Хоча в даній схемі в два рази більше напівпровідників, що збільшує її вартість, та все ж дорожче використовувати схему Міткевича, оскільки в ній потужність трансформатора повинна бути приблизно в два рази більша, що суттєво збільшує її ціну.
Після випрямлення напругу необхідно профільтрувати від змінної складової. Для цих цілей встановлений згладжуючий дросель L3, оскільки реактивні елементи мають підвищений опір змінному струму. Згладжуючі дроселі встановлюються в ланцюг постійного струму перетворювача частоти (дивись рисунок 1). Основне їхнє призначення - підвищення коефіцієнта потужності перетворювача частоти. Згладжуючий дросель більш ефективно придушує 5-у і 7-у гармоніки, а мережний дросель - 11-у і вище, тому оптимальний результат досягається у випадку спільного використання мережного і згладжуючого дроселів.
Випрямлену напругу необхідно знову зробити змінною, але вже з заданою частотою. Для цих цілей використовується автономний інвертор напруги. На вході інвертора напруги встановлені конденсатори С17, С18 для виключення впливу на роботу пристрою внутрішнього опору джерела та забезпечення комутації силових ключів при незмінній напрузі, а також зворотну провідність у джерелі живлення.
Використовуються автономні інвертори:
у системах електропостачання споживачів змінного струму, коли єдиним джерелом живлення є джерело напруги постійного струму (наприклад акумуляторна чи сонячна батарея);
у системах гарантованого електропостачання при зникненні напруги мережі живлення (наприклад для особистих потреб електростанції для живлення пристроїв контролю, вимірювання, захисту ЕОМ);
для живлення технологічного процесу технологічного устаткування, частота напруги якого відрізняється від промислової частоти 50 Гц.
для частотного регулювання швидкості асинхронних двигунів;
для живлення споживачів змінного струму від ліній електропостачання постійного струму;
для перетворення постійної напруги одного рівня у постійно напругу іншого рівня (конвертування напруг).
При запиранні транзисторів внаслідок зміни полярності ЕРС самоіндукції індуктивності навантаження, струм навантаження буде прагнути зберегти свої величину та напрямок. Для того, щоб забезпечити його протікання, виключаючи при цьому виникнення перенапруг, транзистори VT2, VT3, VT4, VT5, VT6, VT7 шунтують діодами відповідно VD7, VD8, VD9, VD10, VD11, VD12.
На виході інвертора всановлений моторний реактор L3. Вихідні напруги інверторів - це послідовність прямокутних імпульсів регульованої ширини і частоти. Швидкість наростання імпульсів напруги дуже велика, що становить небезпеку для ізоляції електродвигунів, що живляться. Обмеження швидкості наростання напруги, а в результаті зниження ризику ушкодження ізоляції двигуна, досягається шляхом установки між двигуном і інвертором моторного реактора.
Моторні реактори використовуються також для обмеження струму короткого замикання до моменту спрацьовування захисту і вимикання струму в ланцюзі. Найчастіше підбір відповідної індуктивності моторного реактора є єдиною можливістю захисту вихідних транзисторів. Підбор індуктивності моторного реактора залежить від максимальної величини струму короткого замикання в ланцюзі.
На практиці часто двигун значно віддалений від
перетворювача частоти. Довгий кабель має велику ємність, що сприяє збільшенню
втрат потужності в перетворювачі частоти і кабелі. Моторний реактор, крім
захисту ізоляції двигуна, компенсує ємність живильної лінії, а також обмежує
гармоніки і комутаційні перенапруги в ланцюзі двигуна. У результаті двигун
менше гріється.
.2.3 Вплив систем керування ТПЧ на властивості електроприводу
Усі перетворювачі характеризуються по способу керування. Загалом виділяються два основних принципи керування перетворювачем частоти.
До першого типу відноситься система скалярного керування. Цей спосіб керування також називають частотнім керуванням, оскільки його основною метою є формування фазних напруг на основі заданих значень амплітуди і частоти, отриманих шляхом широтно-імпульсної модуляції інвертора. Даний спосіб керування є найбільш простим способом реалізації частотного керування і завдяки відносно низької вартості, широко використовується для приводів та механізмів де не треба високої точності регулювання швидкості електродвигуна. В першу чергу це відноситься до електроприводів насосів, вентиляторів, компресорів. Саме ця категорія механізмів має широкий потенціал енергозбереження, який успішно реалізується при впровадженні вказаного типу керування перетворювачем.
До другого способу керування відноситься система векторного керування. Цей спосіб керування забезпечує характеристики асинхронного електроприводу близькими к характеристикам приводу постійного струму. Ці властивості системи досягаються за рахунок розділу каналів регулювання потокозчепленням і швидкості обертання електродвигуна, не досягаємі при використанні векторного керування. Цей спосіб керування умовно поділяється на дві великі групи: керування по вектору струму і керування по векторі напруги. При побудові вказаних систем керування ТПЧ використовується векторне представлення фізичних величин. Перетворювачі, які використовують даний принцип керування, мають відносно велику вартість і примінюяться в механізмах з потребою у досить точному регулюванні швидкості. Найчастіше такий спосіб керування приміняться у приводах станків, ліфтів, кранах. Хоча при наявності датчиків зворотного зв’язку: датчиків положення, швидкості, у більшості випадків, з цими завданнями можуть впоратися і перетворювачі скалярного типу керування. Проте потрібно відмітити, що у сучасності спостерігається тенденція у відмові від датчиків, так як при наявності датчиків система керування збільшує свою вартість і зменшує надійність. Також потрібно відзначити, що звичайний векторний тип керування працює в діапазоні не вище 1:100, при більшій потребі точності керування використовуються спеціальні двигуни.
Досвід роботи показує, що в переважній більшості
розв'язуваних на сьогоднішній день завдань, досить перетворювача частоти зі
скалярним принципом управління і ШІМ модуляцією інвертора, а іноді досить
використовувати пристрої плавного пуску (УПП) або, як їх ще називають, м'які
пускачі.
.2.4 Особливості застосування тиристорних перетворювачів
Як правило, використовуються електроприводи з
великим запасом по потужності для забезпечення пікових навантажень, при цьому
тривалість пікових навантажень становить 15 - 20 % від загального часу роботи,
що призводить до низької ефективності використання електроенергії - до 40 %.
Оснащення їх частотно-регульованими електроприводами натомість нерегульованих
або вживаних в даний час механічних і гідравлічних пристроїв (варіатори,
гідроприводи, турбомуфти і індукційні муфти ковзання) дозволяє істотно знизити
споживання електроенергії. За оцінками експертів економія електроенергії при
впровадженні частотно-регульованих електроприводів становить:
компресори до - 40%;
вентилятори до - 30%;
центрифуги - 30-50%.
Частотно-регульований привід знайшов широке застосування в різних галузях промисловості для управління роботою технологічного і допоміжного обладнання. Найбільший економічний ефект дає застосування ЧРП в системах вентиляції, кондиціонування і водопостачання, де застосування ЧРП стало фактично стандартом. Основними об'єктами для застосування ЧРП є - насоси, вентилятори, компресори.
Частотно-регульований електропривод призначений для управління роботою всіх видів потужних насосів (помпових і відцентрових). Він забезпечує плавний пуск насосного агрегату, що збільшує термін експлуатації технологічного обладнання за рахунок відсутності гідравлічних ударів в трубах.
Застосування ЧРП ефективно для управління потужними насосними агрегатами підприємств: видобутку, транспортування і переробки нафти; комунального господарства; деревообробки; машинобудівного комплексу.
Потужні вентилятори використовуються як тягодуттьові механізми в котлах, як механізми вентиляції, як механізми охолодження потужних приводних двигунів.
Застосування частотно-регульованого електроприводу дозволяє плавно з необхідної динамікою розгону запускати вентилятор. А можливість роботи електропривода в замкнутій системі управління за сигналами зворотного зв'язку (датчик температури, газоаналізатор) робить можливим регулювання частоти обертання вентилятора (регулювання його продуктивності) по необхідності. Така оптимізація призводить до зменшення енергоспоживання, збільшення міжремонтних циклів технологічного обладнання, зменшення кількості чергового персоналу.
Котельні, як об'єкти комунального господарства, розраховуються таким чином, що дозволяють забезпечити споживачів теплом у найхолоднішу пору року. Однак, більшу частину часу потрібно навантаження значно менше максимальної. Як правило, 95% часу котельні працюють з надлишковою продуктивністю.
Застосування ЧРП ефективно для управління:
потужні вентилятори;
потужні насоси (мережеві, підживлюючий, рециркуляційні, мазутні).
На базі частотних перетворювачів можуть бути реалізовані системи регулювання швидкості наступних об'єктів:
піскові і пульпові насоси в технологічних лініях збагачувальних фабрик;
рольганги, конвеєри, транспортери та інші транспортні засоби; дозатори і живильники;
ліфтове обладнання;
дробарки, млини, мішалки, екструдери; центрифуги різних типів;
лінії виробництва плівки, картону та інших стрічкових матеріалів;
обладнання прокатних станів та інших металургійних агрегатів;
приводи бурових верстатів, електробурів, бурового устаткування;
електроприводи верстатного обладнання; високообертові механізми (шпинделі шліфувальних верстатів);
екскаваторне обладнання;
кранове обладнання;
механізми силових маніпуляторів.
Системи управління на базі частотних перетворювачів можуть мати будь-які технологічно необхідні функції, реалізація яких можлива як за рахунок вбудованих в перетворювачі програмованих контролерів, так і додаткових контролерів, функціонуючих спільно з перетворювачами.
Як показують розрахунки, підтверджені реальними
умовами промислової експлуатації, термін окупності систем
частотно-регульованого електроприводу становить від 0,5 року до 2-х років і
постійно знижується у зв'язку із зростанням цін на електроенергію та
енергоносії.
2.2.5 Тенденція розвитку частотно-регульованого привода
Розвиток способів управління тиристорним перетворювачем. Новим напрямком у галузі розробки високоякісних систем управління є системи з прямим управлінням моментом. Основна ідея управління полягає в тому, що на кожному кроці розрахунку визначається оптимальний стан інвертора напруги за значенням моменту і потоку статора, з системи виключається широтно-імпульсний модулятор, як окрема ланка. Система реалізує векторне регулювання швидкості, математичний апарат якого заснований на диференціальних рівняннях динаміки асинхронного двигуна і векторних співвідношеннях. Метод однаково коректний як для перехідних, так і для сталих процесів, що істотно підвищує динамічний діапазон роботи системи, призводить, наприклад, до відсутності провалів швидкості при скачках навантаження. Завдання контуру швидкості - задати миттєве положення вектора струму, необхідне для підтримки заданої швидкості. Завдання контуру струму - забезпечити реальний стан і амплітуду вектора струму рівними заданим значенням.
Момент перемикання інвертора не прив'язаний до періоду ШІМ, а залежить від реальної помилки вектора струму. Визначальним у роботі контуру є критерій вибору стану інвертора при перемиканні і дозволяє:
мінімізувати частоту перемикань інвертора при малій амплітуді помилки;
зменшити короткочасно виникаючу велику струмову помилку за мінімальний час при мінімальній кількості комутацій інвертора.
Даний метод управління струмом має суттєві переваги порівняно з ШІМ - управлінням. Він дозволяє будувати більш швидкісні системи, миттєво реагуюючі на впливи, і одночасно розсіювати менше енергії в силових ключах в порівнянні з методом ШІМ. Наприклад, заявлено, що привід відпрацьовує 100 % -й стрибок завдання на момент за час, що не перевищує 2 мс, що є природним межею асинхронного двигуна. У більшості випадків ПЧ з таким типом управління дозволяє відмовитися від датчика швидкості, так як вбудований обчислювач швидкості оцінює частоту обертання валу двигуна 40000 разів в секунду з точністю 2 об/хв.
Зниження вартості IGBT-транзистори, і
перетворювачі частоти стануть ще більш доступними для споживачів, масштаби їх
впровадження же в найближчі роки стануть масовими, як показує досвід
високорозвинених країн.
ВИСНОВКИ
Модернізація застарілих структур електричного приводу, зменшення кількості механічних передач та взагалі елементів в структурі приводу веде к підвищенню коефіцієнта корисної дії, тобто к мінімалізації витрат за електроенергію. У зв’язку з постійним розвитком як важкості технологічних процесів так і розвитком напівпровідникових структур, способів керування їми модернізація постає як реальність. Розглядаючи недоліки застарілих способів керування - реостатне, введення механічних перетворювачів (варіаторів), можна побачити досконалість напівпровідникових систем.
Розглядаючи ряд факторів, які впливають на
економічну актуальність модернізації можна побачити, що енергозбереження при
модернізації за допомогою тиристорних перетворювачів частоти з кожним роком стає
все більш і більш актуальнішим. На сучасному етапі спостерігається постійні
дослідження і іновації у сфері системи керування тиристорним перетворювачем.
Тому розглянута система перетворювача, яка вже майже близька до досконалості,
має коефіцієнт корисної дії до 98,6 %, ще розвивається і розвиватиметься
надалі.
ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ
<http://ru.wikipedia.org/wiki>
<http://vfd.com.ua/>.info
<http://e-audit.ru/chrp/>
<http://www.optimele.ru/info/381/>
<http://akn.com.ua/226.html>://www.ngpedia.ru/id389698p1.html
<http://leonardo-energy.ru/archives/tag/chastotnoe-regulirovanie-elektroprivoda>
<http://tsdservice.com.ua/our-articles/85-chastotnyy-preobrazovatel-i-vhodnaya-set-pitaniya.html>
<http://www.promautomatic.ru/MICROMASTER.html>://elektroas.ru/effektivnyj-metod-regulirovaniya-chastotnyj-preobrazovatel
<http://www.privod.su/privod>
<http://zpmmk.com/komplekt/elektrooborydovanie/cshastotniyprivod>://reductor58.ru/chastotnye-preobrazovateli/chastotny-preobrazovatel-hyundai