигателя / шум: Излучение шума в частотно-регулируемых приводах сильно зависит от выбранной тактовой частоты в каждом конкретном случае.

• Относительные гармонические составляющие в моменте вращения двигателя: Пульсирующий вращающий момент, в результате гармонических составляющих тока и напряжения (отклонение от идеального синуса) по амплитуде и частоте очень зависит от рабочей точки и принципа функционирования преобразователя частоты. Вероятность индуцированных колебаний в приводной системе (двигатель, муфта сцепления, трансмиссия, механические компоненты, и т.д.) соответственно больше.

• Напряжение на двигателе/изоляция обмоток: Выходной сигнал инвертора с ШИМ на IGBT транзисторах содержит крутые фронты напряжения, которые в случае длинного моторного кабеля (> 10 м) могут привести к 2-кратным пиковым перенапряжениям на двигателе. В результате этого увеличивается воздействие на изоляцию обмоток двигателя, что может привести к её старению и пробою. Эту ситуацию можно исправить, применив двигатель с повышенным классом изоляции, или поставив на выходе преобразователя частоты, дроссель.

• ЭМС: Электромагнитная эмиссия в частотно-регулируемых приводах, особенно связанная с длинным кабелем, может потребовать применение дополнительных мер и оборудования.

• Влияние на напряжение сети:

Линейные токи приводов постоянного тока с
6-пульсным тиристорным мостом
будут всегда содержать кроме основной гармоники еще 5-ю, 7-ю, 11-ю и 13-ю гармоники в соответственном процентном отношении: 22 %, 14 %, 9 %, 7.6 %. В случае работы нескольких приводов постоянного тока, подключенных у одному источнику сетевого напряжения, они немного уравновесят друг друга за счет различной фазовой последовательности, и общее искажение сетевого напряжения будет снижено. В преобразователях частоты переключение
IGBT транзисторов
практически не создает
низкочастотных
гармонических искажений, но существенными являются
высокочастотные
составляющие.

• Реактивная мощность:

Оба типа приводов
(ППТ и ЧПП)
потребляют реактивную мощность из сети. Её размер не значителен в частотно-регулируемых приводах, а в приводах постоянного тока более значителен и зависит от частоты вращения двигателя. Предпочтение в этом вопросе имеют частотные приводы.

Значения, полученные эмпирическим путем для приводов постоянного тока: 1-кварантные приложения — cos ≈ 0…0.9 4-квадрантные приложения — cos ≈ 0…0.85

Значения, полученные эмпирическим путем для частотно-регулируемых приводов: 1-кварантные приложения (с диодным входным мостом) — cos ≈ 0.99 4-квадрантные приложения (с тиристорным входным мостом и рекуперацией в сеть) — cos ≈ 0.9

Модернизация существующих приводов постоянного тока.

Когда возникает вопрос о том, стоит ли модернизировать существующий привод постоянного тока или дешевле его полностью заменить на электропривод переменного тока, надо подойти к этому вопросу взвешенно и рассмотреть все аргументы и «за» и «против».

В основном доступно несколько уровней модернизации:

• Полная замена привода постоянного тока (преобразователя и двигателя) на новый современный привод постоянного тока.
• Замена только преобразователя, если двигатель в хорошем состоянии.
• Замена одного из модулей преобразователя на новый.
• Замена аналоговой управляющей электроники на цифровую без изменения силовой части (рекомендуется только на мощностях более 1 МВт).
• Полная замена всей приводной системы на частотно-регулируемый привод.

Отвечая на вопрос, о том какой подход выбрать в каждом конкретном случае, важно оценить ряд критериев:

• Может ли появиться потребность в изменении привода в будущем (изменяться тип или характер нагрузки, условия эксплуатации, и т.д.)?
• В каком состоянии находятся индивидуальные компоненты системы (надежность, возраст, эксплуатационные затраты)?
• До принятия решения о замене привода постоянного тока на ЧРП
  учтите следующие пункты:

• Издержки на прокладку новых кабелей.
• Место для размещения преобразователя частоты.
• Потребуется ли замена коммутационной аппаратуры?
• Возможность и сложность механического монтажа нового двигателя
• Продолжительность всех работ по замене приводов./

Сравнение цен приводных систем постоянного и переменного тока

(преобразователь + двигатель или полный шкаф управления + двигателя) На основании сегодняшних цен на приводы постоянного и переменного тока, с учетом указанных выше преимуществ и недостатков различных решений, можно руководствоваться следующей оценкой: 1-квадрантные приводы < 40…80 кВт → ЧРП менее дорогие 4-квадрантные приводы < 40…60 кВт (Преобразователь частоты + тормозной (модуль) резистор); → ППТ менее дорогие Рекуперативные 4-квадрантные приводы > 15 kW → ППТ менее дорогие

Заключение

Основным недостатком аналогового привода постоянного тока

является низкая помехоустойчивость, сложность в настройке и нестабильность параметров. В качестве датчика обратной связи по скорости применяется тахогенератор, имеющий те же недостатки, что и коллекторный двигатель. Для реверсивных приводов после тахогенератора приходится устанавливать диодный мост, что ограничивает диапазон регулирования на малых скоростях из-за пропадания обратной связи. В случае синхронизации механизмов с различными приводами в режиме «ведущий – ведомый» частотный преобразователь намного предпочтительней, т.к. в качестве датчика скорости применяются цифровые датчики типа энкодера, резольвера или sin/cos преобразователи, что позволяет строить системы с электрическими валами. Наличие дополнительных устройств (опций) частотных преобразователей позволяют наращивать функции последних: увеличивать число входов выходов, использовать современные шины и протоколы обмена, применять привод в устройствах позиционирования, следить за температурным режимом двигателя и привода, использовать привод в режиме виртуального кулачка (переменная скорость вращения за один оборот вала) и многое другое.

Современные микроконтроллеры, управляющие частотным преобразователем, позволяют обрабатывать данные за период в несколько десятков микросекунд, (десять лет назад это время составляло 200 мС), что позволило расширить диапазон регулирования с обратной связью до 1:1000 с точностью поддержания скорости 0,2 оборота во всем диапазоне, что приближает частотные приводы к сервоприводам.

Однако, учитывая устойчивый рост рынка регулируемых приводов, ожидается, что объем рынка приводов постоянного тока останется более или менее устойчивым в течение некоторого периода. Это представление подтверждено последними исследованиями рынка.

Сравнение двух типов приводных систем, сделанное в данном обзоре, показывает, что вопрос о том, является ли правильным выбор привода постоянного или переменного тока, целиком зависит от конкретного применения.

• Должен быть обеспечен режим работы в 4-х квадрантах с рекуперацией?
• Предполагается продолжительная работа на низкой скорости?
• Требуется меньшее выделение тепла преобразователем?
• Предполагаются частые динамичные разгоны и торможения?
• Требуется широкий диапазон скоростей при постоянной мощности (>1:1.5)?
• Устраивает степень защиты двигателя < IP54
  ? Работа в незагрязненной среде?
• Есть возможность обеспечения периодического обслуживания двигателя?
• Требуются компактные размеры и небольшая масса преобразователя и двигателя?

Чем на большее количество вопросов Вы ответили «Да»

, тем актуальнее для Вас использование привода постоянного тока!