Учебное пособие 800516

УДК 621.313.292

А. В. Кайгородов, С. С. Дзюбан, С. А. Винокуров

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ МАТРИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ ПЕЧИ ОБЖИГА

В работе проводится исследование возможности применения высоковольтного электропривода с матричным преобразователем частоты и асинхронным двигателем для печи обжига. Матричные преобразователи частоты в настоящее время – одно из самых инновационных и перспективных решений в области развития электропривода с позиции экономии электроэнергии. Рассмотрены вопросы синтеза алгоритмов управления матричным преобразователем частоты в случае пространственно-векторного формирования широтно-импульсной модуляции с жестко заданным законом коммутации. Проанализированы различные варианты структуры построения высоковольтных преобразователей частоты и инверторов для уменьшения влияния высших гармоник.

Ключевые слова: электропривод, матричный преобразователь частоты, асинхронный двигатель, печь обжига.

В настоящее время промышленность в преобразователях частоты использует структуру с выпрямителем, который питает выходной инвертор. Частота и амплитуда напряжение переменного тока на выходе преобразователя частоты регулируется по различным законам, что обеспечивает заданную скорость и электромагнитный момент.

Матричные преобразователи частоты – одно из самых инновационных и перспективных решений в области развития электропривода с позиции экономии электроэнергии. Электропривод с синхронным или асинхронным двигателем и матричным преобразователем частоты начал получать распространения, хотя ещё практически нет серийного выпуска этих преобразователей [1]. Современный рынок преобразователей частоты в основном состоит из преобразователей со звеном постоянного тока, а матричный преобразователь относится к группе преобразователей частоты с непосредственной связью.

Использование непосредственных преобразователей частоты было ограниченно из-за небольшого диапазона изменения выходной частоты вращения электродвигателя. Это было связано с ограничением максимальной частоты.

71

При	использовании		биполярных	транзисторов	с
изолированным		затвором	(IGBT)	непосредственные

преобразователи частоты обрели новую жизнь, как матричные преобразователи частоты.

Матричные преобразователи частоты могут применяться как для асинхронных двигателей, так и для синхронных двигателей с постоянными магнитами. Это открывает новые возможности для работы силовой части без выпрямителя, что значительно повышает КПД и коэффициент мощности электропривода. В электромеханических системах, где необходимо обеспечивать рекуперацию энергии матричные преобразователи частоты вне конкуренции, так как у них не устанавливают дополнительные устройства, она предусмотрена в схеме преобразователя.

При создании преобразователей частоты основными критериями являются качество выходного напряжения, ценовые и массогабаритные показатели. Одним из основных при проектировании преобразователей является спектральный критерий – коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения [2, 3].

Обеспечение уменьшения потребления реактивной мощности из питающей сети и возможности рекуперации энергии, а так же снижения уровня высших гармоник сетевого тока обеспечивают схемы матричных преобразователей, с использованием полностью управляемых силовых ключей.

Системы управления матричного преобразователя частоты отличаются от систем со звеном постоянного тока. Алгоритмы управления должны обеспечить как бы мгновенное выпрямление напряжения, то есть выбрать такой участок синусоидального сигнала напряжения, который за заданный дискретный промежуток времени практически можно считать постоянным напряжением [3]. Такой подход можно представить как формирование постоянного напряжения из дискретных составляющих синусоидального сигнала, причем каждый импульс можно вырезать из любого сигнала трехфазной сети. Это позволяет обеспечить максимального значения коэффициента использования напряжения.

Применение импульсной модуляции всегда связано с частотой коммутации силовых ключей, в матричном преобразователе открываются возможности их минимизации.

В электроприводе печи обжига клинкера был выбран матричный преобразователь частоты FSDrive-MX1S, который обеспечивает энергосберегающее управление асинхронными двигателями напряжения 6кВ с рекуперацией электроэнергии и при низком уровне гармонических составляющих помех.

72

Он обеспечивает требуемый пусковой момент на нулевой скорости. Силовая цепь не содержит конденсаторов, что уменьшает объем техобслуживания. Матричный преобразователь частоты FSDriveMX1 обеспечивает сохранение энергии благодаря предусмотренной возможности ее прямой рекуперации в сеть без применения дополнительных устройств, а также путем оптимального управления любыми асинхронными электродвигателями, обеспечивая синусоидальность форм напряжения на входе и выходе преобразователя [4].

	Литература
1. Кайгородов	А. В. Преобразователи частоты		для
высоковольтных	асинхронных	электроприводов	/

А. В. Кайгородов, С. С. Дзюбан, О. А. Киселёва // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники. Всерос. студенческая науч.-техн. конф. [Электронный ресурс]. – Воронеж,

14-15 мая 2018. – С. 245-248.

2. Винокуров С. А. Вариации импульсного управления бесконтактным двигателем постоянного тока / С. А. Винокуров, О. А. Киселёва, Т. А. Попова // Энергия – ХХI век. Научнопрактический вестник. 2016. – № 1 (93). – С. 5258.

3. Винокуров С. А. Методология синтеза электромеханических систем с бесконтактным двигателем постоянного тока с накоплением информации о состоянии / С. А. Винокуров, О. А. Киселёва, В. Е. Букатова // Системы управления и информационные технологии. 2008. – Т.34. – № 4-1. – С. 153-156.

4. Морозов А. В. Алгоритмы управления и схемотехника матричного преобразователя частоты / А. В. Морозов, В. К. Барсуков, В. А. Морозов // Интеллектуальные системы в производстве. 2014. – № 1 (23). – С.41-46.

Воронежский государственный технический университет

73

УДК 621.3

А. Н. Шкурин, Н. Н. Золотухин, Т. Е. Черных, А. В. Тикунов

ЛЕВИТАЦИОННЫЕ ПОДШИПНИКИ ДЛЯ ДИСКОВОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВАЛОМ

Рассматривается конструктивная схема магнитного подвеса для генератора с вертикальным валом.

Ключевые слова: магнитный подвес, левитационные подшипники, синхронный генератор.

В настоящее время потребность в недорогих и качественных источниках электроэнергии растет пропорционально развитию человечеством науки и техники. Также весьма остро стоит вопрос

иоб экологической чистоте методов производства электроэнергии. Решением обеих этих проблем на сегодняшний день является использование технологий, основанных возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

По информации, предоставленной Международным агентством по возобновляемой энергетике (IRENA), в период 20132018 годов доля ВИЭ в новых мощностях в электроэнергетике составляет более 60 % во многих европейских странах. В этом объеме наибольшую часть занимает ветроэнергетика. Эксплуатация энергии ветра ежегодно увеличивается примерно на 30 % по всему миру и уже широко используется в странах Европы

иСША.

Ксожалению, в нашей стране вопросу развития технологий ВИЭ и ветроэнергетике в частности на протяжении долгого времени уделялось мало внимания, по причине этого на данный момент времени российская энергетика возобновляемых источников, будучи не в силах конкурировать с монополией топливной энергетики, вынуждена находиться на задворках энергетической промышленности.

Однако в последнее десятилетие вопросы развития возобновляемых источников энергии поднимаются на самом высоком уровне, за последние годы выпущен ряд документов стимулирующих развитие этих технологий. Однако, как уже отмечалось выше, российская энергетика возобновляемых источников значительно отстает в своем развитии, и те установки,

74

которые используются у нас, разработаны и произведены за рубежом. Причина этого в том, что у нас в стране мало предприятий специализирующихся на разработке и серийном выпуске установок, использующих энергию солнца, ветра, воды и т. п.

Учитывая актуальность задачи разработки конкурентоспособных конструкций ветроэнергетических установок (ВЭУ), на кафедре ЭМСЭС ВГТУ была начата разработка ВЭУ с вертикальной осью вращения. В рамках этой разработки было спроектировано ветроколесо и система управления установкой [1], а также дисковый генератор на постоянных магнитах [2]. Конструкция разработанного генератора представлена на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид генератора

Для улучшения характеристик генератора было принято решение об использования в нем левитационных подшипниковых опор (магнитных подвесов) с целью уменьшения механических потерь в машине.

Задачу исключения привычных подшипников качения и скольжения из состава электрических машин решали много разработчиков и в принципе для машин с горизонтальными валами имеются уже готовые разработки, однако для машин с вертикальными валами подобных разработок практически не имеется. В связи с чем было принято решение о проведении необходимых исследований.

Среди достоинств магнитных подшипников можно выделить,

во-первых,	небольшую	площадь	контакта	между
соприкасающимися частями		конструкции	и сведение её

к минимальной, следовательно, снижение механических потерь на трение, во-вторых, для поддержания работоспособности системы

75

магнитных подшипников нет нужды в большом количестве смазки. Кроме этого, магнитные подвесы обладают рядом других преимуществ, таких как, большая относительная скорость, сниженное энергопотребление, возможность герметизации, система автоматического контроля и мониторинга состояния подшипников, снижение вибраций в конструкции.

Все вышеперечисленные достоинства магнитного подвеса позволяют сделать вывод, что применение системы магнитных подшипников в конструкции ветрогенератора позволит повысить КПД генератора, а следовательно и ВЭУ в целом. Достоинства левитационного подвеса также позволяют широко использовать рассматриваемые магнитные подшипники как наиболее оптимальный вариант для применения в самых разных областях инженерии: в газовых турбинах, для вакуумных устройств, в криогенной технике, в высокооборотных электрогенераторах, для множества станков и другого оборудования, также и

ввысокоточном и высокоскоростном (порядка 100000 оборотов

вминуту), где особую важность имеют высокий КПД и точность работы.

Развитие систем левитационных подшипников или же магнитного подвеса, на данный момент времени, является одной из самых актуальных тем для дискуссий среди ученых в области энергетики и других научных сферах.

Магнитный подвес, работа которого базируется на основе магнитной левитации, является ключевым элементом опоры осей и валов, осуществляя поддержание вращательного движения вала вертикальной ветроэнергетической установки вдоль ортогональной оси практически без потерь на механическое трение.

Исходя из теоремы Ирншоу, которая является следствием из теоремы Гаусса и гласит, что любое равновесное взаимное положение точечных положительных и отрицательных зарядов является неустойчивым, если на них не действует ни одна из действующих сил, помимо кулоновских сил притяжения или отталкивания, в статическом положении ортогональная ось

вращения ветроэнергетической установки не может находиться в магнитной левитации. Поэтому в конструкции необходимо использовать опорную точку соприкосновения контакта конца вала с упором, в которой механический контакт в статичном положении будет сведен к минимуму.

76

После анализа возможных конструктивных решений было выявлено, что наиболее подходящая для разрабатываемой ВЭУ схема изображена и описана на рис. 2.

Рис. 2. Конструктивная схема генератора с магнитными подвесами:

1 – вал ветроколеса; 2, 3 – магнитные подшипники; 4 – нижняя магнитная опора, состоящая из постоянного магнита и электромагнита

Для проверки работоспособности вышеописанной конструкции был проведен ряд вычислительных экспериментов, в ходе которых с помощью программы для моделирования, реализующей метод конечных элементов, были получены результаты, представленные на рис. 3.

Полученные значения магнитных полей показали, что величина сил магнитного взаимодействия магнитов достаточна для фиксации ротора генератора в пространстве.

При подготовке и проведении экспериментов было выяснено, что наиболее рациональным материалом для магнитов, исходя из практического применения последних, является сплав на основе неодима, железа и бора. Особые качества этих магнитов, выделяют их по сравнению с обычным ферритовым, что обусловлено присутствием в сплаве неодима – химического элемента из группы лантаноидов таблицы Менделеева. При достаточно малых размерах неодимовый магнит обладает высокой мощностью. Такой сплав неодима, железа и бора обладает силой сцепления, в 10 и более раз большей, чем у ферритовых. Кроме этого, неодимовый магнит имеет огромный срок службы. За одно столетие его сила уменьшится примерно лишь на 1 %. Единственным недостатком этих магнитов является стоимость, неодимовый магнит стоит

77

гораздо дороже ферритового, но его цена полностью окупается благодаря его характеристикам и сроку службы.

Рис. 3. Распределение магнитных полей в магнитном подвесе

Базируясь на результатах, полученных в ходе проведения экспериментов, можно сделать вывод, что рассмотренная конструкция левитационных подшипников может быть использована в разработанном генераторе.

Литература

1. Электрическая часть и система управления вертикальноосевой ветроэнергетической установки / П. Ю. Беляков, Р. М. Панов, А. С. Павлов, А. В. Тикунов // Электротехнические комплексы и системы управления.

2. Пат. 111365 Российская Федерация, МПК Н02Л21/24. Электрогенератор / Писаревский Ю. В., Беляков П. Ю., Писаревский А. Ю., Тикунов А. В., Черных Т. Е. № 2011133630/07; заявл. 10.08.2011; опубл. 10.12.2011.

Воронежский государственный технический университет

78

УДК 621.313.292

А. Ю. Перцев, Т. В. Попова, А. М. Щербаков

ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ДЛЯ КАНАТНО-ЛЕНТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА

В работе проводится исследование возможности применения электропривода с вентильно-индукторным двигателем для канатноленточного конвейера. Рассмотрены вопросы снижения мощности электропривода в конвейере большой протяженности. Проанализированы вопросы обеспечения безаварийной работы непрерывных производств, связанных с применением электроприводов в технологическом процессе.

Ключевые слова: электропривод, вентильно-индукторный электродвигатель, канатно-ленточный конвейер, безаварийная работа.

Для транспортировки насыпных грузов используют подвесные воздушно-канатные дороги. На расстояния до 100 км выбор осуществляется путем анализа стоимости системы и ее монтажа и эксплуатации.

Применение канатно-ленточного конвейера является наиболее эффективным за счет возможности покрывать огромные расстояния одним пролетом. Это связано с тем, что тяговое усиления прикладывается к стальным канатам, а не к самой ленте, как у традиционных ленточных конвейеров. Канатно-ленточный конвейер обеспечивает требуемый радиус горизонтальных кривых, вне зависимости от того, загружен он или нет [1, 2].

Мощность электропривода канатно-ленточного конвейера

восновном зависит:

–от трения на трассе;

–силы тяжести;

–потерь на трение при разгрузочных и погрузочных работах на станциях.

В таком конвейере меньше вращающихся деталей в сравнении с обычным конвейером аналогичной длины, что значительно влияет на мощность электроприводов конвейера. Длина конвейера большая, поэтому требуется установка нескольких промежуточных электроприводов, отказ любого из них может привести к крупным и тяжело устранимым авариям.

Это требует особого подхода к исполнительным двигателям электроприводов. Чаще всего устанавливают асинхронные

79

двигатели с короткозамкнутым ротором и преобразователями частоты или релейными схемами управления.

Случаи отключения электропитания промежуточных приводов могут быть уменьшены за счет использования независимых вводов. Процесс переключения занимает определенный промежуток времени, что нарушает стабильность

движения грузов на канатно-ленточном конвейере.
Замена	асинхронного	электропривода	вентильно-

индукторным открывает новые возможности для повышения надежности и живучести таких устройств как канатно-ленточный электропривод.

Это связано с тем, что в самом электроприводе заложена возможность одновременно питаться от двух вводов [3-4].

Вентильно-индукторный электропривод можно рассмотреть как систему с внутренним резервированием, причем она работает на общую нагрузку. Его достоинство по сравнению с другими электроприводами состоит в том, что он является как бы объединением нескольких электрических машин, питаемых от собственных преобразователей и источников энергии. Число составляющих элементарных электрических машин в вентильноиндукторном электроприводе определяется количеством вводов, которое используется при построении канатно-ленточного конвейера.

Как показано в работах [1-3], надежность конвейера определяет непрерывность технологического процесса, аварии на

конвейере могут привести к	остановке	всего производства.
Это очень актуально для непрерывных систем.
Рассмотрение вентильно-индукторного электропривода как
сложной системы, работающей	на общую	нагрузку, позволило

разработать математическую модель с позиции управляемости в различных ситуациях и режимах. Результаты исследований показали, что при питании статорных обмоток от своего преобразователя частоты позволят формировать электромагнитный момент синхронно по каждой обмотке, но ещё открывают возможности управления двигателем как машиной с двойным питанием, то есть коммутацию фаз проводить с различными частотами. Это связано с тем, что регулирование электромагнитного момента можно проводить независимо в каждой элементарном электрическом двигателе, работающим на общую нагрузку.

80