CC BY
201
Содержание
43
Рис.3. Зависимость напряжения в контактной сети (В) от времени (с) (схема с замещающим реостатным торможением)
Применение в схеме рекуперативного торможения, замещающего реостатного приводит к повышению надежности и улучшению эксплуатационных свойств системы.
5. Литература
Рюденберг Р. Переходные процессы в электроэнергетических системах. - М.: Издательство иностранной литературы, 1955.
Жиц М.З. Переходные процессы в машинах постоянного тока. - М.: Энергия, 1974. Отчет о НИР «Исследование тяговых и тормозных режимов электровоза со статическим возбудителем». 76.046.702. - ЛИИЖТ, 1977.
УДК 62 - 83:621.313.3
ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУСКАТЕЛЬ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА
В.Г. Герасимов
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/1
Содержание
44
Аннотация
С целью экономии электроэнергии, затрачиваемой поршневыми компрессорами на сжатие газа, предлагается заменить релейно-контакторные схемы запуска приводных асинхронных электродвигателей этих компрессоров на специализированные электронные устройства - пускатели, силовые схемы которых предлагается изготавливать на основе современной элементной базе - IGBT-транзисторах. Рассмотрены различные реализации таких силовых схем исходя из специфики электропривода компрессора.
Ключевые слова: компрессор; асинхронный электродвигатель; КПД Введение
Как известно, производство сжатого воздуха представляет собой очень энергоёмкий технологический процесс - до 25% всех энергоресурсов промышленных, добывающих и транспортных предприятий тратится именно на его осуществление (Захаренко С.Е. и др., 1961). Поэтому уменьшение таких больших энергетических затрат представляет собой практический интерес.
Поршневые компрессоры средней и большой производительности, которые используются в промышленности и на транспорте для производства сжатого воздуха, как правило, работают с непостоянной нагрузкой. Для них характерен следующий рабочий цикл: нагнетание газа (в ресивер) и холостой ход. Во время холостого хода энергия, которую потребляет компрессор, бесполезно расходуется на частичное сжатие и перегонку газа по трубопроводам, а так же преодоление сил трения (Захаренко С.Е. и др., 1961). Необходимость холостого хода обусловлена тем, что запуск компрессора из состояния покоя крайне отрицательно сказывается на долговечности его механических узлов и деталей (Захаренко С.Е. и др., 1961).
1. Современное состояние электропривода поршневого компрессора
Чтобы оценить величину энергии, потребляемой компрессором, необходимо определить среднюю мощность, потребляемую приводным электродвигателем за весь рабочий цикл. Средняя мощность, потребляемая двигателем компрессора, в этом случае определяется следующим образом:
Pnb ~ (PiAA ti
+ Po. dto. о )/(tiAA + to. о.
(1)
где: РнаГ - мощность, потребляемая приводным электродвигателем во время нагнетания газа в ресивер, Рхх - мощность, потребляемая приводным электродвигателем во время холостого хода компрессора, tHAr, txx - время нагнетания и время холостого хода соответственно.
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/1
Содержание
45
Для сведения к минимуму РСР электроприводы компрессоров средней и большой производительности обычно комплектуют многоскоростными (обычно двухскоростными) асинхронными двигателями с релейноконтакторной системой управления, которые позволяют переводить компрессорные машины во время их холостого хода на пониженные обороты.
Действительно, в силу того, что произведение PHArtHAr мало зависит от скорости вращения коленчатого вала компрессора, единственным способом снижения РСР на сегодняшний день являлось и является уменьшение РХХ (т.к. txx не зависит от tHAr). В самом деле, если работа, затрачиваемая на преодоление сил трения прямо пропорциональна частоте вращения вала компрессора, то работа, затрачиваемая на частичное сжатие и перегонку газа через трубопроводы прямо пропорциональна квадрату этой скорости (Захаренко С.Е. и др., 1961).
Однако, к сожалению, многоскоростные электродвигатели не позволяют произвести достаточное снижение числа оборотов коленчатого вала компрессора в силу того, что количество пар полюсов (а частота вращения ротора асинхронного электродвигателя обратно пропорциональна числу пар полюсов) есть число дискретное. Поэтому при числе пар полюсов, скажем четыре, скорость компрессора, как правило, не достаточно низкая (конструкция машины допускает более низкую скорость), а при числе пар пять - уже недопустимо низкая. Следовательно, при таком исполнении электропривода достичь теоретически допустимого минимума РСР (или вплотную к нему приблизиться) не представляется возможным.
2. Обоснование применения электронного пускателя для асинхронного электропривода поршневого компрессора
Преодолеть указанную трудность можно лишь одним путём -заменить релейно-контакторную схему запуска электропривода на специализированный электронный пускатель. Данное устройство должно обеспечивать плавный (без больших пусковых токов) пуск электродвигателя, в том числе и переключение его с одних оборотов на другие (при номинальном напряжении питания). Кроме того, оно так же должно обеспечивать уменьшение частоты вращения ротора электродвигателя в режиме холостого хода за счёт одновременного уменьшения частоты и величины подаваемого на двигатель напряжения. Это позволит уменьшить как потребление электродвигателем энергии во время холостого хода, так и уменьшить износ механических частей компрессора. Кроме того, за счёт снижения величины пусковых токов и
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/1
Содержание
46
плавности нарастания скорости, с которой вращается вал компрессора, можно будет осуществлять, при необходимости, более частый его пуск.
С целью возврата энергии, запасённой во время работы компрессора его маховиком обратно в сеть при снижении числа оборотов электродвигателя, данный пускатель должен обеспечивать инвертирование электрической энергии обратно в сеть.
Хотя электронный пускатель всегда будет обладать более низким КПД, нежели релейно-контакторная схема запуска двигателя, однако, как показывают предварительные расчёты, оснащение компрессорной установки таким устройством позволит уменьшить среднюю мощность, потребляемую приводным двигателем примерно на 10 - 15% и более (расчёт произведён для компрессора марки 2ВМ4-27/9 производства московского ОАО «Борец»).
3. Силовая схема электронного пускателя
При создании вышеназванного электронного пускателя, исходя из особенностей работы компрессорной установки, особое внимание следует уделить как реализации силовой части схемы, так и принципам управления этой силовой частью. В настоящей статье рассмотрены только принципы построения силовой части схемы на сравнении двух вариантов: силовая схема на основе двухзвенного преобразователя частоты и схема на основе непосредственного преобразователя частоты (НПЧ). Принципам управления силовой частью электронного пускателя посвящена отдельная статья.
1. Силовая схема на основе двухзвенного преобразователя частоты.
Описываемое здесь устройство должно включать в себя (рис.1) следующие элементы. Звено постоянного тока 1, преобразующее 3-х фазное напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, фильтр 2, звено переменного тока 3, преобразующее полученное напряжение постоянного тока в 3-х фазное переменное необходимой частоты и величины. С целью увеличения КПД всего электропривода в целом, когда приводной электродвигатель работает при рабочей нагрузке, данное устройство необходимо дополнить «электронными контакторами»
4. Эти «контакторы» должны будут подключать электродвигатель непосредственно к сети переменного тока, когда компрессор работает в номинальном режиме (или в режиме нагнетания газа при скорости вращения коленчатого вала, равной 50% от номинала) и переключать его на звено переменного тока, когда требуется холостой ход.
Известия Петербургского
2005/1
Содержание
47
Рис. 1. Структурная схема двухзвенного преобразователя частоты
2. Непосредственный преобразователь частоты.
В НПЧ с помощью полупроводниковых ключей aj - a3, bj - b3, cj - c3 (рис.2) должно осуществляться чередующиеся соединения входных и выходных выводов. Таким образом, из участков кривых напряжений источника переменного тока будет осуществляться синтез кривых выходного напряжения заданных частоты и амплитуды, которое и будет подаваться на асинхронный двигатель (Чехет Э.М. и др., 1988). В настоящее время с появлением высокочастотных силовых транзисторов (IGBT) стало технически осуществимым создание высококачественных непосредственных преобразователей частоты с широтно-импульсной модуляцией (НПЧ-ШИМ) (Волков А.В., № 9, 2002). В случае, когда электропривод компрессора работает в номинальном режиме, данный преобразователь может работать в режиме «электронных контакторов», обеспечивающих непосредственное подключение электродвигателя к питающей сети. Таким образом, используя это схемное решение, мы обеспечиваем минимально возможное количество ступеней преобразования электроэнергии.
В общем случае, выходное напряжение ивых1 такого преобразователя, имеющего g-фазную систему напряжений питания и l выходных фаз, описывается соотношением (Чехет Э.М. и др., 1988):
q
ишш =^Оа (()uM(t) (2)
i=1
где: Фц(Ь) - система коммутационных функций, описывающая
процессы коммутации в каждой из g-фаз питания для каждой из l выходной фазы.
Так как напряжение на входе преобразователя является изначально заданным, то напряжение на его выходе целиком и полностью зависит от коммутационных функций 0il(t), которые формируются системой управления силовыми ключами преобразователя.
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/1
Содержание
48
Рис. 2. Структурная схема НПЧ.
Для асинхронных двигателей мощностью 3 кВт и более, которые получают питание от предложенных выше электронных устройств с частотой модуляции силовых ключей свыше 1 кГц, относительное значение амплитуды модуляционных пульсаций потокосцепления ротора не будет превышать 0,1% (Волков А.В., № 9, 2002). Это является достаточным, чтобы точно определить момент на валу приводного электродвигателя косвенными методами, предложенными в (Волков А.В., № 6, 2002) с целью обеспечения его максимально возможного КПД во время холостого хода компрессора (хотя асинхронный электродвигатель, питаемый от НПЧ, имеет несколько более низкий КПД, нежели при питании его от инвертора напряжения).
4. Заключение
Сравнивая две рассмотренные здесь структурные схемы можно сделать вывод о том, что схемная реализация второго варианта потребует меньшее количество силовых элементов, а, значит, при прочих равных условиях будет иметь большую надёжность. Кроме того, там, где это необходимо по каким-либо соображениям до конца не отказываться от релейно-контакторной системы управления, пускатель на основе НПЧ может быть подключен в параллель к релейно-контакторной схеме.
Тем не менее, для окончательного выбора варианта схемной реализации силовой части электронного пускателя с целью обеспечения минимума потерь в системе асинхронный двигатель - преобразователь на всём протяжении рабочего цикла компрессора требуется дальнейшее продолжение уже начатых автором экспериментальных работ.
Применение электронных пускателей, описываемых в настоящей статье, позволит сэкономить предприятиям сотни тысяч рублей. Это связано непосредственно как с экономией самой электроэнергии, так и с уменьшением износа механических частей и деталей самих компрессорных машин. Выполненные нами предварительные расчёты показывают, что уменьшение износа составляет около 12%.
5. Литература
Захаренко С.Е., Анисимов С.А., Дмитриевский В.А., Карпов Г.В., Фотин Б.С. Поршневые компрессоры. - М., Л.: Государственное научно-техническое
издательство машиностроительной литературы, 1961.
Чехет Э.М., Мордач В.П., Соболев В.Н. Непосредственные преобразователи частоты для электропривода. - Киев: Наукова думка, 1988.
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/1
Содержание
49
Волков А.В. Анализ электромагнитных процессов и регулирование асинхронных частотно-управляемых электроприводов с широтно-импульсной модуляцией. -Электротехника. 2002. № 9. - С. 13-21.
Волков А.В. Идентификация потокосцепления ротора частотно-регулируемого асинхронного электродвигателя. - Электротехника. 2002. № 6. - С. 41-47.
УДК 629.423.31:621.314.2.6883
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ОСЛАБЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ
А.М. Евстафьев
Аннотация
В статье рассмотрены принципы построения схемы и компьютерной модели электронного шунта для тягового двигателя постоянного тока.
Ключевые слова: тяговый двигатель постоянного тока; ослабление возбуждения; электронный шунт
Введение
Использование индуктивных шунтов и контакторной системы вывода шунтирующих резисторов в схемах ослабления возбуждения, как правило, позволяет реализовать не более шести ступеней регулирования, что не позволяет полностью реализовать силу тяги, развиваемую тяговыми двигателями. Современные средства силовой электроники позволяют построить системы ослабления возбуждения тяговых двигателей, без ограничения числа ступеней регулирования исключив использование дорогостоящих индуктивных шунтов.
1. Особенности построения электронных систем ослабления возбуждения
При разработке электронных шунтов необходимо учесть следующие ограничения, накладываемые отсутствием индуктивности в шунтирующей цепи: при быстром нарастании тока двигателя вызванном увеличением напряжения контактной сети или в процессе регулирования, нарастающий ток пойдет преимущественно через шунтирующую цепь выполненную на резисторах, так как ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/1
