Борзилов Г В - Частотно керований електропривод
Магістр ДонНТУ Борзилов Г В
ТЕМА: Розробка та дослідження частотно керованого електроприводу намотувального апарату термогальванічного агрегату
Сучасний промисловий електропривод (ЕП) - складна система, що складається з цілого комплекту взаємозалежних елементів: виконавчий силовий орган (електродвигун), джерело живлення (перетворювач), система управління ЕП, включаючи датчик параметрів ЕП, що задають інформаційні пристрої. Всі ці елементи удосконалюються, що дозволяє робити більш прогресивні ЕП, які забезпечують оптимізацію виробничих режимів роботи агрегатів чи комплексів.
Силова електроніка бурхливо розвивається. Чітко з'явилася тенденція до створення потужних керованих силових напівпровідникових приладів (СПП), розробки інтегрованих приладів у гібридному та цільнокорпусному виконанні у вигляді закінчених модулів із структурами ізольованими від корпусу модулів. Удосконалення технології дозволяє безперервно збільшити потужності приладів, підвищувати швидкодію та навіть виготовляти на одній пластині прилади за біполярною технологією.
З появою цілком керованих приладів відкривається можливість проектування перетворювачів з високими енергетичними показниками і з гарною сумісністю з мережею, а також реалізувати раніше відомі, але складні у виконанні перетворювачі з неявно вираженою ланкою постійного струму, які відрізняються одноразовим перетворенням енергії і двосторонній обмін енергії.
Донедавна регульований ЕП виконувався переважно на основі застосування електродвигунів постійного струму. Однак у міру вдосконалення СПП виникає тенденція до орієнтації на регульований електропривод змінного струму.
Застосування, яквиконавчих, двигунів змінного струму, відкрило можливості практично необмеженого збільшення потужності та покращення перевантажувальної здатності ЕП, недосяжних при використанні двигунів постійного струму внаслідок обмежень за умов комутації. Відсутність колектора, крім того, значно розширює сфери застосування ЕП і забезпечує економію.
Освоєння виробництва керованих силових напівпровідникових приладів відкрило нові можливості у створенні інверторів напруги з некерованою ланкою постійного струму та широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) напруги інвертора. Такі ШІМ перетворювачі забезпечують високі енергетичні показники, і, у разі використання швидкодіючих СПП, дозволяють формувати робочі струми, близькі до синусоїдальних. Наведена вище нова елементна база дозволила впровадити нові алгоритми управління, зокрема застосовувати розривні системи управління. Даний дипломний проект та присвячений розробці нових систем управління.
Технологічний процес термогальванічної обробки сталевого дроту
Цех з виробництва металокорду складається з наступних виробничих ділянок:
- сортування та склад готової продукції.
Розглянемо технологічний процес термогальванічної обробки сталевого дроту.
Після розмотування провід надходить у піч, в якій його нагрівають до 9000С та охолоджують у розплаві свинцю з температурою 5500С. Операція проводиться в нитку на 24-нитковому термоагрегаті, що складається з розмотування, компенсаторів стабілізації натягу проводів, прохідної печі газового нагріву, ванни з розплавом свинцю, термостату, ванни електрохімічного травлення, промивання, омеднення в нірофосфорному електроліті, промивання , сушіння танамотування.
Після нагрівання в печі провід охолоджується у спеціальному коробі (термостаті), у середину якого подається захисно-відновлюючий газ (ендогаз). Його завдання полягає у нормалізації та відновленні поверхні дроту. З термостата провід надходить у ванну електрохімічного травлення, розчині сірчаної кислоти. Після травлення надходить у ванну промивання, де має бути змита з дроту кислота. Після промивання провід надходить у ванну обіднення. У цій ванні знаходиться електроліт, що утримує сірчанокислотну мідь, нірофосфат натрію та фосфорно-кислотний натрій. Провід покривається прошарком міді, надходить на промивання, а потім у іншу ванну для омеднения. У ній міститься сірчано-кислотний електроліт. У цій ванні провід покривається міддю до необхідної товщини і надходить на промивання. Провід після промивання надходить у сушіння, де сушиться гарячим повітрям. Після кожної операції травлення, покриття, промивання стоять повітряні здуви, завдання яких не допускати винесення розчинів з їх ванн та розведення одного розчину іншим або водою з промивання. Після сушіння провід надходить на намотувальний апарат. На ньому провід намотується на спеціальні касети ємністю 600 кг.
Вимоги до електроприводу намотувального апарату
Вимоги до електроприводу (ЕП) намотувального апарату ТГА-98 передусім пов'язані з технологією виготовлення нових видів продукції на термогальванічному агрегаті.
У зв'язку з новою технологією виробництва продукції, що виготовляється на термогальванічному агрегаті, до ЕП намотувального апарату висувають жорсткіші технологічні вимоги. ЕП намотувального механізму ТГА-98 має забезпечити такі режими роботи агрегату:
широкий діапазоні плавне регулювання лінійних швидкостей протягування та намотування дроту (від 20 до 70 м/хв.);
допуск щодо відхилення швидкості протяжки та намотування дроту від заданого значення не повинен перевищувати трьох відсотків;
забезпечувати плавний пуск та зупинку від 2 до 20 секунд;
тривалість включення ТБ = 100%.
Додатково до технологічних вимог щодо режимів роботи намотувального апарату ТГА-98, ЕП повинен забезпечувати такі функції роботи, управління та контролю:
аварійне відключення механізму ТГА-98;
режими прискорення та уповільнення (при технологічному заправленні блоку механізму);
блокування від включення за відсутності тиску олії в системі механізму;
захист схеми ЕП від струмів к.з.;
захист силової частини ЕП від перевищення напруги у мережі;
контроль вимірювання швидкості;
надійну роботу ЕП та автоматизованої системи управління та підтримки заданої швидкості механізму.
Електропривід намотувального апарату повинен забезпечувати стабільну роботу у виробничих приміщеннях, навколишнє середовище яких може містити, у допустимих межах санітарних норм, агресивні пари та гази, що не викличуть руйнування ізоляції та металу, а також температуру виробничих приміщень від +5 до +40°С.
Вибір системи електроприводу
Через загальновідомі недоліки систем ЕП з двигунами постійного струму для задоволення пред'явлених вимог доцільно застосовувати системи ЕП з двигунами змінного струму.
Найбільш простим за конструкцією, дешевим і надійним електричним двигуном є асинхронний двигун (АТ) з короткозамкненим ротором. Використання такого двигуна в регульованому приводіпредставляє окремий інтерес.
У частотно-регульованому асинхронному ЕП використовуються переважно дволанкові перетворювачі частоти (ПЧ) на основі автономних інверторів (АІ): з проміжною ланкою постійного (автономний інвертор струму – АІТ) або напруги (автономний інвертор напруги – АІН).
Відомо, що ЕП на основі ПЧ АІН з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) є більш універсальним, ніж ЕП на основі ПЧ АІТ.
Розглянемо функціональну схему ЕП на основі АІН із ШІМ, наведену на малюнку 1.
Малюнок 1 - Функціональна схема ЕП на основі АІН з ШІМ
ЕП на основі перетворювача частоти (ПЧ) АІН ШІМ містить некерований діодний силовий випрямляч В та АІН ШІМ.
Регулювання частоти f 1 та розміри вихідної напруги U 1 здійснюється в АІН за рахунок використання алгоритмів високочастотного ШІМ - управління. Частота ШІМ зазвичай становить від 2 до 12 кГц, тобто у багато разів перевищує вихідну частоту АІН.
Форма кривої вихідної напруги при цьому є високочастотною двополярною послідовністю імпульсів.
Частота імпульсів визначається частотою ШІМ, тривалість імпульсів протягом періоду вихідної частоти АІН промодельована за синусоїдальним законом. Форма кривої вихідного струму (струму АТ), практично синусоїдальна.
До силових ключів АІН ШИМ висуваються вимоги високої швидкодії та малих динамічних втрат.
У гальмівному режимі ЕП АІН з режиму інвертування перетворюється на режим випрямлення (працює міст діодів зворотного струму, через керовані ключі подається енергія збудження АТ). Полярність напруги на вході АІН зберігається, а струм змінює напрямок. Тому реалізація гальмівного режиму здійснюється додатковим.введенням силових елементів, або зворотним керованим випрямлячем для рекуперації енергії в мережу, або керованим ключем і гальмівними резисторами ланцюга постійної напруги для здійснення електродинамічного гальмування.
Перевагою аналізованої системи ЕП з АІН є:
практично необмежений діапазон регулювання частоти та швидкості;
не критичність до потужності (у межах допустимої) та кількості залучених АТ;
можливість роботи в режимі холостого ходу при відключених АТ;
високе, близьке до значення коефіцієнта потужності мережі ( cos φ ) у всіх режимах роботи;
синусоїдальність вихідного струму, плавне без стрибкового обертання АТ на швидкостях близьких до нульового;
високі динамічні показники ЕП, обумовлені високою швидкодією ШІМ управління.
Необхідність включення додаткових силових елементів для реалізації гальмівних режимів є недоліком функціональних схем ЕП з АІН ШИМ.
Синтез системи автоматичного керування
Для аналізу динамічних показників скористаємося структурною схемою асинхронного двигуна, наведеною малюнку 2.
Малюнок 2 – Структурна схема асинхронного двигуна.
Синтез контуру регулювання струму.
Структурна схема контуру регулювання струму наведена малюнку 3.
Рисунок 3 – Структурна схема контуру регулювання струму.
Динамічні властивості перетворювача частоти спрощені аперіодичною ланкою з передаточною функцією:
(1)
Бажана передатна функція розімкнутого КРТ:
(2)
де Т г - Постійна інтегрування КРТ.
Реальна передатна функція розімкнутого КРТ:
(3)
Прирівнюючиперші частини (2) та (3) визначимо передатну функцію РТ:
(4)
При налаштуванні на модульний опіум:
Передатна функція замкнутого КРТ матиме вигляд:
(5)
Синтез контуру регулювання швидкості.
Структурна схема контуру регулювання швидкості наведена малюнку 4.
Бажана передатна функція ВРХ має вигляд:
(6)
де Т ω - Постійна інтегрування ВРХ.
Покажемо внутрішній ВРХ еквівалентною ланкою з передавальною функцією (5) і запишемо передавальну функцію розімкнутої ВРХ:
(7)
Прирівнюючи рівні частини (6) та (7) можна визначити передатну функцію пропорційного регулятора швидкості:
(8)
При налаштуванні на симетричний оптимум:
Основною метою даної роботи на тему "Розробка та дослідження частотно керованого електроприводу намотувального апарату термогальванічного агрегату" є підвищення техніко-економічних показників та функціонально-технологічних можливостей агрегату при освоєнні технологій з випуску нових видів продукції.
На підставі технологічного процесу термогальванічної обробки сталевого проводу були висунуті вимоги до майбутньої системи електроприводу. Для задоволення цих вимог вибрано найбільш підходящу систему електроприводу. При дослідженні цієї системи встановлено, що вона не тільки повністю забезпечила виконання всіх технологічних умов та вимог до стабілізації швидкості протягування та намотування дроту (відхилення швидкості не більше 2,5%), широкого діапазону регулювання лінійної швидкості (від 20 до 70 м/хв) , забезпечення плавного пуску та гальмування та інших додаткових вимог, але також дозволило суттєво (в 1.4 рази) скоротити споживання електроенергії.
Ключєв В.І. Теорія електроприводу: підручник для вишів. - М.: Вища школа, 1985. - 560с.
Іллінський Н.Ф., Козаченко В.Ф. Загальний курс електроприводу: підручник для вишів. - М.: Вища школа, 1992. - 544 с.
Чилікін М.Г. Загальний курс електроприводу: підручник для вишів. - М.: "Енергія", 1971. - 432 с.
Москаленко В.В. Електричний привід: Підручник для електротехнічних спеціальностей. - М.: Вища школа, 1991. - 430 с.