Електропривод постійного і змінного струму, порівняння основних характеристик приводів в

Яке приводное рішення вибрати - DC або AC?

Силові статичні перетворювачі на базі мікропроцесорів, що застосовуються як в приводах змінного, так і постійного струму, в даний час досягли дуже високого технічного рівня, який (в допустимих технологічних межах) в більшості додатків дозволяє використовувати електропривод змінного струму. там де раніше застосовувався привід постійного струму. Однак, традиційний привід постійного струму (1-а й 4-х квадрантний) продовжує відігравати важливу роль, особливо в тих додатках, де потрібно забезпечити високодинамічні режими з постійним моментом обертання, жорсткими вимогами по перевантажувальної здатності в широкому діапазоні швидкостей і рекуперацію енергії назад в мережа.

Головні критерії вибору

Перше, що повинен зробити користувач, це об'єктивно оцінити варіанти, запропоновані на ринку регульованих приводів, технічно відповідають вимогам прикладної задачі / процесу. Головними критеріями цієї оцінки повинні бути:
1. Сукупна вартість регульованого приводу і необхідного додаткового обладнання
2. Поточні експлуатаційні витрати:

• обслуговування;
• виробничі витрати, ККД, і т.д;
• необхідна площа розміщення.

3. Технологічні та інноваційні аспекти:

• динамічний відгук, час розгону; 4-х квадрантні операції; аварійний стоп, і т.д.
• масо-габаритні характеристики.

4. Експлуатаційна надійність, придатність приводів:

• відповідність міжнародним вимогам і стандартам IEC, ГОСТ Р, EN, CE-EMC; CSA, UL, і т.д .;
• умови навколишнього середовища; ступінь захисту корпусу; ремонт "по-місця"

5. Вплив на зовнішнє середовище:

• спотворення напруги
• ЕМС

6. Необхідне простір для перетворювача і двигуна
7. Відведення тепла

Порівняння основних характеристик приводів постійного і змінного струму в промисловому застосуванні

Привід постійного струму

У першому наближенні істотних відмінностей між цими приводами не так і багато; однак, при більш детальному розгляді, виявляються характерні особливості приводів і відмінність фізичних принципів функціонування. Дале в статті розкриваються аспекти відмінності приводів за наступними пунктами:

• характеристики двигунів, як електромеханічних перетворювачів
• характеристики перетворювачів електричної енергії
• 4-х квадрантні приводи
• вплив на навколишнє середовище
• модернізація приводів постійного струму

Відмінності між двигунами постійного і змінного струму

Більшість користувачів мають таке загальне уявлення про електродвигунах: «Двигуни постійного струму складні, що вимагають частого обслуговування, що робить їх експлуатацію дорогою; до того ж вони мають низький ступінь захисту. Двигуни змінного струму (асинхронні двигуни) прості і надійні, не потребують обслуговування, мають більш низьку ціну, і крім того більш високу ступінь захисту ». Така класифікація може бути вірною для багатьох простих застосувань; ті не менше цей загальний вердикт бажано піддати більш ретельному розгляду!

Механічна характеристика приводів постійного струму

Механічна характеристика частотно-регульованих приводів

Зазвичай використовується незалежна вентиляція (прим. В 85% регульованих приводів до 250 kW) гарантує хороший відвід тепла від ротора двигуна постійного струму у всьому діапазоні швидкостей.

Зазвичай використовується самовентиляція (прим. В 90% регульованих приводів до 250 kW) в стандартних асинхронних двигунах не є ефективною в усьому діапазоні швидкостей. На низьких швидкостях відведення тепла фактично неможливий.

Типові застосування, що вимагають забезпечення постійного моменту в широкому діапазоні швидкостей: волочильні стани, поршневі компресори, підйомні механізми, канатні дороги, екструдери.

Типові застосування зі зниженим моментом на низькій швидкості, відповідні характеристиці на рис. 4: насоси, вентилятори, і ін. З квадратичною залежністю навантаження від швидкості.

Характеристики відносини потужності і швидкості в режимі S1 двигунів постійного і змінного струму:

(1) На відміну від стандартного асинхронного двигуна з фіксованою базовою (номінальної) частотою обертання (синхронні швидкості 3000 / -1500 / 1000 /. Об / хв на 50 Гц), двигун постійного струму може бути спроектований з базової частота обертання в діапазоні приблизно від 300 до 4000 об / хв для кожної робочої точки.
(2) В залежності від типорозміру двигуни постійного струму (як компенсувати, так і не компенсувати) можуть мати область роботи з ослабленням поля 1. 3 або 1. 5.
(3) Обмеження потужності пов'язано з максимальним моментом асинхронного двигуна, зменшується назад квадрату швидкості (1 / n2).
(4) Обмеження потужності пов'язане зі зменшенням комутаційної здатності колекторного двигуна постійного струму.

Порівняння робочих характеристик двигунів показує, що двигун постійного струму вигідніше асинхронного при тривалій роботі на низьких швидкостях і для широкого діапазону швидкостей при постійній потужності. Перевантажувальна здатність в короткочасному режимі залежить не тільки від параметрів двигуна, але в великій мірі від характеристик перетворювача частоти / тиристорного перетворювача.
Чим ширше діапазон швидкостей, в якому двигун може видати максимальну потужність, тим він краще може бути адаптований до процесів, які вимагають забезпечення постійного моменту у всьому діапазоні швидкостей.
Типове застосування: намотувальні пристрої.

• Типорозміри, моменти інерції і час розгону:
Основні технічні відмінності двигунів постійного і змінного струму. методи формування магнітного потоку і розсіювання втрат потужності також обумовлюють різні розміри (висоту осі обертання валу H) і момент інерції ротора (Jrotor), при одному і тому ж номінальному моменті обертання двигуна.
Двигуни постійного струму мають значно меншу висоту осі обертання H і масу ротора, ніж асинхронні двигуни, і отже володію більш низьким моментом інерції ротора Jrotor, що є суттєвою перевагою в високодинамічних застосуваннях, таких як випробувальні стенди, летючі ножиці, і реверсивні приводи, так як це впливає на час розгону і динамічний відгук двигуна в 4-х квадрантних додатках (в рухових і гальмівних режимах).

• Широкий діапазон швидкостей при постійній потужності (робота з ослабленням поля або діапазон регулювання збудження):
Для спеціалізованих приводних додатків, як привід намотчика і размотчика, випробувальний стенд, лебідка і т.д. потрібно дуже широкий діапазон швидкостей при постійній потужності. В цьому випадку, традиційний режим роботи з ослабленням поля двигуна постійного струму з незалежним збудженням є особливо економічно ефективним. Це означає: широкий діапазон швидкостей, при якому двигун може видавати максимальну потужність (довжина горизонтальної лінії характеристики на рис.5 від nG до n1), потрібно менший запас по потужності двигуна Pmax (motor) / Pmax (load).

• Ступінь захисту двигуна:
Історично склалося так, що починаючи з 20-х років, двигуни постійного струму розроблялися в основному для регульованих приводів, що зумовило застосування в них внутрішньої форсованої незалежної вентиляції (прим. В 85% двигунів до 250 kW). Стандартні асинхронні двигуни активно почали застосовуватися в 70-х / 80-х роках і в більшості своїй (прим. 90% до 250 kW) проводилися з поверхневою самовентиляцією, так як частотно-регульовані приводи тоді не були широко поширені. Фактично всі асинхронні двигуни потужністю, прим. до 1400 kW мають ступінь захисту IP 54, як стандарт, завдяки їх простій і міцної конструкції. Для експлуатації в зонах з підвищеною небезпекою, практично виключно використовуються вибухозахищені асинхронні двигуни. Асинхронний двигун відіграв для себе провідну позицію і довів свою ефективність в тих секторах промисловості, які характеризуються агресивними умовами навколишнього середовища, високим ступенем забрудненості та запиленості.

• Маса і місце для установки двигуна:
Нижчі маса і габарити двигунів постійного струму (стандартна ступінь захисту IP 23) в порівнянні з асинхронними двигунами (стандартна ступінь захисту IP 54) особливо важливі для додатків, де двигун повинен переміщатися разом з вантажем (напр. Для великих підйомних, мостових кранів), або в системах, де важливо компактне розміщення (бурові установки, підйомники для гірськолижних трас, морські застосування, друкарські машини, і т.д.).

Відмінності між тиристорн перетворювачами постійного струму і перетворювачами частоти

• Комутація і перетворення електричної енергії:

Структурна схема 1-квадрантного приводу постійного струму

Перехід струму від одного тиристора до іншого починається з пускового імпульсу, і після цього триває в лінійно взаємопов'язаному режимі. Це означає, що напруга між комутованими фазами мережі поляризується таким чином, що струм знову відкривається тиристора збільшується, і замикає попередній тиристор, знижуючи його ток до нуля. Комутація тиристорів проводиться природним шляхом (напругою мережі) при переході струму через нуль і замикання тиристорів відбувається без будь-яких проблем навіть при значного перевантаження. Тому тиристори можуть вибиратися не по піковому струму, а по Середньодіюча номінального струму навантаження.

Структурна схема перетворювача частоти

Хоча вхідний випрямляючий міст перетворювача частоти працює подібно приводу постійного струму, однак випрямленний їм струм повинен бути перетворений назад в 3-х фазний змінний за допомогою інвертора. Так як у постійного струму немає ніяких переходів через нуль, то переключають елементи (IGBT транзистори) повинні переривати повний струм навантаження. Коли IGBT транзистор закривається, струм проходить через зворотний діод на протилежний полюс напруги постійного струму. Перемикання відбувається без контролю напруги, але воно можливе в будь-який час незалежно від форми мережевої напруги.

результат:
Комутація в перетворювачах частоти відбувається з великою частотою і в вихідній напрузі з'являється високочастотна складова, і можуть виникнути проблеми з електромагнітною сумісністю.
У перетворювачах постійного струму є тільки один контур перетворення енергії (AC → DC). У перетворювачах частоти два контури перетворення енергії (AC → DC і DC → AC), тобто втрати потужності подвоюються в порівнянні з приводами постійного струму.
Втрати потужності, отримані емпіричним шляхом наступні: ППТ - 0.8%. 1.5% від номінальної потужності; ЧРП - 2%. 3.5% від номінальної потужності.
Місце, необхідну для розміщення шафи перетворювача потужністю від 100 kW: ППТ - 100%, ЧРП - 130%. 300%. Ця перевага приводів постійного струму зумовлює зменшення розміру і вартості електрошафи і системи охолодження.

• Вихідні струми перетворювачів змінного і постійного струму; шум двигуна; навантаження на ізоляцію обмоток, електромагнітна сумісність (ЕМС):