В настоящее время на АО “Северсталь” происходит активное внедрение частотных преобразователей. Это объясняется тем, что частотное управление, реализуемое посредством автономных инверторов напряжения, позволяет решить целый ряд проблем, связанных с несовершенством существующих систем электрического привода.
На сегодняшний день наибольшее распространение получили следующие типы двигателей: АД с короткозамкнутым ротором, АД с фазным ротором, СД, ДПТ. На современном производстве существуют такие технологические процессы, которые требуют глубокого регулирования скорости, её постоянства в течение определенного времени и высокой перегрузочной способности электрической машины. ДПТ наиболее полно отвечает всем этим требованиям, но имеет существенный недостаток – коллектор. Коллекторные машины критичны к большим пусковым токам (круговой огонь) и их коллектор подвержен подгоранию, истиранию и загрязнению, в металлургических же цехах зачастую присутствует и металлическая и угольная пыль, что отрицательно влияет на срок службы двигателей. АД с фазным ротором имеет значительный диапазон регулирования скорости, но реализация её регулирования не отличается экономичностью – на активных сопротивлениях, вводимых в ротор, происходят ненужные потери энергии. Кроме того, контактные кольца и щётки тоже подвержены износу, что приводит к вынужденным материальным затратам и потере рабочего времени на ремонты.
СД отличается достаточно высоким КПД, но запуск его осложнен тем, что прямое включение в сеть СД приводит к резким броскам тока и напряжения, что при большой мощности машины очень отрицательно сказывается на форме сетевого напряжения. Синхронные машины при перевозбуждении компенсируют реактивную мощность индуктивной нагрузки (АД) и имеют очень стабильную скорость, не зависящую от нагрузки, но при превышении критического момента машина выпадает из синхронизма, что приводит к броскам потребляемого тока и напряжения. АД с короткозамкнутым ротором не содержит роторной обмотки, которая была бы сильно подвержена динамическим и температурным воздействиям, что объясняет самую низкую аварийность этих электрических машин. АД могут выполняться даже в герметичном исполнении, что позволяет использовать их во взрывоопасных средах. К недостаткам АД можно отнести то, что при пуске его момент не может составлять 100 % из-за того, что индуктивное сопротивление стержней ротора больше активного (S»1).
Если посмотреть на схему замещения АД, то можно сделать вывод, что у асинхронного электродвигателя момент не может являться максимальным в диапазоне скоростей 0 – max, т.к. зависит от соотношения активного и реактивного сопротивлений ротора, которые также зависят от скольжения.
Исходя из этого мы приходим к выводу, что для поддержания момента на постоянном уровне в течение всего разгона необходимо сделать так, что бы соотношение активного и реактивного сопротивлений ротора было постоянным. Соотношение может быть изменено либо увеличением активного (как в АД с фазным ротором) так и уменьшением реактивного сопротивления. Известно, что реактивное сопротивление индуктивности уменьшается со снижением частоты, активное же сопротивление в случае машины с короткозамкнутым ротором не изменяется (очень мал скин-эффект ввиду относительно малой частоты тока в обмотке). Поэтому поддержание максимального момента при разгоне может быть реализовано путем плавного изменения частоты. Такой метод управления асинхронной машиной называется частотным управлением. Он реализуется методом широтно-импульсной модуляции напряжения цепи постоянного тока автономного инвертора.
Одним из важных параметров инвертора является несущая частота ШИМ. От этой частоты зависит качество кривой тока двигателя, и чем выше синусоидальность, тем меньше помех в радиодиапазоне тем меньше потери на гистерезис и вихревые токи в магнитной системе машины.
Для создания синусоидально-подобной кривой тока используется изменение ширины импульсов в сторону увеличения от начала до середины полупериода, затем следует уменьшение ширины каждого импульса, и, наконец, изменение полярности выходного напряжения. Для увеличения величины выходного напряжения происходит лишь пропорциональное увеличение ширины импульсов. Этот метод изменения выходного напряжения называется методом широтно-импульсного регулирования. Метод широтно-импульсной модуляции позволяет получить высокую синусоидальность. В дорогих моделях инверторов, предназначенных для использования с электродвигателями большой мощности используется также метод векторного управления. Суть этого метода состоит в том, что инвертор получает от двигателя четыре параметра:
Напряжение на зажимах
Выходной ток
Угловую частоту
Положение ротора.
На основании этих параметров происходит построение математической модели электрической машины в микропроцессорном блоке инвертора, определяется необходимый сдвиг между током и напряжением, что позволяет работать с cosj = 1 во всем диапазоне выходных частот инвертора. Cosj =1 позволяет получить максимальный момент даже на низких частотах, а при использовании инвертора для питания двигателя с вентиляторной нагрузкой инвертор выбирает минимально возможный рабочий момент путем снижения выходного напряжения, что позволяет экономить электроэнергию.
В последних моделях инверторов возможен также режим, когда не используется ни тахогенератор, ни сельсин. Построение математической модели происходит по двум параметрам: по току и напряжению на выходных зажимах инвертора. Такой способ векторного управления требует высокого быстродействия процессорного блока инвертора. Серия EF обладает такими возможностями.
Инверторы также имеют преимущество перед тиристорными преобразователями, так как не потребляют реактивную мощность из питающей сети.
Таким образом, асинхронный двигатель, при его использовании с частотным преобразователем, является лучшей системой привода. Лидером в производстве автономных инверторов является фирма “Omron”, т.к. её преобразователи имеют большую гибкость в управлении и надежность.
Именно поэтому АО “Северсталь” в настоящее время активно внедряет эти частотные преобразователи на производство (наряду с инверторами “Siemens”), причем в настоящее время инверторы начинают внедряться даже в коммунальную сферу (насосы).
Из – за широкого распространения инверторов необходимо обучать специалистов, выпускаемых из колледжа и частотному приводу. До настоящего времени выпускники имели только теоретические знания по частотному приводу. С пуском комплексного стенда станет возможным проводить лабораторные работы по дисциплине “Электрический привод” в полном объеме, соответствующем современным требованиям к выпускаемым специалистам. В настоящий момент возможно проведение лабораторных работ на стенде №6. Завязка стендов №6 и №7 по управляющим входам является задачей для дальнейшей работы. Стенды для проведения лабораторных работ в колледже располагаются в лаборатории электропривода. Лабораторные указания для проведения двух лабораторных работ, разработанные в ходе данного дипломного проекта, представлены в приложениях “А” и “Б”.
Комплексный стенд предназначен для получения первичных практических навыков по программированию частотного привода и его управлению перед выходом на практику студентов колледжа. Комплексный стенд состоит из стендов №6 и №7.
Стенд №6, основой которого является автономный инвертор напряжения фирмы “Omron”, позволяет отрабатывать вопросы управления инвертором с его встроенного пульта и с внешних управляющих входов: с двух дискретных входов (для задания направления вращения) и с одного аналогового (для задания скорости).
Стенд №7, базирующийся на программируемом контроллере “Ремиконт Р-122”, позволяет получать практические навыки по программированию ПК “Ремиконт” и по управлению внешними устройствами, например, стендом №6 или любым другим. Планируется также связать все контроллеры, находящиеся в лабораториях колледжа в сеть посредством программного обеспечения “TraceMode”. Это также является направлением для дальнейшей работы.
В результате дипломного проекта был разработан и внедрен комплексный лабораторный стенд по изучению частотного электропривода на базе автономного инвертора напряжения фирмы “Omron”.
Также в результате дипломного проекта, кроме двух приложений с методическими указаниями для лабораторных работ, был произведен расчёт капитальных затрат на внедрение комплексного стенда. Капитальные затраты составили 50 тыс. рублей, затраты на эксплуатацию – 9 тысяч.