Исследование методов синхронизации скоростей вращения частотно- регулируемых электроприводов
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 СИНХРОНИЗАЦИЯ СКОРОСТЕЙ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ С
ПОМОЩЬЮ МЕХАНИЧЕСКОЙ СВЯЗИ 9
1.1 Применение механической связи для синхронизации скоростей вращения 9
1.2 Особенности работы многодвигательного электропривода на общую нагрузку . 10
1.3 Выравнивание нагрузки в частотно-регулируемых электроприводах 12
2 СИНХРОНИЗАЦИЯ СКОРОСТЙ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ, С
ПОМОЩЬЮ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ 16
2.1 Примеры механизмов 16
2.2 Сравнение способов управления для электропривода системы «ПЧ-АД» 17
2.3 Методы синхронизации скоростей вращения частотно-регулируемых
электроприводов 21
3 РАЗРАБОТКА СТЕНДА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 28
3.1 Назначение стенда 28
3.2 Разработка функциональной схемы стенда 28
3.3 Описание функциональной схемы 29
3.4 Выбор оборудования 30
3.5 Используемое программное обеспечение 35
4 ПОСТРОЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ 37
4.1 Исходные данные 37
4.2 Построение механической характеристики электродвигателя 38
4.3 Построение электромеханической характеристики электродвигателя 41
5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 43
4.1 Описание работы стенда 43
4.2 Проведение экспериментов 46
4.3 Результаты экспериментов 60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 63
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 65
ПРИЛОЖЕНИЕ А 67
ВВЕДЕНИЕ 6
1 СИНХРОНИЗАЦИЯ СКОРОСТЕЙ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ С
ПОМОЩЬЮ МЕХАНИЧЕСКОЙ СВЯЗИ 9
1.1 Применение механической связи для синхронизации скоростей вращения 9
1.2 Особенности работы многодвигательного электропривода на общую нагрузку . 10
1.3 Выравнивание нагрузки в частотно-регулируемых электроприводах 12
2 СИНХРОНИЗАЦИЯ СКОРОСТЙ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ, С
ПОМОЩЬЮ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ 16
2.1 Примеры механизмов 16
2.2 Сравнение способов управления для электропривода системы «ПЧ-АД» 17
2.3 Методы синхронизации скоростей вращения частотно-регулируемых
электроприводов 21
3 РАЗРАБОТКА СТЕНДА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 28
3.1 Назначение стенда 28
3.2 Разработка функциональной схемы стенда 28
3.3 Описание функциональной схемы 29
3.4 Выбор оборудования 30
3.5 Используемое программное обеспечение 35
4 ПОСТРОЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ 37
4.1 Исходные данные 37
4.2 Построение механической характеристики электродвигателя 38
4.3 Построение электромеханической характеристики электродвигателя 41
5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 43
4.1 Описание работы стенда 43
4.2 Проведение экспериментов 46
4.3 Результаты экспериментов 60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 63
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 65
ПРИЛОЖЕНИЕ А 67
Целью данной работы является исследование методов синхронизации скоростей вращения электродвигателей, используя преобразователи частоты.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучение существующих методов синхронизации скоростей вращения;
- создание экспериментального стенда для сравнения разных методов;
- проведение экспериментов на стенде;
- обработка полученных результатов экспериментов.
Количество электроприводов, имеющих в своем составе несколько асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором (АД), увеличивается. Естественно при этом, что моменты сопротивлений на валах данных электродвигателей могут иметь различный характер изменения. Каждый из входящих в систему электродвигателей может работать либо на индивидуальную нагрузку, либо входить в состав взаимосвязанного электропривода.
Созданию систем управления многодвигательным электроприводом уделяется достаточно много внимания. Так как управляемый электропривод по системе преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель ПЧ - АД широко распространен, то возникает необходимость использования возможностей этой системы для управления в варианте ПЧ - АД - АД ... АД, при котором управление осуществляется от одного управляющего устройства (ПЧ) путем изменения частоты и амплитуды питающего напряжения, которые являются общими управляющими воздействиями для всех электродвигателей. При этом ПЧ может располагаться на значительном удалении от самих электродвигателей [1].
Взаимосвязанный электропривод в установках большой мощности позволяет уменьшить нагрузку каждого двигателя и тем самым облегчить передачу энергии к рабочему органу. Однако при недостаточной увязке применяемых двигателейобщие затраты мощности могут оказаться значительно выше, чем при установке однодвигательного привода.
В промышленности многодвигательный привод применяется очень часто. Яркий пример - привод передвижения козлового крана. Кран стоит на высоких опорах, протяженность его конструкций, то есть, пролет, может составлять десятки метров.
В этом случае необходимость одновременного движения обеих опор очевидна; в противном случае неизбежен чрезвычайный износ реборд ходовых колес и подкрановых путей. Неравномерное движение может вообще стать причиной схода крана с путей или причиной возникновения трещин на его металлоконструкциях [11].
Итак, необходимо, чтобы опоры крана приходили в движение только одновременно. Если использовать однодвигательный привод, то понадобится целая система карданных валов, передающих вращение от двигателя и редуктора на верхней галерее к ходовым колесам в нижней части опор.
Проще использовать два или даже четыре двигателя, работающих в составе одного привода и получающих электропитание одновременно. При этом двигатели должны быть максимально близки друг к другу по своим электромеханическим характеристикам, чтобы нагрузка между ними распределялась равномерно.
Но достичь этого не так уж и просто. Даже при использовании двигателей одинаковых марок неизбежны небольшие различия в их скорости вращения при одинаковой загрузке. Проявляться это будет в рывках конструкций крана при движении, в проскальзывании ходовых колес. К тому же, и нагрузка на двигателях будет неодинаковой, что приведет к преждевременному выходу из строя одного из них.
Немного проще добиться равномерности движения в многодвигательном приводе, двигатели которого работают на общем механическом валу. В этом случае мощность отдельных приводных двигателей просто складывается. Но
такая конструкция лишает многодвигательный привод практически всех его преимуществ, и применяется редко [10].
Применение частотного регулирования является наиболее эффективным способом регулирования скорости двигателя переменного тока, которое позволяет получить хорошие механические характеристики асинхронных двигателей, а также решить задачу синхронизации скоростей вращения электродвигателей.
Основными достоинствами этой системы регулируемого электропривода являются:
- плавность регулирования и высокая жесткость механических
характеристик, что позволяет регулировать скорость в широком диапазоне;
- экономичность регулирования, определяемая тем, что двигатель работает с малыми величинами абсолютного скольжения, и потери в двигателе не превышают номинальных [19].
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучение существующих методов синхронизации скоростей вращения;
- создание экспериментального стенда для сравнения разных методов;
- проведение экспериментов на стенде;
- обработка полученных результатов экспериментов.
Количество электроприводов, имеющих в своем составе несколько асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором (АД), увеличивается. Естественно при этом, что моменты сопротивлений на валах данных электродвигателей могут иметь различный характер изменения. Каждый из входящих в систему электродвигателей может работать либо на индивидуальную нагрузку, либо входить в состав взаимосвязанного электропривода.
Созданию систем управления многодвигательным электроприводом уделяется достаточно много внимания. Так как управляемый электропривод по системе преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель ПЧ - АД широко распространен, то возникает необходимость использования возможностей этой системы для управления в варианте ПЧ - АД - АД ... АД, при котором управление осуществляется от одного управляющего устройства (ПЧ) путем изменения частоты и амплитуды питающего напряжения, которые являются общими управляющими воздействиями для всех электродвигателей. При этом ПЧ может располагаться на значительном удалении от самих электродвигателей [1].
Взаимосвязанный электропривод в установках большой мощности позволяет уменьшить нагрузку каждого двигателя и тем самым облегчить передачу энергии к рабочему органу. Однако при недостаточной увязке применяемых двигателейобщие затраты мощности могут оказаться значительно выше, чем при установке однодвигательного привода.
В промышленности многодвигательный привод применяется очень часто. Яркий пример - привод передвижения козлового крана. Кран стоит на высоких опорах, протяженность его конструкций, то есть, пролет, может составлять десятки метров.
В этом случае необходимость одновременного движения обеих опор очевидна; в противном случае неизбежен чрезвычайный износ реборд ходовых колес и подкрановых путей. Неравномерное движение может вообще стать причиной схода крана с путей или причиной возникновения трещин на его металлоконструкциях [11].
Итак, необходимо, чтобы опоры крана приходили в движение только одновременно. Если использовать однодвигательный привод, то понадобится целая система карданных валов, передающих вращение от двигателя и редуктора на верхней галерее к ходовым колесам в нижней части опор.
Проще использовать два или даже четыре двигателя, работающих в составе одного привода и получающих электропитание одновременно. При этом двигатели должны быть максимально близки друг к другу по своим электромеханическим характеристикам, чтобы нагрузка между ними распределялась равномерно.
Но достичь этого не так уж и просто. Даже при использовании двигателей одинаковых марок неизбежны небольшие различия в их скорости вращения при одинаковой загрузке. Проявляться это будет в рывках конструкций крана при движении, в проскальзывании ходовых колес. К тому же, и нагрузка на двигателях будет неодинаковой, что приведет к преждевременному выходу из строя одного из них.
Немного проще добиться равномерности движения в многодвигательном приводе, двигатели которого работают на общем механическом валу. В этом случае мощность отдельных приводных двигателей просто складывается. Но
такая конструкция лишает многодвигательный привод практически всех его преимуществ, и применяется редко [10].
Применение частотного регулирования является наиболее эффективным способом регулирования скорости двигателя переменного тока, которое позволяет получить хорошие механические характеристики асинхронных двигателей, а также решить задачу синхронизации скоростей вращения электродвигателей.
Основными достоинствами этой системы регулируемого электропривода являются:
- плавность регулирования и высокая жесткость механических
характеристик, что позволяет регулировать скорость в широком диапазоне;
- экономичность регулирования, определяемая тем, что двигатель работает с малыми величинами абсолютного скольжения, и потери в двигателе не превышают номинальных [19].
Применение механической связи для синхронизации скоростей вращения электродвигателей, за счет жесткого соединения валов электродвигателей несложен в реализации. Однако такой способ имеет серьезный недостаток. Необходимо распределять нагрузку между двигателями, иначе рабочий ресурс электродвигателей может сильно уменьшиться, что приведет к дополнительным затратам в будущем. Задачу выравнивания общей нагрузки между взаимосвязанными электродвигателями сегодня могут решить многие современные преобразователи частоты. Наиболее лучший способ выравнивания нагрузки обеспечивается в многодвигательных системах с индивидуальными взаимосвязанными электроприводами, выполненными по схеме ведущий- ведомый.
В некоторых технологических процессах может возникнуть необходимость синхронизации скоростей вращения валов нескольких электродвигателей, механически не связанных между собой, а также в системах многодвигательных механизмов, связанных гибким материалом. Зачастую для решения данной задачи можно обойтись без использования ПЛК и специализированных блоков синхронизации - исключительно возможностями современных
преобразователей частоты.
Для сравнения различных методов синхронизации скоростей вращения валов электродвигателей, механически не связанных между собой, был разработан стенд. В состав которого входят два преобразователя частоты, инкрементальные энкодеры, электродвигатели, программируемый логический контроллер, а также персональный компьютер для регистрации и архивации полученных данных в ходе экспериментов. После была проведена сравнительная оценка рассмотренных методов.
Метод с общим ПЧ для двух двигателей самый простой в настройке и самый недорогой. Однако данный метод имеет наихудшие показатели синхронизации скорости, а также требует дополнительной защиты электродвигателей.
Метод с использованием индивидуального ПЧ имеет неплохие показатели синхронизации скоростей, не сложен в настройке. Но данный метод более дорогой и требует корректировки аналогового сигнала при разных заданиях
частоты.
Метод с использованием обратных связей по схеме ведущий-ведомый имеет наилучшие показатели по синхронизации скоростей. Улучшение показателей синхронизации данного метода зависят от точности датчиков скорости, оптимальной настройки регуляторов. Данный метод является самым дорогим из рассмотренных так как, требуется наличие дорогостоящих датчиков скорости, а преобразователи частоты должны оснащаться расширительными платами для работы с ними. Также недостатком метода является сложность настройки системы.
В некоторых технологических процессах может возникнуть необходимость синхронизации скоростей вращения валов нескольких электродвигателей, механически не связанных между собой, а также в системах многодвигательных механизмов, связанных гибким материалом. Зачастую для решения данной задачи можно обойтись без использования ПЛК и специализированных блоков синхронизации - исключительно возможностями современных
преобразователей частоты.
Для сравнения различных методов синхронизации скоростей вращения валов электродвигателей, механически не связанных между собой, был разработан стенд. В состав которого входят два преобразователя частоты, инкрементальные энкодеры, электродвигатели, программируемый логический контроллер, а также персональный компьютер для регистрации и архивации полученных данных в ходе экспериментов. После была проведена сравнительная оценка рассмотренных методов.
Метод с общим ПЧ для двух двигателей самый простой в настройке и самый недорогой. Однако данный метод имеет наихудшие показатели синхронизации скорости, а также требует дополнительной защиты электродвигателей.
Метод с использованием индивидуального ПЧ имеет неплохие показатели синхронизации скоростей, не сложен в настройке. Но данный метод более дорогой и требует корректировки аналогового сигнала при разных заданиях
частоты.
Метод с использованием обратных связей по схеме ведущий-ведомый имеет наилучшие показатели по синхронизации скоростей. Улучшение показателей синхронизации данного метода зависят от точности датчиков скорости, оптимальной настройки регуляторов. Данный метод является самым дорогим из рассмотренных так как, требуется наличие дорогостоящих датчиков скорости, а преобразователи частоты должны оснащаться расширительными платами для работы с ними. Также недостатком метода является сложность настройки системы.
