2.4 Система підпорядкового керування пч-ад, розрахунок і моделювання перехідних процесів

Проведемо математичне моделювання системи підпорядкового керування пч-ад в програмному середовищі Mathlab Simulink.

Коефіцієнт жорсткості двигуна:

де - номінальний момент двигуна, Нм;

- номінальне ковзання електродвигуна, %; - кутова швидкість обертання електродвигуна, 1/c.

Електромагнітна стала часу, с:

де - швидкість обертання поля, 1/c;

- критичне ковзання електродвигуна, %.

Iндуктивнiсть якiрного кола, Гн:

де - номінальна напруга двигуна, В;

- кількість пар полюсів - кутова швидкість обертання електродвигуна, 1/c.

Стала часу якiрного кола двигуна, с

T_a = L_a/r_я

де - опір якірного кола двигуна, Ом.

Механiчна стала двигуна, с

с

де - конструктивний коефіцієнт, В/с;

- момент інерції двигуна, кгм².

Коефiцiєнт пiдсилення тиристорного перетворювача, в.о.

де - напруга керування, В.

Коефiцiєнт зворотнього зв’язку за струмом

де - коефіцієнт допустимого перенавантаження асинхронного двигуна за струмом.

ПФ регулятору по струмом знаходять iз виразу:

де

^{Коефiцiєнт зворотнього зв’язку за швидкiстю}

ПФ регулятора за швидкістю знаходимо за формулою

Структурна схема система підпорядкового керування пч-ад представлена на рисунку 2.6.

Рисунок 2.6 - структурна схема система підпорядкового керування пч-ад

Проведемо математичне моделювання системи при частоті 50 гц, та часу моделювання 7 с з прикладанням навантаженням на 0,055 с.

Результати моделювання (графіки перехідних процесів) представлені на рисунках 2.7 та 2.8.

Рисунок 2.7 - Графіки перехідних процесів при частоті 50 гц

Рисунок 2.8 - Графіки перехідних процесів при частоті 10 гц

Техніко економічне обгрунтування прийнятих рішень

3 Техніко економічне обгрунтування

Прийнятих рішень

З переходом на ринкову економіку питання енерго - та ресурсозбереження в усіх сферах промисловості та комунального господарства України набули особливої важливості. У наш час практично всю механічну енергію для роботи машин і механізмів отримують за рахунок електричної енергії, використовуючи для цього електроприводи. Саме вони споживають більше 65% всієї вироблюваної в країні електроенергії. Зростання тарифів змушує шукати шляхи скорочення витрат на електроенергію. Адже вже зараз вартість електрики, споживаного щорічно одним середнім електродвигуном, майже в 5 разів перевершує його власну вартість. Усунення нераціонального витрати коштів все частіше вирішується сьогодні за допомогою високих технологій. Одне з головних напрямків тут займає впровадження в різні галузі промисловості та комунальне господарство регульованих електроприводів на основі частотного перетворювача або інвертера.[11.]

Частотно-регульований електропривод, в загальних рисах складається з трифазного електродвигуна змінного струму і інвертера, який забезпечує, як мінімум, плавний пуск електродвигуна, його зупинку, зміну швидкості та напрямку обертання. Можливість подібного регулювання покращує динаміку роботи електродвигуна і, тим самим, підвищує надійність і довговічність роботи технологічного обладнання. Більш того, Інвертер дозволяє впровадити автоматизацію практично будь-якого технологічного процесу. При цьому створюється система зі зворотним зв'язком, де Інвертер автоматично змінює швидкість обертання електродвигуна таким чином, щоб підтримувати на заданому рівні різні параметри системи, наприклад, тиск, витрата, температура, рівень рідини і т. п.

За рахунок оптимального управління електродвигуном в залежності від навантаження, споживання електроенергії в насосних, вентиляторних, компресорних та ін.агрегатах знижується на 40-50%, а пускові струми, що становлять 600-700% від номінального струму і є бичем для пуско-регулюючої апаратури, зникають зовсім. Таким чином, застосування регульованих електроприводів на основі частотних перетворювачів дозволяє створити нову технологію енергозбереження, в якій не тільки економиться електрична енергія, але і збільшується термін служби електродвигунів і технологічного обладнання в цілому.

Частотний перетворювач, або за міжнародною термінологією-Інвертер, являє собою електронний статичний пристрій, призначений для управління асинхронного або синхронного електродвигуна змінного струму. На виході перетворювача формується електрична напруга зі змінною амплітудою і частотою. Сама назва "частотний перетворювач" обумовлено тим, що регулювання швидкості обертання двигуна здійснюється зміною частоти напруги живлення, що подається на двигун від перетворювача. Т. о. Інвертер перетворює напругу мережі живлення 220В / 380В частотою 50Гц у вихідну імпульсну напругу, яка формує в обмотках двигуна синусоїдальний струм частотою від 0 до 400 Гц і вище.

Збільшуючи частоту і амплітуду напруги яка подається з інвертера на обмотки асинхронного електродвигуна можна забезпечити плавне регулювання швидкості обертання валу електродвигуна. Зміна частоти напруги живлення двигуна призводить до відхилення від розрахункових значень максимального та пускового моментів двигуна, к.п. д., коефіцієнта потужності. Тому для підтримки необхідних робочих характеристик двигуна необхідно зі зміною частоти одночасно відповідно змінювати і амплітуду напруги. Такий, досить простий спосіб регулювання швидкості називають скалярним. В існуючих перетворювачах при скалярному управлінні найчастіше підтримується постійним відношення максимального моменту двигуна до моменту опору на валу. Тобто при зміні частоти амплітуда напруги змінюється Т. О., що відношення максимального моменту двигуна до поточного моменту навантаження залишається незмінним. Це відношення називається перевантажувальною здатністю двигуна. При сталості перевантажувальної здатності номінальні коефіцієнти потужності і КПД двигуна на всьому діапазоні регулювання частоти обертання практично не змінюються. Скалярний метод управління доцільно реалізовувати при невисоких вимогах до діапазону регулювання частоти обертання двигуна і стабільності підтримки заданих параметрів. Важливою перевагою скалярного методу є можливість одночасного управління групою електродвигунів. Скалярне управління досить для більшості практичних випадків застосування частотно регульованого електроприводу з діапазоном регулювання частоти обертання до 1:40.

Для швидкодіючих приводів може знадобитися векторне управління. Воно дозволяє істотно збільшити діапазон управління і точність регулювання, проте істотно дорожче скалярного. Векторне управління забезпечує безпосереднє управління обертовим моментом двигуна. Крутний момент визначається струмом статора, який створює збудливе магнітне поле. При безпосередньому управлінні моментом необхідно змінювати крім амплітуди і фазу статорного струму, тобто вектор струму. Цим і обумовлений термін"векторне управління". Воно забезпечує діапазон регулювання до 1:1000 і вище, точність регулювання по швидкості - соті частки відсотка, точність по моменту - одиниці відсотка. Частка таких приводів поступово зростає і на сьогоднішній день становить близько 5% від загального числа.

Частотні перетворювачі забезпечують:

1. Плавний пуск без пускових струмів і ударів і зупинку електродвигуна, а також зміна напрямку його обертання;

2. Повна електрозахист двигуна від перевантажень по струму, перегріву, обриву фаз і витоків на землю;

3. Плавне регулювання швидкості обертання електродвигуна практично від нуля до номінального значення в раніше нерегульованих технологічних процесах;

4. Створення замкнутих систем з можливістю точної підтримки заданих технологічних параметрів;

5. Синхронне управління декількома електродвигунами від одного перетворювача частоти;

6. Зменшення споживання електроенергії за рахунок оптимального управління електродвигуном в залежності від навантаження;

7. Збільшення терміну служби електроприводу та обладнання;

8. Підвищення надійності і довговічності роботи обладнання;

9. Спрощення його технічного обслуговування;

Управління перетворювачем частоти можна здійснювати з вбудованою або виносної панелі управління, або за допомогою зовнішніх сигналів. У другому випадку швидкість обертання задається аналоговим сигналом 0-10 В або 4-20 мА, а команди пуску, зупинки і зміни режимів обертання подаються дискретними сигналами.

Області застосування та переваги частотних перетворювачів

На базі частотних перетворювачів можуть бути реалізовані системи регулювання швидкості наступних об'єктів:

1. Насоси гарячої та холодної води в системах водо-і теплопостачання, допоміжного обладнання котелень, ТЕС, ТЕЦ і котлоагрегатів;

2. Піскові та пульпові насоси в технологічних лініях збагачувальних фабрик;

3. Рольганги, Конвеєри, транспортери та інші транспортні засоби;

4. Дозатори та живильники;

5. Ліфтове обладнання;

6. Дробарки, млини, мішалки, екструдери;

7. Центрифуги різних типів;

8. Лінії виробництва плівки, картону та інших стрічкових матеріалів;

9. Обладнання прокатних станів та інших металургійних агрегатів;

10. Приводи бурових верстатів, електробурів, бурового обладнання;

11. Електроприводи верстатного обладнання;

12. Високооборотні механізми

13. Экскаваторное обладнання;

14. Кранове обладнання;

15. Механізми силових маніпуляторів і т. п.

Економічний ефект застосування частотних перетворювачів:

1. Економія електроенергії в насосних, вентиляторних, компресорних та інших агрегатах до 50% шляхом підтримки електродвигуна в режимі оптимального ККД;

2. Збільшення обсягу та підвищення якості продукції, що випускається, а також продуктивності виробничого обладнання;

3. Зниження зносу механічних ланок і продовження терміну служби технологічного обладнання та комутаційної апаратури внаслідок поліпшення динаміки роботи електроприводу.