Использование учебного стенда Schneider Electric "Частотно-регулируемый электропривод" в учебном процессе

Говоря об энергетике будущего, обычно подразумевают применение возобновляемых и альтернативных источников энергии. Но на самом деле энергетика будущего — это не только выработка экологически чистой и безопасной энергии, но и её экономичное, эффективное использование.

Известно, что более 70 процентов электроэнергии в промышленности потребляется двигателями электроприводов (ЭП) технологических машин и установок. При этом 9 из 10 электродвигателей — это асинхронные двигатели (АД), которые являются наиболее дешёвыми и надёжными. Однако, нередко АД работают в неоптимальных режимах и с неполной нагрузкой, что приводит к снижению КПД и коэффициента мощности таких двигателей, и в результате, к повышенному энергопотреблению.

В настоящее время одним из наиболее перспективных решений с точки зрения энергоэффективности при разработке новых и модернизации существующих промышленных установок является внедрение частотнорегулируемых электроприводов (ЧР ЭП) на основе АД и статического двухзвенного преобразователя частоты (ПЧ). Алгоритмы векторного управления, применяемые в современных ПЧ, позволяют обеспечить оптимальное энергопотребление в различных режимах работы АД при изменении нагрузки в широких пределах [1, 2].

Для эффективного внедрения таких ЭП на реальных объектах, необходимо наличие высококвалифицированных специалистов, способных произвести их качественную установку, настройку и наладку.

С целью подготовки будущих специалистов по внедрению систем ЧР ЭП, на кафедре АПП КарГТУ имеется учебный стенд «Частотнорегулируемый электропривод» MD1AD571EN_ATV71FAP, французской компанией Schneider Electric. Стенд предназначен для изучения процесса работы асинхронного двигателя, управляемого частотным преобразователем ALTIVAR 71. В роли нагрузки на вал двигателя выступает порошковый тормоз, которым можно создать изменение тормозного момента по любому желаемому закону, создаваемому изменением величины магнитного потока, что обеспечивает любую плавность процесса торможения. Датчики контроля двигателя вместе с PLC TSX Micro позволяют воспроизводить различные механические моменты и наблюдать за реакцией двигателя. Общий вид установки показан на рисунке 1.

Рисунок 1  – Общий вид стенда «Частотно-регулируемый электропривод»

Стенд состоит из рабочей и управляющей частей.

Рабочая часть состоит из:

1) Передней панели, содержащей частотный преобразователь ALTIVAR 71, модуль регулирования DGT300+, кнопки и индикаторы.

2) Нижней части, содержащей:

- асинхронный двигатель P = 1,5 кВт при 1500 об / мин;

- тормозной резистор;

- датчик момента MEROBEL;

- съемный диск на валу;

- вентилируемые порошковые тормоза MEROBEL FRAT650;

- тахометр.

Управляющая часть (рисунок 2) состоит из металлической панели, за которой находятся PLC TSX Micro и все электрокоммутационные элементы.

Рисунок 2 – Управляющая часть стенда

Управление двигателем, нагрузкой и частотным преобразователем осуществляется с передней панели стенда. Параметры нагрузки двигателя, осуществляемой посредством вентилируемого порошкового тормоза MEROBEL FRAT650, могут изменяться, как в ручном, так и в автоматическом режиме. Возможно, выбрать один из трех типов изменения значения нагрузки: квадратичный, линейный, экспоненциальный. Наиболее распространенные из них показаны на рисунке 3.

Линейная характеристика - стандартная характеристика, используемая для постоянного момента нагрузки асинхронного электродвигателя.

Характеристика S-типа - характеристика плавного разгона и торможения, которая предотвращает рывки и колебания механизма во время разгона и торможения.

Характеристика U-типа - используется для эффективного разгона и торможения механизмов с вентиляторной и насосной нагрузкой.

Рисунок 3 – Характеристики разгона и торможения

Переходные процессы можно наблюдать с помощью встроенного модуля регулирования DGT300+ (рисунок 4).

Рисунок 4 – Модуль регулирования DGT300+

В виду ограниченного выбора нагрузочных характеристик, была поставлена задача, создать возможность пользователю самому задавать характеристики.

Существующая структура управления стендом представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Структура управления стенда

PLC TSX Micro осуществляет опрос органов управления режимами работы, выдачей сигнала управления порошковым тормозом и управлением скоростью двигателя через частотный преобразователь (ПЧ). Модуль регулирования DGT300+ осуществляет индикацию параметров электропривода и непосредственное управление порошковым тормозом.

Одним из возможных решений увеличения выбора нагрузочных характеристик было бы подключение на свободные вывода PLC дополнительных органов управления, выбирающих новые нагрузочные характеристики со своими параметрами Т. Но в виду защиты паролем программного кода в PLC такой возможности не имеется.

Поэтому был предложен вариант модернизации исключающий модуль DGT300, вместо которого средствами микропроцессорной техники собирается свой собственный модуль управления нагрузки (МУН) (рисунок 6). Теперь PLC занимается только поддержанием скорости, а на новом регуляторе (МУН) с расширенными функциями индикации и органами управления, будут задаваться собственные характеристики, например, как на рисунке 7.

Рисунок 6 – Структура управления с МУН

Рисунок 7 – Заданная пользователем характеристика

Модернизация стенда существенно расширит возможности изучения ЧР ЭП при обучении студентов и магистрантов электротехнических специальностей, а также повышения квалификации инженеров, занимающихся разработкой новых и модернизацией существующих ЭП промышленных установок.