В настоящее время вентильный электропривод широко применяется во всех отраслях промышленности, на транспорте в бытовой технике. Можно привести следующие области применения:
- химическая промышленность - перекачка, перемешивание компонентов.
- нефтяная и газовая - транспортирование углеводородов
- транспортная – тяговый электропривод траллейбусов, трамваев, электровозов, тепловозов, электропоездов, поездов метрополитена, электрокары, электропогрузчики и.т.д.
- добывающая- электропривод карьерных и шахтных электровозов, транспортных механизмов, привод буровых установок
-автомобильная – электропривод большегрузных автомобилей (БЕЛАЗ). Проводятся интенсивные работы по созданию легковых автомобилей с вентильным электроприводом, основная проблема здесь в мощном и компактном источнике энергии.
-строительная- крановый привод, привод подъемных механизмов
Применение полупроводниковых преобразователей в электроприводах позволяет достигнуть повышенного быстродействия, улучшить энергетические и весовые показатели. КПД полупроводниковых преобразователей выше КПД электромашинных и ионных устройств.
В предыдущей лекции мы рассмотрели классификацию вентильного электропривода с точки зрения его механической части т.е. передаточного устройства (трансмиссии), рабочего механизма.
Обобщенная структура вентильного электропривода состоит из (Рис.1)
Рисунок 1. – Схема автоматизированного электропривода
- управляемого механизма, преобразующего электрическую энергию в механическую – это электрическая машина.
- управляющего устройства УУ, вентильного полупроводникового преобразователя с системой управления преобразующего электрическую энергию источника питания (сеть, аккумуляторы, и.т.д.) в электрическую энергию необходимую для функционирования и реализации требуемых параметров электрической машины.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что вид управляющего устройства, его параметры, схемотехника, характеристики и даже конструктивное исполнение целиком и полностью определяются типом электрической машины, ее параметрами и областью применения. Конструктивное исполнение вентильного электропривода во многом определяется его областью применения. Конструкция управляющего устройства (преобразователя) для одного и того же типа электрической машины может резко отличаться в зависимости от области применения. Например вентильный преобразователь для тягового привода конструктивно, да и схемно тоже, значительно отличается от подобного преобразователя для общепромышленного электропривода.
Классификация вентильного электропривода по типам электрических машин представлена на (Рис.2).
Здесь вентильный электропривод по типам машин подразделяется на привод для управления:
- двигателей постоянного тока
- двигателей переменного тока (асинхронных и синхронных)
- индукторных двигателей
- шаговых двигателей
- линейных двигателей.
Следует заметить, что существует большое количество других двигателей, например коллекторных переменного тока и других которые имеют очень специализированное применение и здесь не рассматриваются.
В свою очередь вентильный электропривод двигателей постоянного тока может быть реализован с помощью вентильных преобразователей выпрямительного типа (при наличии сети переменного тока) или с помощью импульсного регулирования (при наличии сети постоянного тока или питании от аккумуляторных батарей). (Рис 3).
Управляемый выпрямитель получает питание от источника переменного напряжения. Регулирование основано на принципе фазового управления тиристоров. Принцип работы импульсного регулятора основан на периодическом прерывании напряжения источника питания, подаваемого на двигатель. Изменяя соотношение между длительностью импульса и пауза можно регулировать постоянную составляющую выходного напряжения и скорость двигателя в широких пределах. Основное применение вентильного электропривода с управляемыми выпрямителями находят в специальном промышленном приводе прокатных станов и тяговом электроприводе элетроподвижного состава переменного тока (электровозы, электропоезда). Вентильный электропривод с импульсными регуляторами в основном применяется в электрокарах, электропогрузчиках с аккумуляторным питанием, а также на элетроподвижном составе постоянного тока (электровозы, трамваи, троллейбусы, поезда метрополитена).
Электрические машины переменного тока можно разделить на две большие группы –асинхронные двигатель и синхронные двигатели. Особенности двигателей в данной дисциплине подробно не рассматриваются, для этого существует специальный курс «Электрические машины».
Привод асинхронных машин реализуется либо с помощью тиристорного коммутатора-регулятора с фазным управлением. Это наиболее дешевый способ регулирования, служащий в основном для плавного пуска, реверса и торможения. (Рис 4).
Тиристорный коммутатор, как и управляемый выпрямитель имеет естественную коммутацию и фазовое управление, предназначенное для регулирования амплитуды основной гармоники напряжения. Применение непосредственных преобразователей частоты позволяет обеспечить регулирование числа оборотов исполнительного двигателя в диапазоне частот питающей сети от 0 до 50 Гц.
Основное применение в настоящее время находит вентильный электропривод асинхронных двигателей с помощью автономных инверторов напряжения построенных на полностью управляемых полупроводниковых приборах. (Рис. 5).
Здесь выделяются два способа регулирования:
- амплитудное регулирование
- широтно-импульсная модуляция по синусоидальному закону.
Автономный инвертор преобразует постоянный ток в переменный, частота которого зависит от частоты коммутации полупроводниковых приборов. Для регулирования напряжения (амплитудное регулирование) можно использовать управляемый выпрямитель или импульсный регулятор. При неуправляемом входном выпрямителе регулирование напряжения и частоты осуществляется инвертором с помощью широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону.
Вентильный электропривод на базе синхронных двигателей может быть построен на базе непосредственных преобразователей частоты либо с применением инверторов со звеном постоянного тока. (Рис.4. Рис.5). Регулирование выходной частоты непосредственных преобразователей осуществляется изменением количества пропущенных полуволн первичного напряжения, а регулирование амплитуды – фазовым способом. Достоинством НПЧ является хорошие массогабаритные и ценовые показатели, а основным недостатком- ограниченные регулировочные возможности.
Вариант вентильного электропривода может быть создан как на базе высоковольтных трехфазных инверторов напряжения с групповым соединением полностью управляемых полупроводниковых приборов и без трансформаторной схемы включения, так и на базе низковольтных трехфазных инверторов напряжения с трансформаторной схемой включения. (Рис. 6).
В настоящее время находит распространение высоковольтный вентильный электропривод с синхронными или асинхронными двигателями на базе низковольтных однофазных инверторов модульного исполнения и фазным их расположением. Т.е. используется не групповое включение полупроводниковых приборов, а групповое включение модульных однотипных однофазных низковольтных инверторов. (Рис. 6).
Если двигатели постоянного тока или двигатели переменного тока допускают работу и без полупроводниковых преобразователей т.е. при непосредственном включении на питающую сеть, то индукторные и шаговые двигатели могут функционировать только при наличии полностью управляемого полупроводникового преобразователя инвертора-коммутатора. Основная область их применения это высокооборотный электропривод с частотой вращения до 50 тыс. оборотов в минуту, станкостроение, тяговый привод. (Рис.7).
