CC BY
41
Лиература
1.Биологическое действие ультрафиолета. М.-Наука.-1975.-280 с.
2.В.Ф.Рой,К.К.Намитоков. Высокочастотные свойства газоразряд- ной плазмы низького давления.//Вопросы атомной науки и техники.-ННЦ «ХФТИ» НАНУ.-Харгав 1998.-№5.-С.151-152.
3.Намитоков К.К.,Пахомов П.Л.,Харин С.Н. Излучение газоразрядной плазмы.-Алма-Ата, Наука.-1994.-304 с.
4.В.Ю.Дадонов,В.И.Рыков.Исследование функции распределения электронов по энергиям в положительном столбе разрядных ламп// Электрические источники света.-в.12.-М.-1981.-С.25-32.
Проведено aHaMi3 стану сучасного авто-матизованого електропривода, розглянуто тенденци його розвитку. Розроблен реко-мендаци щодо використання електрод-вигутв в частотно-керованих приводах. Приведен основш напрямки дослиджень електроприводiв, показан новi можливостi керування
Ключовi слова: електропривод, елек-тричний двигун, редуктор, натвпровидни-ковий перетворювач, система керування,
IGBT-транзистор
□-□
Проведен анализ состояния современного автоматизированного электропривода, рассмотрены тенденции его развития. Разработаны рекомендации по применению электродвигателей в частотно-регулируемых приводах. Приведены основные направления исследования электроприводов, показаны новые возможности управления
Ключевые слова: электропривод, электрический двигатель, редуктор, полупроводниковый преобразователь, система управления, IGBT-транзистор
□-□
The analysis of modern automated electric-drive, examined trends of its development. The recommendations on the use of electric motors in variable-speed drives. The main directions of research drives, shows the new capabilities control
Key words: electric, electric motor, gearbox, solid converter, control system, IGBT-tra-nsistor
УДК 621.313
ДЕЯК1 АСПЕКТИ РОЗВИТКУ АВТОМАТИЗОВАНОГО ЕЛЕКТРОПРИВОДА
Ю.О. Крисан
Кандидат техычних наук, доцент Кафедра електропривода та автоматизацп промислових
установок
Запорiзький нацюнальний техшчний уыверситет вул. Жуковського, 64, м. Запорiжжя, УкраТна, 69063 Контактний тел.: 097-198-66-25 E-mail: krisan@rambler.ru
У наш час збертеться тенденщя CTpiMKoro зро-стання промислового виробництва, ефектившсть яко-го визначаеться досягненнями в галузi регульованого i глибокорегульованого електропривода, функщональ-ними можливостями його систем керування та еконо-мiчнiстю.
Отже, електроприводи продовжують поглиблюва-ти свою роль основних засобiв штенсифжацп техноло-
пчних процеив. Ними споживаеться до 49% виробле-но1 електроенергп. Таке широке ix розповсюдження обумовлене рядом чинниюв. До таких вщноситься, по-перше, доступшсть електричноi енергii: вона виро-бляеться багатьма способами, у великих юлькостях i з порiвняно невисокими витратами транспортуеть-ся на великi вщстань По-друге - властивостi самих перетворювачiв електричноi енергii в меxанiчну (елек-
тричних двигушв). Вони характеризуются високим коефвдентом корисно! дii (ККД), досить простою кон-струкцieю, високою керованiстю i екологiчнiстю. Крiм того, вартiсть електричних двигушв значно нижча, шж двигушв шших типiв (наприклад: теплових, вну-трiшнього згорання або реактивних).
Велике рiзноманiття сучасних електроприводiв вимагае всебiчного аналiзу усiх чинникiв вибору, в першу чергу таких як:
- технолопчш вимоги;
- вимоги вщносно безпечностi i еколопчностг,
- економiчна доцiльнiсть.
У регульованих електроприводах частота обертан-ня i момент на валу змiнюються вiдповiдно до вимог технологiчного процесу. У таких приводах одним з основних елеменпв е силовий перетворювач характеристики i властивостi якого забезпечують дотримання усiх особливостей технологii. Для глибокорегульова-них електроприводiв важливим е динамiчнi характеристики, швидкодiя.
Природно, що регульованi електроприводи склад-нiшi i дорожчi нерегульованих. У зв'язку з цим останш поширешш^ складають майже 90% з усього числа використовуваних у свгговому промисловому вироб-ництвi. Проте з початку 90-х роюв двадцятого столiття ситуащя стала iстотно мiнятися у бж використання регульованих електроприводiв. У промислово розви-нених крашах доля вже зараз близько 60% i продо-вжуе рости.
Найпоширенiшiм типом електродвигуна е асин-хронний двигун з короткозамкненим ротором ^ за прогнозом переважно! бiльшостi спецiалiстiв, в найближчi роки вiн таким i останеться. Альтернативою до нього може бути керований i некерований електропривод на базi синхронного двигуна. Природно, що асинхронний двигун удосконалюватиметься i змшюватиметься як за будовою, так i за використанням.
Основний напрям конструктивного розвитку асин-хронних короткозамкнених двигушв змшного струму - покращення енергетичних i масогабаритних показ-никiв. Впровадження високоефективних електродви-гунiв стимулюеться прагненням скоротити шкiдливi викиди в атмосферу, передбачеш Кiотським протоколом. Ввдомо, що ККД виробництва, передачi i розпо-дiлу електроенергii в середньому дорiвнюе 33%. Це означае, що кожна юловат-година, заощаджена елек-троприводом, заощаджуе три кiловат-години первин-но! енергп. У розвинених iндустрiальних крашах вже зараз посилюються нормативнi вимоги вщносно ККД електродвигунiв, в першу чергу - саме асинхронних двигушв з короткозамкненим ротором. Наприклад, в частотно-регульованих приводах рекомендуеться застосовувати пльки спещальш електродвигуни з на-ступними параметрами:
- вища на^востшюсть iзоляцii статорно! обмотки, розраховано! на вищу напругу;
- пiдвищенi значення обертового момента у всьому дiапазонi регулювання;
- вщповщшсть пiдвищеним вимогам вiдносно елек-трично!, магнiтноi i конструктивно! симетрш;
- вiдповiднiсть пiдвищеним вимогам ввдносно не-рiвномiрностi повiтряного промiжку;
- вщповщшсть особливим вимогам вiдносно вели-чини активного i iндуктивного опору ротора i статора;
- наявшсть примусово1 вентиляци;
- наявшсть вбудованих давач1в положення i швид-
KOCTi.
KpiM того, перспективним е застосування в короткозамкнених електричних двигунах обмотки ротора 3i зниженим активним опором на основi мщних сплавiв. У вказаних двигунах застосовуватиметься яюсшша тонколистова електротехнiчна сталь, а також шихтовка роторiв «ялиночкою» з промiжним короткозамкненим кiльцем. Усе це говорить про те, що варткть асинхронних двигушв з короткозамкненими юль-цями тшьки збiльшуватиметься. При цьому обсяги виробництва також зб^ьшуватимуться.
Застосування асинхронних двигушв з фазним ротором ниш скорочуеться. Вони використовувалися в основному в тдйомно-транспортних мехашзмах, проте зараз саме в цш сферi вщбуваеться масовий перехщ на частотнокерованi короткозамкненi електродвигуни. Швидше за все, застосування вищеназва-них двигунiв обмежиться асинхронно-вентильними каскадами середньо'1 i велико1 потужностi. Крiм того, у зв'язку з розвитком натвпровщникових перетворюва-чiв частоти i зниженням 1х вартостi можливий прогрес у використанш двигунiв з фазним ротором як е по-вшстю керованими машини подвiйного живлення. Це привабливо завдяки можливоси отримати подвшний дiапазон регулювання швидкостi при номшальному або навiть пiдвищеному обертовому момент на валу електродвигуна. Натомiсть це зажадае розробки спе-цiальних алгоритмiв керування двигуном в пускових i гальмiвних режимах.
Застосування електричних двигушв постшно-го струму, якi ще зовсiм нещодавно були найбiльш вживаш в галузi регульованих електроприводiв, по-ступово скорочуеться. У дiапазонi малих i середнiх потужностей вони витшняються частотнокеровани-ми асинхронними короткозамкненими електродви-гунами. Це не означае, що електродвигуни постшного струму зникнуть повшстю. 1снують технологи i виробництва, де 1х застосування виправдане техшчно i економiчно (наприклад, системи транспортування довгомiрних виробiв).
Все б^ьше поширюються високомоментнi син-хроннi двигуни магштоелектричного збудження з використанням високоефективних магштотвердих матерiалiв на базi рвдкоземельних металiв (неодим-за-лiзо-бор або самарш-кобальт та iншi). Разом з головною перевагою двигушв з постшними магштами - вщ-сутнiстю шдткового контакту, - вони мають i ряд iнших позитивних якостей: високою перевантажувальною здатнiстю, малим моментом шерцп ротора, наявнiстю фiксованого момента в знеструмленому сташ, високою швидкодiею. У поеднанш з високою статичною стшкь стю i широким дiапазоном регулювання щ властивостi часто е виршальними аргументами на користь магнi-тоелектричного синхронного двигуна, незважаючи на його б^ьш високу, порiвняно з асинхронним короткозамкненим двигуном, варпсть.
Необхщно вiдмiтити також зростаючу популярность вентильно-iндукторних двигунiв (англ. switched reluctance motor, SRM) [1]. Вентильно-шдукторний двигун е окремим випадком синхронного реактивного двигуна з явно вираженими полюсами статора, на яю надягнуи котушки збудження, подiбнi до котушок по-
лю«в електричних машин постшного струму. Ротор виконаний у виглядi зубчастого колеса, без обмотки. При цьому число полюив ротора, тобто зубщв, не дорiвнюe числу явно виступаючих полюав статора. На вiдмiну вiд асинхронних i синхронних двигунiв, в вентильно-шдукторному двигунi електромагнiтний момент створюеться не завдяки взаемодп мiж оберто-вим магштним полем статора i струмами ротора, а за рахунок несиметрично! магштно! системи. Простота конструкцii, надшшсть, технологiчнiсть у виготов-леннi, висока ремонтопридатшсть роблять його реаль-ним конкурентом асинхронного короткозамкненого двигуна змшного струму в регульованих приводах потужшстю вiд одиниць до сотень кВт. Вже зараз дви-гуни цього типу достатньо широко використовують-ся у вибухонебезпечних установках, електромобшях, електровозах ^ навпаки, в агрегатах, де вимагаються наднизька (до десятюв обертiв в хвилину) частота обертання.
Вихщними параметрами електродвигуна е частота обертання i обертовий момент на вихвдному валу. Номiнальна частота обертання вихщного вала бшь-шостi розглянутих вище електродвигунiв знаходиться в дiапазонi вiд 500 до 6000 об/хв. При цих частотах обертання вони мають практично найкрашд масога-баритш енергетичнi показники. Обертовий момент на вихщному валу електродвигуна прямо пропорцш-ний його номiнальнiй потужностi i зворотньо про-порцiйний його номшальнш кутовiй швидкостi. В багатьох виробничих агрегатах необхщний дiапазон частот обертання лежить ктотно нижче вказаного для електричних двигушв. Для узгодження характеристик електродвигуна i виробничого агрегату до складу електропривода вводиться редуктор. Найб^ьшого поширення в електроприводах набули цилшдричш, планетарнi i черв'ячш редуктори. Останнiм часом достатньо широко застосовуються високоефективнi хви-льовi редуктори з промiжними тiлами кочення.
Часто редуктор i електродвигун об'еднуються в единий пристрiй - мотор-редуктор. Промисловшть у великих кiлькостях випускае мотор-редуктори рiзноi конструкцп. Натомiсть тенденщя створення спещаль зованих електромеханiчних модулiв, в яких двигун i редуктор виконуються як елемент конкретно! робочо! машини.
У зв'язку з появою тихохщних моментних двигунiв (наприклад, синхронних електродвигушв з постш-ними магнiтами, а також реактивних двигушв як таких, що перемикаються) мають мшце спроби повшстю виключити редуктор iз складу електропривода, що обумовлюе суттеве скорочення мехашчно! частини, зменшуеться маса, момент шерцп, об'ем, усуваються люфти, мехашчш пружнi зв'язки i таке шше.
У нерегульованих електроприводах машпуляцп з потоком електроенергii вiдбуваються в основному за допомогою електромагштних контакторiв. При цьому усi операцп по керуванню зводяться до пуску i гальмуванню електродвигуна. В деяких випадках здiйснюються реверс i примусове гальмування електродвигуна. При функщонуванш амплиуда струму у фазах статарно! ланки електродвигунiв контролю-еться тепловими i електромагнiтними реле захисту. Реле захисту налаштовуються на допустимi дискретш значення струмiв, досягнувши яких вони ввдключають
живлення котушок пускових електромагштних кон-тактор1в, внаслвдок чого двигуни выключаться ввд мереж!. Поеднання електромагштних контактор1в i реле захисту також називають «пускозахисним пристроем електродвигуна».
Вдосконалення пускозахисних пристро1в в нерегульованих електроприводах йде шляхом застосування мжропроцесорних реле керування i захисту, а також так званих софтстартерiв (пристро1в плавного пуску).
Як приклад електронних реле керування i захисту електродвигушв можливо привести пристро! системи SIMOCODE компанп Siemens [2] i TeSys Т компанп Schneider Electric [3]. Вони дозволяють керувати елек-тродвигунами по послiдовному iнтерфейсу, а також надшно захищати 1х не лише вщ струмiв короткого замикання i струмiв перевантаження, але i вiд обривiв i перекосiв фазно1 напруги, невiрного порядку чергу-вання фаз мережi живлення.
Софтстартери для керування нерегульованими електроприводами на базi асинхронних короткозам-кнених електродвигунiв використовуються з елек-тродвигунами потужнiстю 5 кВт i бiльше. У деяких промислово розвинених крашах застосування софт-стартерiв обумовлене нормативними документами. Вони дозволяють плавно тдвищувати напругу на статорi електродвигуна практично з будь-яким темпом i за будь-яким законом, внаслвдок чого обмежуються пусковi струми i кидки момента. Софтстартери виконуються на базi звичайних однооперацшних тиристо-рiв з iмпульсно-фазовим керуванням, тому 1х вартiсть вiдносно невисока.
У регульованих електроприводах для керування потоком електроенергп використовуються статич-ш напiвпровiдниковi перетворювачi рiзних типiв. 1х основою е сучаснi силовi напiвпровiдниковi прилади, такi як:
- однооперацшш тиристори (SCR);
- тиристори, що замикаються (GTO, IG CT, MCT);
- бiполярнi транзистори з iзольованим затвором (IGBT);
- потужнi польовi транзистори (MOSFET).
Однооперацiйнi тиристори е традицшним i поши-
реним силовим натвпровщниковим приладом. Одно-операцiйнi тиристори, яю випускаються промисловi-стю, розраховаш на напругу до 8500В при струмах до 1800А i на струми до 5500А при напрузi до 2800В. Щ напiвпровiдниковi прилади витримують велию ударнi струми i характеризуються порiвняно малим падiнням напруги у вщкритому станi. До недавнього часу однооперацшш тиристори використовувалися в уах типах перетворювачiв для регульованих електроприводiв.
На базi однооперацшних тиристорiв виконува-лися:
- керованi випрямлячг,
- широко-iмпульснi перетворювачi постiйного струму;
- регулятори змшно! напруги;
- безпосередш перетворювачi автономнi iнвертори струму i напруги.
У зв'язку з появою в останш два десятилггтя по-внiстю керованих тиристорiв, потужних польових транзисторiв i модулiв на основi IGBT -транзисторiв застосування однооперацшних тиристорiв неухильно скорочуеться. Зараз вони найб^ьш поширенi в софт-
стартерах i шших пускових пристроях потужшстю вщ одиниць до тисяч юловат.
Тиристори, що замикаються, мають нижчi межовi параметри за напругою i струмом, нiж однооперацiйнi (6000В i 4000А). Крiм того, для них характернi високi динамiчнi втрати ^ як наслiдок, досить вузький дiапа-зон комутованих частот (500-600Гц). Проте здатшсть до керованого запирання забезпечуе цим приладам свою сферу застосування. Вони використовуються у високовольтних перетворювачах частоти.
Бiполярнi транзистори з iзольованим затвором IGBT i модулi на основi наразi е найпопулярш-шими силовими напiвпровiдниковими приладами в галузi електромеханiки. За останнi 20 роюв вони iстотно потiснили на ринку енергетично! електронiки однооперацiйнi тиристори i зараз домiнують. Сучаснi ЮВТ-транзистори здатнi комутувати струми до 600А при напрузi до 6500В i струми до 2400А при напрузi до 1700В при частотi комутацп струму до 20кГц. При напрузi до 600В i струмах в деюлька десяткiв ампер частота комутацп може досягати 150кГц [4]. Це штотно спрощуе фiльтрацiю струмiв i напруг на входi i виходi перетворювачiв.
Вдосконалення IGBT-транзисторiв йде шляхом зб^ьшення струмiв комутацii, напруг i частот. Крiм того, компанп-виробники працюють над створенням ще бiльш широко! номенклатури штелектуальних силових модулiв, включаючи багатоключовi силовi схеми, керуючи драйвери, давачi струму i напруги, схеми захисту ввд перенапруг, пристро! гальвашчного розв'язування.
На основi IGBT-транзисторiв можуть виконуватися перетворювачi будь-якого типу з перерахованих вище, якi розрахованi на досить широкий дiапазон потужно-стей. Проте найефектившше використання вказаних приладiв в перетворювачах з Ш1М-модулящею струму i напруги. Наприклад, в широтно-iмпульсних перетворювачах постiйного струму, в автономних шверторах струму i напруги з Ш1М.
Перспективним вважаеться застосування ЮВТ-транзисторiв в активних випрямлячах, багаторiвневих iнверторах i матричних перетворювачах частоти.
Потужш польовi транзистори (MOSFET) завдяки ряду позитивних властивостей (потенцшне керування i висока швидкодiя) також знайшли використання в регульованих електроприводах. Вони використову-ються в основному в сервоприводах мало! i середньо! потужностей.
Аналiз iснуючих систем керування електропри-водами показуе, що фактично завершився масовий перехiд на застосування цифрово! елементно! бази. Унiверсальнi i спецiалiзованi мiкроконтролери вико-ристовуються практично в уах розробках електро-приводiв, у тому i загальнопромислового при-
значення. При цьому багато проблем синтезу систем керування розробляються за допомогою нових алго-ритмiв, що дозволяють реалiзовувати практично будь-якi складш закони керування, якi ранiше вважалися неращональними.
Останнiми роками серед напрямiв дослiдження алгоритмiв керування електроприводами найб^ьш помiтнi такi:
- розробка методiв адаптивного керування, у тому чж^ iз застосуванням нечiткого (fuzzy-) керування;
- розробка методiв керування з прогнозуванням координат;
- розробка самонавчальних i самоналагоджуваль-них систем, у тому чи^ з використанням штучних нейронних мереж.
Значний розвиток отримують принципи побудови систем керування iз спостерiгачами стану, яю являють собою динамiчну модель об'екта керування. Використання спостерiгачiв дозволяе iстотно полiпшити керування, реалiзувати «бездавачеве» керування в складних динамiчних системах за рахунок автоматично! щентифжацп параметрiв електропривода в процесi його функщонування. Для керування проце-сами, однозначна модель яких не може бути отримана, використовуються:
- розривне керування i рух в режимi ковзання;
- принцип керування з глибоким зворотним зв'яз-ком, який забезпечуе iнварiантний рух системи при вах можливих змiнах неконтрольованих збурень;
- адаптивне керування з використанням еталонно! моделг,
- введення в контур регулювання нечикого (fuzzy-) керування, застосування нейронних мереж i генетич-них алгоритмiв.
Таким чином, електроприводи, незважаючи на бшьш нiж вiкову iсторiю !х активного використання i розвитку, продовжують удосконалюватися. Розробка i впровадження нових ршень визначаються такими критерiями, як керовашсть i гнучкiсть в застосуванш, розширення можливостей, пiдвищення надiйностi i довговiчностi, вiдповiднiсть вимогам по безпещ i охо-ронi довкiлля, економiчнiсть.
Лiтература
1. Фираго Б.И. Регулируемые электроприводы переменного тока / Б.И.Фигаро, Л.Б. Павлячик. - Мн.: Техноперспекива, 2006.
- 363с.
2. SIMOCODE pro. Руководство по проектированию, вводу в эксплуатацию, ремонту и обслуживанию. - 2007. - №1.
3. Многофункциональное реле TeSys T // Мир Автоматизации. - 2008. - №1. - С. 17-19.
4. Дьяконов В.П. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах / В.П. Дьяконов, А.М. Ремнев, В.Ю. Смердов. - Москва:
Солон-Р, 2002. - 512 с.
