Оценка применения частотно-регулируемого привода конвейера

Одним из путей решения увеличения производительности труда является повышение уровня автоматизации производства, что может быть достигнуто за счет оптимизации режимов работы оборудования.

Конвейеры имеют важную роль в современных технологических процессах. Их применение позволяет увеличить производства труда.

Аналоговые комплексы автоматизированного управления конвейерами, широко применяемые в настоящее время, заметно снижают производительность. В связи с этим возникает необходимость в автоматизированных системах контроля и управления ленточными конвейерами, построенных на современных устройствах.

Конвейеры классифицируются по принципу работы, конструктивной составляющей и по области применения. АСУ конвейерных установок осуществляют следующие функции: автоматизация запуска и остановки конвейерных машин с центрального пульта управления; проверка оборудования перед ее запуском; осуществление дополнительных задач в процессе перемещения материалов.

Ленточные конвейеры являются наиболее распространенными видами и применяются в машиностроении, приборостроении, на открытых горных работах и в шахтах. Основой конвейера представляется бесконечно-замкнутая упругая лента. Движение ленты осуществляется с помощью барабанов, которые приводятся в движения электроприводом через редуктор.Долгое время в приводах конвейеров использовались нерегулируемые электроприводы на базе асинхронного двигателя. В связи с повышением требований к качеству технологических процессов появилась необходимость в регулировании скорости приводов.

Частотный преобразователь позволяет осуществлять регулирование частоты вращения асинхронного двигателя. Современные частотные преобразователи подходят как для однодвигательных систем, так и для многодвигательных. Применение частотных преобразователей позволяет решить следующие задачи: плавный пуск; плавная остановка; оперативное изменение динамики разгона и торможения. Частотный преобразователь позволяет изменять скорость нелинейно. С помощью точного управления вращательным моментом частотный преобразователь исключает вероятность «опрокидывания». Система обратной связи даёт возможность точно контролировать текущую скорость и реагировать на ее отклонение. Поэтому двигатель может поддерживать заданную скорость очень точно. Когда конвейер приводится в движение несколькими двигателями, их работа должна быть синхронизирована. Эта задача также эффективно решается с помощью частотного преобразователя.Структурная схема преобразователя частоты представлена на рисунке 1. Преобразователь состоит из следующих основных частей: звена постоянного тока (ЗПТ), содержащего неуправляемый выпрямитель с фильтром рисунок 2; мостового трехфазного инвертора, выполненного на IGBT-транзисторах; системы управления; блока питания БП; датчиков тока ДТ. Выпрямитель осуществляет преобразование трехфазного переменного напряжения сети питания в выпрямленное напряжение постоянной амплитуды.

Инвертор посредством широтно-импульсного модулирования преобразует постоянное напряжение в переменное квазисинусоидальное регулируемой частотой f и амплитудой U. Через цепь постоянного тока передается активная мощность из сети к двигателю. Для циркуляции реактивной мощности, которая необходима для создания электромагнитного поля асинхронного двигателя, образуется цепь: обмотки статора двигателя — обратные диоды, шунтирующие транзисторные ключи — конденсаторы фильтра. При запирании ключей индуктивные токи замыкаются через диоды на конденсатор фильтра, не вызывая перенапряжений.

Силовой блок

Рисунок 2 - Принципиальная схема звена постоянного тока (ЗПТ)

Рисунок 1- Структурная схема преобразователей частоты преобразователя частоты

Rогр — резистор ограничения тока заряда конденсатора;

Rторм -тормозной резистор; ТК — транзисторный ключ;

Сф — конденсатор фильтра;

Целю выполненой работы является подтверждение выбранного решения по замене нерегулируемого асинхронного электропривода на регулируемый, с преобразователем частоты. Было принято решение сравнительный анализ проводить по результатам имитационного моделирования.

Для этого были разработаны имитационные модели асинхронного электропривода с прямым пуском и с применением частотного преобразователя.

Для моделирования был выбран пакет прикладных программ Simulink. Он входит в программный пакет MatLab, предназначенный для аналитического и численного решения математических задач, а также для моделирования электротехнических и электромеханических систем. MatLab получил наиболее распространенное применение в инженерной практике.

Библиотека блоков SimPowerSystems является одной из множества дополнительных библиотек Simulink, ориентированных на моделирование электромеханических и электроэнергетических систем и устройств. SimPowerSystems содержит набор блоков для имитационного моделирования электротехнических устройств. В состав библиотеки входят модели пассивных и активных электротехнических элементов, источников энергии, электродвигателей, трансформаторов, линий электропередачи и прочего оборудования.

Применяя возможности Simulink, SimPowerSystems и других библиотек, было проведено моделирование и сравнительный анализ нерегулируемого асинхронного электропривода и регулируемого, с преобразователем частоты.

В таблице 1 приведены справочные данные двигателя, применяемые в процессе построения имитационной модели. На рисунке 3 приведена модель прямого пуска асинхронного двигателя.

Перед началом моделирования необходимо перенести в окно настроек параметров модели параметры двигателя. Окно параметрирования двигателя приведено на рисунке 4.

Таблица 1 – Параметры асинхронного двигателя для моделирования

Наименование параметра	Значение
Мощность	200 кВт
Синхронная частота вращения	1000 об/мин
Номинальная частота вращения	978 об/мин
Номинальное скольжение	2,2 %
КПД	0,945
Коэффициент мощности	0,9
Номинальное напряжение	1140 В
Отношение пускового тока к номинальному	7
Отношение пускового момента к номинальному	1,6
Момент инерции	8,8 кг*м2
Число пар полюсов	3

Рисунок 3 - Модель прямого пуска асинхронного двигателя

В процессе моделирования было оценено соответствие рассматриваемой модели реальному электроприводу. Для этого рассматривались различные режимы работы электропривода, такие как: пуск на холостом ходу; пуск под нагрузкой; изменение знака момента сопротивления на валу двигателя; торможение двигателя свободным выбегом без нагрузки и т.д. Во всех рассматриваемых режимах поведение разработанной модели соответствовало поведению реального электропривода с асинхронным двигателем.

По результатам проведенного моделирования мы получили динамические зависимости двигателя (ток статора, частоту вращения, двигательный момент) при прямом пуске под нагрузкой. На рисунке 5 приведена часть результатов моделирования, отражающая ток статора, частоту вращения и двигательный момент при прямом пуске асинхронного двигателя.

Рисунок 4 - Окно параметров асинхронного двигателя в пакете Simulink

По результатам проведенного моделирования мы получили динамические зависимости двигателя (ток статора, частоту вращения, двигательный момент) при прямом пуске под нагрузкой. * Scope3                                                                                      -OX

Рисунок 5 – Ток статора, частота вращения и двигательный момент при прямом пуске под нагрузкой асинхронного двигателя

Далее была разработана имитационная модель асинхронного двигателя с преобразователем частоты и автономным инвертором напряжения. Реализация разработанной математической модели, также как и при прямом пуске, осуществлялась с помощью пакета программ MatLab (приложения Simulink и библиотеки SimPowerSystems).

Регулирование скорости асинхронного двигателя возможно изменением напряжения и частоты источника питания, который может работать в режиме источника напряжения или источника тока. Следовательно, регулирование скорости и момента на валу электродвигателя возможно изменением напряжения источника питания при f = const, изменением частоты и напряжения источника питания (скалярное частотное управление), изменением частоты и тока статорной обмотки (скалярное частотно-токовое управление), изменением частоты и текущих значений переменных асинхронного двигателя и взаимной ориентацией их векторов в полярной или декартовой системе координат (векторное управление).

На рисунке 5 приведена имитационная модель частотно-регулируемого привода асинхронным двигателем. На рисунке 6 приведена подробная модель системы электропривода ПЧ-АДКЗ с АИ.

Рисунок 6 - Структура модели асинхронного двигателя с преобразователем частоты и автономным инвертором напряжения На рисунке 7 приведена часть результатов моделирования, отражающая ток статора, частоту вращения и двигательный момент при пуске асинхронного двигателя с преобразователем частоты. Применение преобразователя частоты позволяет сформировать любую желаемую диаграмму разгона (и торможения) асинхронного двигателя. Анализируя результаты моделирования прямого пуска асинхронного привода видно, что в течении разгона ток статора двигателя превышает ток статора после завершения разгона более чем в 8 раз.

Рисунок 7 - Структура блока системы электропривода ПЧ-АДКЗ с АИН

Анализируя результаты моделирования пуска асинхронного привода с преобразователем частоты видно, что ограничение динамики разгона за счет ограничения заданной скорости снизило превышение пускового тока. В приведенном эксперименте пусковой ток не превышает рабочий больше, чем в 2 раза.

Рисунок 8 – Ток статора, частота вращения и двигательный момент при пуске асинхронного двигателя с преобразователем частоты и автономным инвертором напряжения.

Также, из приведенных графиков видно, что наличие активного момента сопротивления в момент пуска начинает раскручивать двигатель в направлении, противоположном заданному.

Выводы:

Предложенное решение по введению в асинхронный электропривод частотного преобразователя оправданно, так как помимо появившейся возможности улучшения управляемости технологическим процессом, пусковые токи существенно снижаются. Снижение пусковых токов позволяет упростить систему электроснабжения привода и повысить селективность системы токовой защиты.