Главная Статьи Промышленная автоматизация
Промышленная автоматизация


Применение активных выпрямителей
23.04.2013 13:01

Активный выпрямитель (AFE)

Выпрямитель – это преобразователь переменного напряжения в постоянное. Неуправляемые выпрямители выполняются на базе диодов, управляемые – на базе тиристоров или других управляемых вентильных приборов. Принцип выпрямления основан на использовании свойств силовых электронных вентилей проводить однонаправленный ток для преобразования переменного тока в постоянный без существенных потерь энергии. Выпрямители потребляют из сети несинусоидальный ток.

Процесс управления выпрямителем приводит к повышению коэффициентов несинусоидальности как тока, так и напряжения.

Проблемы возникают следующие:

  1. искажение формы питающего напряжения;
  2. падение напряжения в распределительной сети;
  3. резонансные явления на частотах высших гармоник;
  4. наводки в телекоммуникационных и управляющих сетях;
  5. повышенный акустический шум в электромагнитном оборудовании;
  6. вибрация в электромашинных системах;
  7. снижение электрического и механического КПД нагрузок;
  8. ухудшение характеристик защитных автоматов;
  9. завышению требуемой мощности автономных электроэнергетических установок;
  10. нагрев и дополнительные потери в трансформаторах и электрических машинах;
  11. нагрев конденсаторов;
  12. нагрев кабелей распределительной сети.

Для устранения отмеченных выше недостатков можно рекомендовать активный выпрямитель (рис.1).

 

Активный выпрямитель с функцией рекуперации

Такие выпрямители комплектуются полностью управляемыми вентилями с обратными диодами. С помощью широтно-импульсной модуляции реализуются режимы принудительного формирования сетевого тока. Форму тока приближают к синусоидальной с регулируемой начальной фазой, что и обеспечивает желаемый результат (форму кривой тока и коэффициент мощности). При помощи коррекции коэффициента мощности возможно не только организовать потребляемый ток сети, совпадающий по форме и фазе с напряжением, но и обеспечить заданный уровень постоянного напряжения на конденсаторе. Кроме того, в электроприводе за счет связи инвертора-выпрямителя с питающей сетью, возможна обратная рекуперация энергии, получаемая при работе привода в генераторном режиме.

Наиболее массовое практическое применение в системах регулируемых электроприводов переменного тока получили двухзвенные преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока, а из них – преобразователи с автономными инверторами напряжения.

У этого преобразователя недостаточно полно проработаны некоторые вопросы энергосбережения, качества электропотребления и электромагнитной совместимости преобразователей. При использовании пассивного выпрямителя, состоящего из диодного моста и фильтрующего конденсатора, несмотря на малые пульсации выпрямленного выходного напряжения на входе получаем несинусоидальный ток с большими пиковыми значениями. Это значительно понижает коэффициент мощности системы, вызывает существенные радиопомехи. Улучшить форму тока можно путем внесения в цепь дополнительных пассивных элементов. Но это приводит к увеличению массогабаритных показателей устройства, так как реактивные компоненты в таком случае работают на относительно низких частотах. Кроме этого выпрямитель подразумевает поток энергии только в одном направлении от сети в нагрузку. Проблему перенапряжения в звене постоянного тока, возникающую при торможении привода (особенно при большой мощности) в этом типе преобразователя приходится решать с помощью тормозного резистора очень большой мощности, просто рассеивая выделяющуюся энергию в тепло (рис.2).

Стандартное подключение ПЧ

На рис.3 представлены способы управления энергией при работе частотного электропривода.

Управление энергией

Улучшить показатели преобразователей частоты помогает использования в звене постоянного тока выпрямителей с принудительной коммутацией. Структуру силовых цепей двухзвенного ПЧ с активным выпрямителем напряжения иллюстрирует рис.4. В силовой цепи последовательно включены активный выпрямитель напряжения (АВН), фильтр Ф и автономный инвертор напряжения АИН. Силовые полупроводниковые переключающие элементы выпрямителя и инвертора, обладающие полной управляемостью и двусторонней проводимостью тока, условно показаны в виде ключей. Выпрямитель АВН, выполненный по трехфазной мостовой схеме, преобразует напряжение питающей сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока Ud на конденсаторе фильтра. Трехфазный мостовой АИН работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и преобразует это постоянное напряжение в переменное напряжение на выходе с требуемыми значениями частоты и амплитуды основной гармоники. Это обеспечивает благоприятную форму тока двигателя и равномерность его вращения в широком диапазоне скоростей.

 

Структура силовых цепей двхзвенного ПЧ

выпрямителем и автономным инвертором напряжения


Активный выпрямитель выполняется по схеме, полностью идентичной схеме инвертора и по существу представляет собой обращенный АИН, также работающий в режиме ШИМ. Так же, как и автономный инвертор, активный выпрямитель инвертирует постоянное напряжение фильтрового конденсатора Ud в импульсное напряжение на своих зажимах переменного тока А, В и С. Эти зажимы связаны с питающей сетью через буферные реакторы БР. В отличие от регулируемой рабочей (полезной) частоты напряжения на зажимах переменного тока АИН А1, В1 и С1 рабочая частота напряжения на зажимах переменного тока АВН постоянна и равна частоте питающей сети. Разность мгновенных значений синусоидального напряжения питающей сети и импульсного напряжения на зажимах переменного тока АВН воспринимаются буферными реакторами БР, являющимися неотъемлемыми элементами системы, индуктивность обеспечивает повышающий режим работы преобразователя. Благодаря использованию режима ШИМ импульсное напряжение, формируемое активным выпрямителем на стороне переменного тока, имеет благоприятный гармонический состав, в котором основная (полезная) гармоника и высшие гармоники существенно различаются по частоте. Это создает благоприятные условия для фильтрации высших гармоник тока, потребляемого из питающей сети, буферными реакторами. Таким образом решается задача потребления из сети практически синусоидального тока.
Фазовый угол потребляемого тока зависит от соотношения амплитуд и фазовых углов напряжений, приложенных к реакторам со стороны сети и со стороны активного выпрямителя, а также от параметров (индуктивности и активного сопротивления) реактора. Варьируя с помощью системы управления АВН параметрами основной гармоники его переменного напряжения на зажимах А1, В1 и С1, можно обеспечить потребление из сети необходимого тока с заданным фазовым углом. Иными словами, можно обеспечить работу преобразователя частоты с заданным значением коэффициента мощности, например равным единице, либо «опережающим», либо «отстающим» коэффициентом мощности.
Как преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока автономный инвертор обладает чрезвычайно ценным свойством – возможностью двустороннего энергетического обмена между сетями постоянного и переменного тока. Это свойство сохраняется и в инверсной схеме включения автономного инвертора в качестве активного выпрямителя. В итоге двухзвенный ПЧ с активным выпрямителем обеспечивает двусторонний энергетический обмен между питающей сетью и электрическим двигателем, в том числе режимы рекуперации энергии в питающую сеть. Благодаря этому возможно построение энергосберегающих систем электропривода в различных сферах применения с высоким качеством потребления электроэнергии (Рис.5).

Коррекция коэффициента мощности

Компания Delta Electronics предлагает на отечественном рынке модуль рекуперации AFE 2000 не случайно. На настоящий момент для многих предприятий становится существенным рост тарифов за электроэнергию, что влечет повышение стоимости конечного товара, необходимость улучшения качества промышленной сети. Также было принято законодательное решение о мерах по экономии электроэнергии, энергосбережению. Компания «Элпрон» предлагает установку активных рекуператоров «под ключ», то есть от проведения исследований и экономического обоснования до монтажа на объекте.

 
Скважинные насосы для перекачивания холодной воды
08.10.2012 08:12

Скважинные насосы для перекачивания холодной воды

Скважинный насос — насос, погружаемый ниже уровня перекачиваемой жидкости. На рис. 1 представлены насосы ЭЦВ.

Скважинные насосы для перекачивания холодной воды

Существует два типа скважинных насосов: погружной скважинный насос с погружным электродвигателем и глубинный (штанговый) скважинный насос с сухим электродвигателем, соединенным с насосом длинным валом. Оба типа насосов изготавливаются для установки в глубоких и узких скважинах и поэтому имеют небольшой диаметр и увеличенную по сравнению с другими типами насосов длину. 
Скважинные насосы специально разработаны для работы в жидкости, поэтому оснащены погружными электродвигателями с классом защиты IP68. При этом электродвигатели охлаждаются с помощью протекающей жидкости. Насосы бывают одноступенчатые и многоступенчатые (используются наиболее часто), в верхней части установлен обратный клапан.
Погружные электродвигатели при максимально допустимой температуре рабочей жидкости и полной нагрузке должны охлаждаться при скорости потока охлаждающей жидкости не менее 0,15м/с, поскольку при такой скорости возникает турбулентный поток. Этот поток обеспечивается при определенном минимальном потоке насоса.
В настоящее время для перекачивания холодной воды наибольшее распространение получили скважинные насосы.
На рис. 2 представлен вид скважины с установленным насосом.

Скважинные насосы для перекачивания холодной воды
На рис. 2 представлены: 1 – скважинный электронасос, 2 – хомуты крепления кабеля электропритания, 3 - датчики контроля уровня ( защита от «сухого хода»), 4 – анкеровка крепежных тросов электронасоса на крышке скважины, 5 – манометр, 6 – обратный клапан, 7 – заслонка регулирования расхода, 8 – кабель электропитания, 9 – пульт управления с датчиками уровня, 10 – емкость системы поддержания давления, 11 – реле давления, 12 – электроклапан/электрокомпрессор.

Возможность применения насосных станций с частотно-регулируемым электроприводом

В случае значительных колебаний водопотребления с высокими пиками и , соответственно, резкими снижениями уровня подземных вод или высоким противодавлением предусматривают частотное регулирование насоса с помощью преобразователя частоты и датчика давления.
Пуск электродвигателя с помощью преобразователя частоты представляет собой идеальный вариант для уменьшения пускового тока, а также в этом случае не создается скачок давления в системе.
На рис. 3. изображены графики пуска насоса

Скважинные насосы для перекачивания холодной воды

Рис. 3. График пусковых токов при работе от частотного преобразователя
Пусковой ток все время удерживается на уровне номинального тока электродвигателя. Поэтому число включений и отключений в течение часа может быть установлено любым.
Применение преобразователей частоты для погружных электродвигателей возможно при соблюдении следующих условий:
1. Частотный преобразователь должен быть оснащен LC или RC-фильтром (для защиты от пиковых напряжений свыше 850 В)
2. Скорость потока охлаждающей жидкости, обтекающего электродвигатель, должна быть не менее 0,5м/с. Если в скважине не создается достаточно быстрого потока для обтекания электродвигателя, то следует оснастить его охлаждающим кожухом.
3. В некоторых случаях рекомендуется применять электродвигатель с определенным запасом по мощности.
4. Значение минимальной частоты вращения электродвигателя должно быть не менее 30 Гц, что позволяет обеспечить смазывание осевой опоры.
5. снижение номинального расхода насоса менее чем на 10% недопустимо, независимо от частоты и должно предотвращаться с помощью следующих трех способов:
- на основании рабочей характеристики насоса и характеристики системы следует определить минимально допустимую частоту. Значение этой частоты устанавливается на преобразователе частоты. На практике полученные при расчетах значения проверяют с помощью расходомера.;
- на расходомере, соединенном с частотным преобразователем, устанавливают минимальное значение расхода и при этом значении отключают электродвигатель. Полученное значение можно связать зависимостью с минимальным давлением, установленным на реле давления;
- простейшим способом является установка реле протока на напорной стороне каждого насоса. Реле отключает силовой контактор, как только величина потока станет меньше номинального значения на 10%
При соблюдении вышеуказанных условий можно ожидать приемлемого срока службы электродвигателя.
Частотное регулирование обычно не повышает экономическую эффективность скважинных насосов, но снижает необходимость в крупных резервуарах и соответствующей площади под них. Кроме того, частотное регулирование уменьшает гидравлические удары в системе трубопроводов, а также постоянные колебания уровня воды в скважине при включении и отключении насоса.

 

 
Каскадное управление насосами
10.07.2012 12:51

Преобразователь частоты (ПЧ) в системе управления насосными установками, позволяет не только эффективно экономить потребляемую электроэнергию, но и решать множество технологических задач. Так, возникает необходимость попеременной работы насосов, в целях равномерного износа оборудования, что может быть реализовано с помощью каскадного регулирования. Так же каскадное управление позволяет достигать заданной величины давления, путем поочередного ввода в работу двигателей.
Периодическое чередование двигателей для равномерного износа насосного оборудования, реализуется путем задания времени работы каждого насоса и временных задержек на включение последующих насосов. Первый насос подключается к преобразователю частоты на определённое время, которое можно задать в настройках преобразователя, затем он отключается и через время задержки включается следующий насос и так далее для всех насосов в системе. Схема, приведенная ниже, поясняет данный режим каскадного управления (рис. 1).

Каскадное управление насосами

Для поочередного ввода двигателей в работу применяется каскадное управление с периодическим чередованием мастер-насоса.
На рис.2 представлена принципиальная схема каскадного управления насосами с периодическим чередованием мастер-насоса.

Каскадное управление насосами

Данная схема работает следующим образом:
1. При включении питания включается контактор КМ2 и двигатель М1 начинает работать от преобразователя частоты, увеличение частоты происходит до достижения заданной величины давления.
2. Если текущее давление меньше заданного (т.е. производительности одного насоса недостаточно), то двигатель М1 отключается от преобразователя частоты и через контактор КМ1 подключается к питающей сети. Контактор КМ4 включается и двигатель М2 подключается к преобразователю частоты. Повышение частоты вращения происходит до достижения заданной величины давления.
3. Если давление ниже заданного при двух двигателях, аналогично к преобразователю частоты подключается двигатель М3, а М2 подключается к сети (включается контактор КМ3). Таким же образом реализуется включение М4, если текущее давление не достигнет заданного значения.
Следующая схема реализует еще один вид каскадного управления. На рис.3. принципиальная схема каскадного управления насосами с последовательным подключением двигателей к сети.

 

Каскадное управление насосами

Каскадное управление позволяет реализовать последовательное подключение двигателей к сети. При этом один двигатель постоянно питается от преобразователя частоты, разгоняясь до максимального значения, затем второй двигатель подключается к сети напрямую (включается контактор КМ1) через время заданное в параметрах преобразователя, далее аналогичная коммутация производится со следующим двигателем (включается контактор КМ2), далее аналогично происходит подключение других двигателей.
Схемы на рис. 2, 3 могут быть применены только при мощности двигателей до 50 кВт, так как переключение электродвигателя большой мощности от ПЧ на сеть или прямой пуск будет сопровождаться высоким скачком тока. Не исключена также возможность появления гидроудара при переключениях.
Каскадное управление может быть реализовано подключением каждого двигателя к преобразователю частоты. Схема изображена на рис.4.

Каскадное управление насосами

На насосной станции очень часто электрошкафы запитываются с двух вводов через автоматический ввод резерва (АВР), реализованный на контакторах КМ1-КМ4. Преимуществом данной схемы является простота реализации, отсутствие коммутационной аппаратуры между ПЧ и электродвигателем, полное исключение гидроударов в системе, а также широкий диапазон регулирования давления.
Одним из способов удешевления схемы на рис. 4 является применение устройств плавного пуска (УПП), но при этом алгоритм работы насосных агрегатов изменится. Схема изображена на рис. 5.

Каскадное управление насосами

В приведенной схеме будет исключена возможность гидроударов, а стоимость будет меньше по сравнению с покупкой 4 ПЧ.
Существуют и другие системы каскадного управления насосами, но все они на современном этапе развития предполагают использование хотя бы одного частотного преобразователя при необходимости регулирования давления либо расхода или устройств плавного пуска. Экономия электроэнергии при применении ПЧ и УПП по сравнению с другими вариантами регулирования уже ни у кого не вызывает сомнения.

Автор Кулешов Алексей Николаевич

 
«ПерваяПредыдущая123456СледующаяПоследняя»

Страница 2 из 6