Электропривод по схеме преобразователь частоты асинхронный двигатель

Выбор преобразователя частоты для привода переменного тока

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором – самый простой и надежный тип оборудования, используемого в промышленных двигательных установках машин и механизмов. С появлением современных силовых полупроводниковых устройств, таких как IGBT-модули и GTO-тиристоры, были разработаны частотные преобразователи, которые позволяют регулировать скорость электродвигателей в широком диапазоне, одновременно контролируя силу на валу привода.

Принцип работы преобразователя частоты для асинхронного двигателя основан на зависимости скорости вращения и момента силы на валу двигателя переменного тока от частоты напряжения питания. Частотные регуляторы изменяют частоту поданного на электродвигатель напряжения, тем самым регулируя скорость вращения ротора и момент силы.

Структурная схема преобразователя частоты для асинхронных двигателей:

1 – управляемый или неуправляемый выпрямителе;
2 – емкостный фильтр;
3 – автономный инвертор;
4 – фильтр для сглаживания пульсаций тока;
АД – асинхронный двигатель.

Правильный выбор преобразователя частоты для асинхронного двигателя позволяет создать эффективную и надежную систему практически для любого типа машин, как для промышленного, так и для бытового применения.

Когда речь идет о мощности движка, подразумевается механическая мощность на валу. При подборе электродвигателя необходимо учитывать КПД и коэффициент мощности. Момент на валу генератора постоянного тока обычно представлен двумя составляющими:

• статической: момент, затрачиваемый на преодоление сил сопротивления и трения в рабочем механизме;
• динамической: момент, затрачиваемый на преодоление инерции маховых масс самого электропривода, присоединенной трансмиссии и рабочего механизма.

Существует довольно широкий класс промышленных механизмов, в которых момент на валу электродвигателя однозначно связан со скоростью вращения, а режимы пуска и торможения составляют незначительную часть рабочего цикла (центробежные насосы и вентиляторы, транспортеры, конвейеры, рольганги и т.п). В этих случаях тяговый преобразователь можно выбрать в соответствии с мощностью оборудования: номинальная мощность должна быть больше или равна мощности, потребляемой мотором через цепь питания.

Для регуляторов частоты, предназначенных для работы в составе транспортеров и конвейеров характерна перегрузочная способность до 150%, а в приводах вентиляторов и насосов – до 120%. С учетом этого, в некоторых случаях можно выбрать преобразователь на ступень ниже по мощности.

Из двух компонентов электропривода – частотник и электродвигатель – второй существенно «крепче» в электротехническом отношении. В асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором, например, при прямом пуске ток может достигать значения в 5…7 раз выше номинального, а в некоторых случаях – до 12. Если температура обмоток не превышает установленную, такой режим обходится без последствий. Частотный преобразователь обладает более скромными возможностями из-за ограничений силовых полупроводниковых приборов. В большинстве моделей допустимый предел перегрузки находится в диапазоне 120…200% по отношению к номинальному току. Поскольку ток двигателя напрямую определяет усилие на валу, очевидно, что динамические возможности привода будут определяться ограничением тока частотника. В этих случаях обязательна проверка механизма по предельному току при выполнении разгона максимальной интенсивности, или наоборот, возможность обеспечения времени разгона при предельном токе.

Если предельный ток превышает ток ограничения системы, или время разгона больше, чем требуемое, необходимо выбирать частотник, стоящий выше по шкале мощностей. Иногда производитель указывает допустимое время разгона при предельно допустимом токе – до 60 сек.

Схема асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (реверсивный пуск):

QF – автоматический выключатель; KM1, KM2 – магнитный пускатель; KK – тепловое реле; FU1, FU2 – предоранитель; SB2 – «реверс»; SB3 – кнопка «стоп»; SB1 – кнопка «пуск»; M – электродвигатель.

Как выбрать преобразователь частоты для асинхронного двигателя? Правильный выбор оборудования невозможен без учета решений по режимам торможения:

• Рекуперативное торможение с передачей энергии в электросеть.
• Динамическое торможение с отводом энергии промежуточного звена частотника на дополнительное сопротивление.
• Торможение противовключением. Обмотка привода подключена к постоянному напряжению; возникающий магнитный поток способствует появлению тормозного усилия, при этом энергия рассеивается на обмотках электродвигателя и в источнике постоянного напряжения.

После согласования значений напряжения, количества фаз и частоты питающей сети важно оценить диапазоны колебаний этих характеристик в реальных условиях эксплуатации. Значительные динамические нагрузки приводят к сильным колебаниям напряжения питания. Это можно оценить, зная реактивное сопротивление питающей сети или, по крайней мере, частичного комплексного электрического сопротивления, вносимого питающим трансформатором и подводящими кабелями. Ситуация усугубляется, когда для частотного преобразователя требуется сетевой дроссель. Падение напряжения питания частотника при максимальных нагрузках должно оставаться в допустимых пределах. В противном случае необходимо определить: позволяют ли функциональные возможности регулятора сохранить работоспособность оборудования при провале питающего напряжения.

Главный вопрос подбора частотника по этим критериям – выбор метода управления. Различают 4 метода управления:

• Скалярный метод: подходит для электроприводов с известной взаимозависимостью момента электродвигателя и частоты вращения. При этом диапазон регулирования должен быть невелик, минимальная частота 5…10 Гц.
• Скалярный метод управления с обратной связью по вращающему моменту. Применяется для точного поддержания и регулирования оборотов механизма. И здесь необходимо знать точную взаимозависимость нагрузки и скорости. Обычно в режиме скалярного управления реализуется определенного вида соотношение U/f (питающее напряжение к частоте питающего напряжения).
• Векторный метод управления. Применяется в случаях, когда взаимозависимость момента и скорости не известна, случайна или аналитически не выражается. Но при этом необходимо поддерживать заданное значение момента нагрузки при широком диапазоне регулирования периода вращения.
• Векторный метод управления с обратной связью по скорости. Применяется в механизмах со сложным характером нагрузки при необходимости поддерживать и момент, и скорость в широком диапазоне и с высокой точностью. Возможность реализации векторного метода управления подразумевает присутствие в составе системы относительно мощного процессора, способного в течение нескольких десятков миллисекунд произвести полный пересчет всего вектора параметров привода. В качестве датчика скорости обычно применяется инкрементальный энкодер, не всегда присутствующий в базовой комплектации.

Выпускаемые модели частотных регуляторов обладают богатым набором защитных функций, незначительно отличающимся у отдельных моделей. Поэтому подбор по защитным функциям важнее проводить с точки зрения наличия возможностей, обеспечивающих сохранение работоспособности электропривода в аварийном режиме. Необходимо установить, каковы действия оборудования после срабатывания защитных функций:

• Каким образом будет тормозиться рабочий механизм после отключения частотника. Торможение «на выбеге» не всегда приемлемо по соображениям безопасности.
• Возможно ли сохранение работы привода с пропорциональным изменением скорости или автоматический перезапуск (например, при отключении сети питания), «подхват» вращающегося двигателя в установках, обладающих эффектом «ветряной мельницы», или двигающегося по инерции (при восстановлении питания) и т.п.

Если имеющиеся функциональные возможности обеспечивают сохранение работоспособности мотора или даже обеспечивают приемлемый режим его работы, то можно считать, что вопрос выбора оборудования по критериям защитных функций решен.

Место установки и эксплуатации частотного регулятора должно полностью удовлетворять паспортным требованиям по температурному диапазону, влажности, высоте положения, условиям вибрации и запыленности, степени защиты по IP. Однако есть один неочевидный момент, влияющий на выбор частотного преобразователя для асинхронного двигателя при конкретных условиях размещения. Существенным является расстояние удаленности тягового преобразователя от электродвигателя. При превышении определенного расстояния, зависящего от модели частотника, типа кабеля, тока и др., необходима установка специального моторного дросселя. Появление этого элемента снижает эффективные характеристики привода. В качестве альтернативы возможен переход к другой модели частотного преобразователя.

Хотите сохранить эту статью? Скачайте её в формате PDF

Остались вопросы? Обсудите эту статью на нашей странице В Контакте

Хочешь читать статьи первым, подписывайся на наш канал в Яндекс.Дзен

Рекомендуем прочитать также:

Управление несколькими двигателями одним преобразователем частот.

Управление преобразователем частоты с помощью панели оператора.

Управление шнековым питателем в аварийном режиме.

Стоит ли приобретать высоковольтный привод?

1 января 2011

В последние годы вопросы энергоэффективности и энергосбережения выходят на передний план при проектировании новых производств и реконструкции уже существующих. Электродвигатели — одни из основных потребителей электроэнергии в промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве. Наиболее распространенный тип применяемых электродвигателей – асинхронный электродвигатель переменного тока, особенностью которого является частота вращения ротора, напрямую связанная с частотой переменного тока питающей сети. Но, как показывает практика, не всегда необходимо, чтобы электродвигатель работал на номинальных рабочих оборотах. При необходимости возможно снижение частоты вращения ротора электродвигателя, что приводит к существенной экономии электроэнергии. Для регулирования скорости вращения асинхронного электродвигателя применяются преобразователи частоты.

Преобразователь частоты, используя питающее трехфазное напряжение 380 В или 690 В переменного тока частотой 50 Гц, на выходе формирует переменное трехфазное напряжение с задаваемой пользователем частотой. Развитые управляющие схемы современных преобразователей частоты позволяют строить энергоэффективные алгоритмы управления технологическим процессом. Например, работая по сигналу обратной связи от датчика, частотный преобразователь, в зависимости от состояния технологического процесса, понижает частоту вращения ротора электродвигателя насоса, вентилятора или компрессора, что приводит к сокращению потребления электроэнергии. Отсутствие больших токов при пуске электродвигателей также позволяет существенно экономить электроэнергию и рассчитывать питающие подстанции без большого запаса по мощности. Также преобразователь частоты увеличивает срок службы электродвигателя и самого механизма за счет плавного пуска, исключающего ударные нагрузки на механические элементы (подшипники, крыльчатки, валы и так далее).

Однако существует достаточное количество электродвигателей мощностью свыше 3 МВт на высокое напряжение, которые, по условиям технологического процесса, тоже нуждаются в регулировании скорости. Стандартным решением данной задачи является установка высоковольтного частотного преобразователя. Это единственный способ регулирования скорости вращения двигателя мощностью свыше 3 МВт

Для приводов с меньшей номинальной мощностью существует несколько схем, позволяющих регулировать частоту двигателя без использования дорогостоящего высоковольтного преобразователя.

Рис. 1. Однорансформаторная схема

Одной из них является, так называемая, “двухтрансформаторная схема” (рис.2). Принцип работы схемы заключается в следующем: преобразователь частоты, рассчитанный на напряжение 690 В, подключается к сети 6 или 10 кВ через понижающий трансформатор (Т1). Выходное напряжение с соответственно изменяемой частотой подводится к двигателю через повышающий трансформатор (Т2). На выходе системы получаем напряжение 6 или 10 кВ с изменяемой частотой переменного тока. Данное техническое решение полностью снимает вопрос регулирования частоты электроприводов большой мощности, однако имеет существенные недостатки. Так, наличие двух силовых трансформаторов увеличивает габариты системы, а использование дополнительного оборудования (например, синус-фильтров, дросселей и др.) значительно поднимает стоимость системы, усложняет монтаж и эксплуатацию. К тому же диапазон регулирования выходной частоты ограничен допустимыми рабочими частотами повышающего трансформатора.

Интенсивные темпы технического прогресса в конце прошлого века позволили создавать асинхронные электродвигатели мощностью до 3МВт на 690 В. В том числе и отечественные производители готовы предложить двигатели большой мощности, что дает возможность реализовать, так называемую, “однотрансформаторную схему“ (рис.1). Основное отличие заключается в замене высоковольтного электродвигателя на низковольтный.

Предлагаемое решение, при поставке с российским электродвигателем, является оптимальным по цене и обладает существенными преимуществами по сравнению с “двухтрансформаторной” схемой. В частности, отсутствие второго трансформатора и синус-фильтров позволяет существенно уменьшить габариты. При необходимости все оборудование может быть изготовлено в шкафном исполнении IP23 или IP54. В этом случае частотный преобразователь и трансформатор поставляется в виде единого шкафа, аналогично высоковольтным преобразователям. Немаловажным плюсом является использование серийного оборудования в составе системы, что значительно сокращает срок поставки. Следует также отметить, что заказчик получает новый двигатель с полным моторесурсом.

Рис. 2. Двухтрансформаторная схема

Корректная и эффективная работа вышеприведенных схем напрямую зависит от грамотного выбора частотного преобразователя. Преобразователи частоты больших мощностей строятся на базе параллельно подключенных силовых модулей. Каждый модуль при этом является, по сути, отдельным преобразователем частоты с объединением по звену постоянного тока. Данная технология значительно снижает надежность системы, так как при выходе из строя хотя бы одного модуля весь преобразователь требует ремонта. Принципиально новая схема, реализованная шведской компанией Emotron в серии преобразователей частоты FDU 2.0 (насосное и вентиляторное применение) и VFX 2.0 (универсальное применение по технологии прямого управления моментом), позволяет осуществить управление асинхронным электродвигателем мощностью до 3000 кВт. Данные преобразователи имеют очень компактную модульную конструкцию. Каждый модуль включает в себя выпрямительный и инверторный блоки, дроссель постоянного тока, быстродействующие предохранители и систему управления. Принципиальное отличие данной технологии состоит в том, что модули не объединены между собой по звену постоянного тока. Это позволяет обеспечить непревзойденную надежность системы: при выходе из строя одного или нескольких модулей преобразователь частоты способен продолжать работу с потерей мощности. Выходные дроссели при необходимости могут быть установлены на каждый модуль, т.е. их номинальные значения не будут превышать 200А, что делает решение гораздо компактнее и дешевле. Отдельно стоит отметить, что неизменно высокое шведское качество подкреплено рядом технологических и функциональных преимуществ: встроенный полууправляемый выпрямитель (запатентованная технология HCB), фильтр ЭМС, дроссель в цепи постоянного тока, русифицированное меню в единицах процесса (бар, кг/м2 или др.), уникальный электронный мониторинг нагрузки позволяет отследить перегрузку (заклинивание ротора, работа на закрытую задвижку, засоренный фильтр или др.) и недогрузку (сухой ход, обрыв муфты и др.) во всем диапазоне скоростей (патент ЕР05109356) и многое другое.

Серьезная проблема на российских предприятиях, в том числе на РТС и водоканалах – частые провалы напряжения питающей сети. Не стоит объяснять, что каждый такой случай наносит серьезный финансовый урон. При правильном подборе преобразователя частоты фирмы Emotron можно гарантировать бесперебойную работу исполнительного механизма при падении напряжения до 60% от номинального. На высокоинерционных нагрузках, например, вентиляторах или дымососах, за счет функции «Преодоление провалов напряжения», можно добиться бесперебойной работы даже при значительных провалах питающего напряжения, вплоть до пропадания в течение нескольких секунд.

Чтобы определить, каким путем добиться нужных результатов в энергосбережении на Вашем предприятии, обратите внимание на уже реализованные проекты как в мире, так и в России. Компания Emotron осуществила множество комплектных поставок. Так, одной из самых крупных является поставка четырех преобразователей частоты мощностью 2 МВт с заменой электродвигателей на низковольтные для приводов вентиляторов и дымососов на электростанцию в г. Линген, Германия. Компания АДЛ реализовала комплексный проект модернизации оборудования с установкой электродвигателя на 690 В и преобразователя Emotron на ТЭЦ №3 в г. Тверь.

Частотно-регулируемый электропривод для энергосбережения и оптимизации технологических процессов в электротехнических комплексах

Полный текст:

• Аннотация
• Об авторах
• Список литературы
• Cited By

Аннотация

Актуальность исследования заключается в поиске энергосберегающих технологий. Так, в настоящее время, наиболее распространенным типом электропривода в промышленности является асинхронный, причем большинство из таких – нерегулируемые. Замена нерегулируемого электропривода на регулируемый в различных агрегатах позволяет существенно снизить потребление электроэнергии, увеличить срок службы механической части привода и повысить качество регулируемого технологического параметра. Замена заключается в установке между сетью и двигателем устройства – электронный преобразователь частоты. Данное устройство изменяет частоту вращения ротора двигателя за счет изменения частоты и амплитуды питающего напряжения. Наибольшее распространение получили преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Такие устройства построены на электронных ключах, которые выполнены на IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) транзисторах. С помощью программного обеспечения NI Multisim14 создана модель для определения экономии мощности при внедрении ЧРП.

В работе приводится обоснование внедрения частотно-регулируемого электропривода (ЧРП) для оптимизации технологических процессов в электротехнических комплексах и системах, в частности для примера представлен полный анализ энергоэффективности применения ЧРП в насосных системах водоснабжения. Также приведен расчет его экономической эффективности для конкретной установки.

Ключевые слова

Об авторах

Список литературы

1. Абрамов Б.И, Коган А.И., Бреслав Б.М, и др. Частотно-регулируемый электропривод буровых установок БУ-4200/250 // Элетротехника. М.: Издательство. Фирма Знак. 2009. №1. С.8- 13.

2. Авербух М.А. Анализ электродинамических процессов и электромагнитной совместимости частотного электропривода в пакете MATLAB 7.12 // Известия высших учебных заведений. Электромеханика 2014. №4. С.57-62.

3. Бабакин В.И. Энергосберегающий частотно-регулируемый электропривод кустовой насосной станции // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. 2014. Т.1. №2. С.21-25.

4. Глоба М.Д. Разработка программного комплекса для дистанционного управления частотным электроприводом // Научно-образовательный потенциал молодежи в решении актуальных проблем XXI века. №4. 2016. С. 204-206.

5. Иванова В.Р. Исследование работоспособности асинхронных электродвигателей совместно с преобразователем частоты // Материалы 1 Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития электроэнергетики и электротехники». 2019. С. 283-286.

6. Иванова В.Р. Разработка критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации активно-адаптивных электроэнергетических систем // Материалы международной научной конференции «Высокие технологии и инновации в науке». СПб: 2018. С. 112-116.

7. Иванова В.Р. Разработка учебного стенда для эффективной и безопасной эксплуатации резервного электроснабжения на промышленных предприятиях // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2018. №9-10. С.165-169

8. Ivanova VR. The analysis of Measurements of Indicators of Quality of the Electric Power and Calculation of Economic Efficiency After Installation of the Booster Transformer OA. International multi-conference on industrial engineering and modern technologies, Fareastcon 2018. Vladivostok, 03- 04 Okt. 2018.

9. Кочегаров М.В, Муконин А.К, Питолин В.М. О работе преобразовательных устройств для частотного электропривода // Вестник Воронежского государственного технического университета, 2012. Т. 8. №3. С.166-168.

10. Крысанов В.Н. Разработка адаптивной АСУТП теплоснабжения на примере индивидуального теплового пункта // Материалы 17 Международного семинара «Физико- математическое моделирование систем», 2017. С.79-83.

11. Ланген А.М. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод двухмассовой системы // Электричество. Изд. НИУ МЭИ. 1994. С.35-41

12. Макаров А.Н. Автоматизированный электропривод с частотным управлением по датчику гидростатического давления // Вестник Машиностроения. 2017. №3. С.53-10.

13. Мамедов Ф.А. Линейный электропривод с однофазным частотным преобразователем для вибропневмосепаратор // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», 2010. Т.3. С.161-164.

14. Мещеряков В.Н. Энергосберегающий каскадно-частотный электропривод для турбомеханизмов нефтегазовой отрасли // Сборник статей конференции «Булатовские чтения», 2018. Т.6. С.218-220.

15. Новиков Е.А. Применение учебного стенда для изучения частотных преобразователей в учебном процесс // Сборник трудов конференции «Актуальные вопросы преподавания технических дисциплин». 2016. С.232-237.

16. Panasetsky D. Simplified variable frequency induction-motor drive model for power system stability studies and control // IFAC-Papersonline. 2016. T.49. №47. pp.451-456.

17. Филонов С. А. Частотно-регулируемый электропривод как способ оптимизации электропотребления // Сборник трудов конференции «Наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения». 2018. С.197-204.

18. Хворостенко С.В. Синтез пассивных фильтрокомпенсирующих устройств для ослабления высших гармоник в цеховых сетях электроснабжения с нелинейными потребителям // Интеллектуальная электротехника. 2019. №1(5). С.84-93.

19. Шабанов В.А. Ресурсосберегающий эффект от использования функции подхвата преобразователя частоты электропривода при авторотации вентиляционных установок // Энергобезопасность и энергосбережение. 2019. №2. С.34-39.

Для цитирования:

Иванова В.Р., Киселев И.Н. Частотно-регулируемый электропривод для энергосбережения и оптимизации технологических процессов в электротехнических комплексах. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2019;21(5):59-70. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2019-21-5-59-70

For citation:

Ivanovа V.R., Kiselev I.N. Frequency-adjustable electric drive for energy saving and optimization of technological processes in electrical complexes. Power engineering: research, equipment, technology. 2019;21(5):59-70. (In Russ.) https://doi.org/10.30724/1998-9903-2019-21-5-59-70

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

Модернизация системы частотно-регулируемого асинхронного электропривода

Полный текст:

• Статья
• Об авторах
• Cited By

Аннотация

Ключевые слова

Для цитирования:

Шестаков И.В., Сафин Н.Р. Модернизация системы частотно-регулируемого асинхронного электропривода. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2019;(2):25-33. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2019-2-25-33

For citation:

Shestakov I.V., Safin N.R. Modernization of a frequency-controlled asynchronous electric drive system. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2019;(2):25-33. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2019-2-25-33

Современный частотно-регулируемый асин­хронный электропривод (ЧРАП) широко при­меняется в изделиях военной техники (ВТ) и конверсионной гражданской техники (ГТ). Для изделий первой категории предъявляют жесткие требования к условиям эксплуатации (согласно комплексам государственных во­енных стандартов «Климат-6» и «Мороз-7»). В изделиях ВТ электропривод часто функци­онирует в условиях термонагруженного отсе­ка, что усложняет задачу снижения тепловы­деления и рассеивания теплоты. Требования по обеспечению гарантийной работоспособ­ности приводного/рабочего механизма связа­ны в том числе и с повышением энергоэффек­тивности ЧРАП. Такая задача в первую оче­редь зависит от степени минимизации потерь в компонентах электропривода, приводящих к снижению КПД и повышенному энергопо­треблению. Исходя из этого задача повыше­ния энергоэффективности ЧРАП в таких ус­ловиях является актуальной.

Объект данного исследования — частот­но-регулируемый электропривод переменно­го тока, в силовой цепи которого использует­ся трехфазный асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором, получающим питание от преобразователя частоты (ПЧ) — силового контроллера с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Цель работы — исследование возможно­стей повышения энергоэффективности ЧРАП электрогидравлической трансмиссии самоход­ного грузоподъемного агрегата. Статья являет­ся продолжением работ [1, 2].

Один из вариантов решения данной за­дачи — совершенствование существующих и разработка новых типов электродвигателей и полупроводниковых преобразователей с улуч­шенными энергетическими характеристиками.

В области электромашиностроения оте­чественная промышленность освоила произ­водство нескольких серий асинхронных дви­гателей общего назначения (АИ, 5А), которые имеют более высокие КПД и коэффициент мощности. Например, в ОАО «РУСЭЛПРОМ» разработаны специальные крановые двигатели серий 5МТК и 7МТК для частотно-регулиру­емого электропривода. Усовершенствованные технологии изготовления обмотки статора и конструкция магнитопровода обеспечивают надежную эксплуатацию электродвигателей при питании от автономных инверторов на­пряжения (АИН) и возможность регулирова­ния частоты вращения в широком диапазоне.

Сегодня успехи в развитии микропроцес­сорных средств управления позволяют решать практические задачи повышенной сложно­сти: идентификация параметров, оценка пере­менных состояния, адаптивное и оптимальное управление. Одним из важных направлений в теории и практике регулируемого электроприво­да остается разработка электроприводов, кото­рые обеспечивали бы технологические процес­сы при минимальных энергетических затратах.

Практически допустимые области функ­ционирования ЧРАП определяются в том числе и законом частотного управления , а также каче­ством его реализации в системе регулирования.

В настоящее время существуют разные типы управления АД, реализуемые в ПЧ на основе скалярных и векторных систем управления. В свою очередь векторное управление под­разделяется на два основных вида: с прямой ориентацией по полю ротора (с датчиком по­ложения ротора, датчиком скорости, датчиком магнитного потока в воздушном зазоре) и с косвенной ориентацией по полю ротора (без- датчиковое/бессенсорное).

Соответственно векторное управление с косвенной ориентацией по полю ротора по­зволяет исключить использование датчика ско­рости (и датчиков других типов), но данный вариант имеет следующие неблагоприятные особенности:

• в режиме малого скольжения, т. е. при работе электродвигателя на низких скоростях, снижается качество регулирования скорости [3];
• усложняется и удорожается програм­мно-аппаратная часть электропривода.

Использование датчика скорости в опре­деленной степени снижает надежность ЧРАП ввиду влияния комплекса физико-химических и климатических факторов широкого диа­пазона, например в условиях ограниченного термонагруженного пространства с вибро-, те­пловыделяющим оборудованием. Кроме того, датчики скорости (энкодеры) в крановом элек­троприводе являются наименее надежными элементами, выход их из строя происходит достаточно часто [4]. С учетом всего этого в системе управления ЧРАП реализован скаляр­ный принцип частотного управления.

Одновременно с этим выбор АД для ра­боты в регулируемом электроприводе является важным фактором, влияющим на надежность эксплуатации приводного/рабочего механиз­ма. В данной статье рассматривается новый тяговый АД (получен патент РФ на полезную модель № 184734) с характеристиками: номи­нальная мощность P_N = 15 кВт; номинальное фазное напряжение U_N = 127 В; номинальный фазный ток I_N = 50,38 А; частота питающего напряжения f_N = 400 Гц; КПД η_Ν = 0,8651; коэффициент мощности cos φ _N = 0,8351; чис­ло пар полюсов z _p = 4; относительное сколь­жение s = 0,0269; скорость вращения ротора Ω₂ = 611,42 рад/c. Электродвигатель изготов­лен для работы в жестких условиях при вли­янии различных негативных факторов. Для повышения надежности электродвигателя его конструктивная часть включает в том числе охлаждающий контур с охлаждающими канала­ми, проходящими через ротор в осевом направ­лении. Принятые решения позволяют улучшить циркуляцию внутреннего воздуха и тем самым усовершенствовать схему теплопередачи.

Питание АД от ПЧ не улучшает энерге­тические показатели системы ЧРАП непосред­ственно. Наоборот, потери электродвигателя, питаемого от инвертора с ШИМ напряжением, выше, чем у электродвигателя, питаемого от сети. Это обусловлено как снижением действу­ющего напряжения в номинальном режиме, так и увеличенными электрическими и маг­нитными потерями из-за влияния коммутаци­онной составляющей тока и высших гармоник поля статора [5].

Таким образом, эксплуатация ЧРАП со­провождается рядом негативных факторов: возникновение высших гармоник питающего напряжения, вызывающих импульсные пере­напряжения в обмотке статора; повышенные потери, снижающие КПД, полезную мощность АД и увеличивающие нагрев; дополнитель­ные инерционные моменты, увеличивающие вибрацию и шум.

В связи с этим для количественной оцен­ки предлагается проведение сравнительного математического моделирования конкретно­го АД при питании от сети и от ПЧ. Модели­руется режим прямого пуска АД до скорости идеального холостого хода (Ω_0N = 628,3 рад/с) с последующим набросом активной нагрузки M_c = 24,6 Н-м, при этом скорость снижается до Ω₂ = 611,4 рад/с (относительное значение номи­нальной скорости ротора ω ₂ = 1 — s = 0,9731).

Проведен ряд экспериментов на мате­матической модели АД при питании от сети (рис. 1), в которых снимались значения ско­рости вращения вала, действующие значения токов и электрических потерь в обмотках ста­тора и ротора. Результаты приведены в табл. 1.

Рис. 1. Математическая модель АД при питании от сети в пакете MATLAB Simulink