ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Обґрунтування і вибір системи електропривода

123 4

Регулювання подачі дизельного палива на пункті підготовки залізничного транспорту необхідне для його точного дозування. При великому значенні подачі оператор не в змозі точно зупинити насосний агрегат на необхідному обсязі, що приводить до недоливу або переливу палива у бак залізничного транспорту.

У розділі 1 [6] показано, що насоси найбільш ефективно регулюються зміною частоти обертання їхніх робочих коліс. Зміна частоти обертання робочих коліс насосів здійснюється за допомогою регульованого електроприводу (РЕП).

РЕП складається з електродвигуна, передавального механізму (трансмісії, муфти, редуктора) і системи керування. У РЕП крім того, входять пристрої, що забезпечують зміну частоти обертання насосного агрегату в цілому або тільки насосу при постійній частоті обертання електродвигуна.

Ці пристрої виконують звичайно дві функції: є силовими перетворювачами енергії й у той же час елементами системи керування.

РЕП підрозділяється на дві основні групи: постійного і змінного струмів. У насосних установках використовується переважно РЕП змінного струму.

Основою РЕП змінного струму є асинхронні та синхронні електродвигуни змінного струму [6].

Частота обертання асинхронного двигуна, хв^-1:

(1.1)

де f - частота струму живильної мережі (у СНД і Європі f = 50 Гц; у США і Японії f = 60 Гц);

p - число пар полюсів електродвигуна (p = 1, 2, 3, ...);

s = (0,02÷0,04) - ковзання.

Синхронні двигуни працюють без ковзання. Ротор двигуна обертається з такою же частотою обертання, з якою обертається електромагнітне поле статора [6]:

(1.2)

З (1.1) і (1.2) виходить, що частота обертання електродвигуна змінного струму залежить від частоти живильного струму f, числа пар полюсів p і ковзання s. Змінюючи один або кілька параметрів, що входять в (1.1) і (1.2), можна змінити частоту обертання електродвигуна та з’єднаного з ним насоса.

Відповідно, РЕП змінного струму підрозділяється на три види [6]:

- частотний привод, що має у своєму складі перетворювач, що перетворює постійну частоту живильної електричної мережі (f = const) у змінну (f = var). Він забезпечує плавну зміну частоти обертання насосного агрегату;

- багатошвидкісний привод, що має у своєму складі пристрій, що змінює схему статорної обмотки електродвигуна й, відповідно, число пар полюсів (p=1,2,3 і т.д.). Привод забезпечує східчасту зміну частоти обертання насосного агрегату (звичайно 2÷4 щабля);

- що має у своєму складі пристрій, що змінює ковзання електродвигуна або варіатора, вбудованого між вихідним валом двигуна й вхідним валом насоса (реостат у роторному колі двигуна, перетворювач асинхронного вентильного каскаду, механічний варіатор, електромагнітна або гідравлічна муфта ковзання).

У сучасних насосних установках найбільше поширення одержав частотний РЕП [6], тобто з використанням перетворювача частоти.

Перетворювачем частоти називають напівпровідниковий перетворювач, що здійснює перетворення енергії змінного струму однієї частоти в енергію змінного струму іншої частоти.

Існують різні схеми статичних перетворювачів частоти (ПЧ), кожна з яких задовольняє конкретним вимогам за потужністю, діапазоном регулювання частоти обертання двигуна, ККД, по простоті здійснення регулювання й ін. Переважну більшість найпоширеніших схем можна розділити на два класи: ПЧ із безпосереднім зв'язком і ПЧ із проміжною ланкою постійного струму [7].

Принцип дії ПЧ із безпосереднім зв'язком з мережею полягає в тім, що напруга живильної мережі безпосередньо подається на статорні обмотки двигуна через вентилі, коли вони відкриті. Частота напруги на фазах двигуна регулюється послідовністю включення вентилів, а амплітуда - зміною кута їхнього включення.

Функціональна схема ПЧ із безпосереднім зв'язком показана на рис. 1.7.

Система управління (СУ) забезпечує потрібну послідовність включення вентилів силової частини (СЧ). Лінії трифазної мережі до ПЧ позначені буквами A, В, С, а після ПЧ - а, b, с. Ф – вихідний фільтр.

Графіки зміни лінійних напруг U_АВ, U_BC, U_CA зображені на рис. 1.8.

На прикладі формування напруги U_ab розглянемо, яку послідовність роботи СЧ повинна забезпечити СУ, щоб на виході ПЧ одержати частоту напруги меншу, ніж на вході. Напруги U_bc і U_ca утворяться аналогічно. Для простоти спочатку розглянемо роботу ПЧ при куті включення вентиля α = 0.

Рисунок 1.7 - Функціональна схема ПЧ із безпосереднім зв'язком

Рисунок 1.8 - Графіки зміни лінійних напруг U_АВ, U_BC, U_CA

Напруга Uab буде мати меншу частоту в порівнянні з U_АВ, якщо час, протягом якого вона позитивна, і час, протягом якого вона негативна, більший, ніж у напруги U_AB.

Як видно з рис. 1.8, така напруга буде забезпечена, якщо СЧ в інтервалах ∆t₁, ∆t₂, ∆t₃ до ліній а й b підключить відповідно лінії А і B, В і С, С і А. Таким чином, напруга U_ab буде позитивною більш тривалий час, чим U_АВ. Для одержання негативного значення U_ab тієї ж тривалості необхідно в інтервалах ∆t₄, ∆t₅, ∆t₆ до ліній а й b підключити відповідно лінії С і А, А і В, В і С. Далі все повторити. Крива напруги, отриманої на виході ПЧ при куті включення вентилів α = 0, складається з відрізків напівхвиль напруги мережі. Якщо до ПЧ приєднати фільтр Ф, то можна виділити першу гармоніку, зображену на рис. 1.9, пунктирною синусоїдою.

Рисунок 1.9 - Графіки напруг на виході перетворювача при кутах

відмикання тиристорівα = 0

З рис. 1.9 видно, що частота напруги U₁, подаваної на двигун, менша частоти живильної мережі.

Якщо змінити кут включення вентилів α, то на кожному черговому напівперіоді живлячої напруги можна одночасно із частотою змінити як амплітуду напруги на виході ПЧ, так і одержати напругу, більш близьку до синусоїдальної. При цьому спрощується конструкція фільтра й збільшується ККД електропривода. Зміна амплітуди напруги на виході ПЧ при α = α₁ у порівнянні з α = 0 показана на рис. 1.10 [7].

Рисунок 1.10 – Графіки напруг на виході перетворювача при кутах відмикання тиристорівα = α₁

Перевагою ПЧ із безпосереднім зв'язком є однократне перетворення енергії, завдяки чому досягається високий ККД. До недоліків варто віднести обмежений (до 0,4 f₁) діапазон регулювання частоти, а також наявність великої кількості вентилів і складної системи їх керування. Внаслідок малого діапазону регулювання частоти такі ПЧ знаходять застосування в електроприводах з невеликим діапазоном регулювання швидкості.
Для електроприводів з великим діапазоном регулювання швидкості використовують ПЧ із проміжною ланкою постійного струму. У таких ПЧ напруга мережі змінного струму спочатку випрямляється, а потім знову перетворюється в напругу змінного струму, але вже необхідної регульованої частоти та амплітуди. Перетворювачі частоти із проміжною ланкою постійного струму бувають із керованим і некерованим випрямлячем [7].

Функціональна схема ПЧ із керованим випрямлячем показана на рис. 1.11. На вхід керованого випрямляча УВ надходить змінна напруга мережі U із частотою f_c. На виході УВ напруга мережі перетворюється в напругу U_п постійного струму, значення якої визначається сигналом керування, що надходить на УВ від блоку керування випрямлячем БУВ. Вихід УВ безпосередньо зв'язаний із входом автономного інвертора АІ, що перетворює напругу постійного струму, що надходить на його вхід в напругу змінного струму U₁. Причому частота f₁ вихідної напруги U₁ залежить від керуючого сигналу, що надходить на автономний інвертор АІ від блоку керування інвертором БУІ. Керуючі сигнали, що надходять на БУВ і БУІ, формуються в блоці завдання швидкості БЗС напругою U₃, що відповідає заданій швидкості [7].

Рисунок 1.11 - Схема перетворювача частоти із проміжною ланкою постійного струму

Таким чином, на статорні обмотки двигуна надходить напруга, амплітуда якої формується керованим випрямлячем, а частота - інвертором, тобто можливо незалежно регулювати частоту й амплітуду живлячої напруги, що є істотною перевагою [7].

Графік напруги на виході перетворювача зображений на рис. 1.12.

Схема випрямляча вибирається з умови забезпечення вимог: по регулюванню вихідної напруги; впливу на джерело змінної напруги, що живить ПЧ; припустимому рівню пульсацій випрямленої напруги й ін.

Рис. 1.12 - Графік напруги на виході перетворювача

При живленні ПЧ від промислової мережі випрямляч найчастіше виконується за трифазною мостовою схемою. Для зменшення пульсацій напруги на виході ПЧ встановлюється фільтр (на рис. 1.11 не показаний), основні функції якого полягають у максимальному зменшенні напруги вищих гармонік при мінімальному ослабленні першої (основної гармоніки) вихідної напруги. Існує велика розмаїтість фільтрів, при цьому структури фільтрів автономних інверторів напруги АІН і автономних інверторів струму АІС різні. Якщо автономний інвертор виконаний за схемою АІН, то фільтр повинен мати ємнісний характер, а при виконанні інвертора за схемою АІС - індуктивний характер.

У ПЧ із регульованою в широкому діапазоні частотою вихідної напруги, призначених для живлення асинхронних двигунів, ланка інвертора виконується, як правило, за схемою АІН.

У ПЧ як правило, поряд з регулюванням частоти потрібно регулювати рівень вихідної напруги. Залежно від схеми інвертора, що входить у ПЧ, можуть бути використані різні схеми регулювання вихідної напруги. Їх можна розділити на наступні групи [7]:

- регулювання напруги на вході;

- регулювання шляхом впливу на процеси в інверторі, що впливають на вихідну напругу.

Способи першої групи засновані на пропорційності вихідної напруги інвертора вхідній. Вони застосовуються в тому випадку, коли джерелом постійного струму є керований випрямляч.

В АІН регулювання вихідної напруги найбільш доцільно здійснювати шляхом зміни тривалості провідного стану ключів інвертора, використовуючи для цього різні способи модуляції напруги, наприклад, широтно-імпульсну модуляцію (ШІМ). Цей спосіб модуляції заснований на безперервній зміні (модуляції) за заданим законом (наприклад синусоїдальному) тривалості t_і високочастотних імпульсів несучої частоти f_і = 1/Т_і, що утворює криву вихідної напруги інвертора (рис. 1.13). Закон модуляції повинен забезпечити одержання заданої амплітуди основної гармоніки вихідної напруги.

Рисунок 1.13 – Графік напруги на виході перетворювача частоти з ШІМ

Вміст вищих гармонік у вихідній напрузі інвертора при використанні ШІМ зводиться до мінімуму, якщо використовувати модуляцію за синусоїдальним законом. При цьому роль вихідних фільтрів у забезпеченні синусоїдальності напруги зводиться до мінімуму, оскільки відносний вміст вищих гармонік дуже малий.

Основні обмеження у використанні способу ШІМ полягають у складності систем керування ключовими елементами. Крім того, потрібні повністю керовані ключові елементи, здатні функціонувати на високих частотах, тобто з малими інтервалами часу включення й вимикання. Такі технічні рішення стали практично здійсненними лише недавно - з появою ключових елементів, що володіють дуже високою швидкодією (IGBT і ін.), і мікропроцесорних пристроїв керування ними [7].

Основним приладом, що займав монопольне положення в пристроях середньої й великої потужності, тривалий час був тиристор, що володіє неповною керованістю. Цей фактор був пов'язаний з необхідністю примусової комутації тиристора при його вимиканні. У результаті утруднялася практична реалізація схем випрямляльно-інверторних перетворювачів, що дозволяли працювати у всіх чотирьох квадрантах комплексної площини. Використання повністю керованих ключів дозволяє успішно вирішувати ці завдання [7].

У сучасній силовій електроніці, що використовується для створення ПЧ, найбільше поширення одержали так називані транзистори IGBT. Дана абревіатура запозичена із закордонної термінології й розшифровується як Insulated Gate Bipolar Transistor, що звучить як біполярний транзистор з ізольованим затвором. Тому IGBT транзистори ще називають БТІЗ. БТІЗ являє собою електронний силовий прилад, що використовується в якості потужного електронного ключа, встановлюваного в імпульсні джерела живлення, інвертори, а також системи керування електроприводами [9].

IGBT транзистор - це досить складний прилад, що являє собою гібрид польового й біполярного транзистора. Дане сполучення привело до того, що цей тип транзистора успадкував позитивні якості, як польового транзистора, так і біполярного.

Суть роботи IGBT транзистора полягає в тім, що польовий транзистор управляє потужним біполярним транзистором. У результаті перемикання потужного навантаження стає можливим при малій керуючій потужності, так як керуючий сигнал надходить на затвор польового транзистора.

Внутрішня структура БТІЗ - це каскадне підключення двох електронних вхідних ключів (рис. 1.14).

Рисунок 1.14 - Спрощена еквівалентна схема БТІЗ

Весь процес роботи БТІЗ може бути представлений двома етапами: як тільки подається позитивна напруга, між затвором і джерелом відкривається польовий транзистор, тобто утворюється n - канал між джерелом і стоком. При цьому починає відбуватися рух зарядів з області n в область p, що спричиняє відкриття біполярного транзистора, у результаті чого від емітера до колектора спрямовується струм [9].

Відзначимо, що за швидкодією IGBT-транзистори значно перевершують біполярні. Час включення цих транзисторів становить 0,2 - 0,4 мкс, а час вимикання 0,2 - 1,5 мкс, напруги, що комутуються досягають 3,5 кВ, а струми 1200 А [10].

123 4