Содержание к диссертации
Введение 4
1.Электронные преобразователи для регулируемых
электроприводов 9
1.1 .Электроприводы с электронными преобразователями 9
1.2.Показатели качества преобразователей. 10
І.З.Концепция модульного построения преобразователей 21
1.4.Функции, выполняемые преобразователями 23
1.5.0пределение состава модулей 27
1.6.Элементная база модулей 37
1.7.Функциональная схема модуля трехфазного
инвертора — активного фильтра 41
1.8.Функциональная схема модуля однофазного
коммутатора — преобразователя постоянного тока 45
1 ^.Функциональная схема модуля выпрямителя 48
ЫО.Выводы 50
2.Принципы и методика проектирования силовых модулей и
преобразователей на их основе 53
2.1.Общие принципы проектирования силовых модулей 53
2.2.Трехфазный активный фильтр 57
2.3.Проектирование модуля трехфазного инвертора -
активного фильтра 71
2.4.Схемы силовых электронных коммутаторов для
вентильно-индукторного электропривода 76
2.5.Проектирование модуля коммутатора - импульсного
преобразователя постоянного тока. 86
2.6.Проектирование модуля выпрямителя 94
2.7.Выводы 96
3.Экспериментальные исследования унифицированных
модулей преобразователей 98
3.1 .Постановка задач исследования модуля трехфазного
инвертора — активного фильтра 98
3.2.Результаты исследования модуля в режиме инвертора 99
3.2.1.Определение рациональной частоты несущей и
«мертвого» времени 103
3.2.2.0пределение токовой нагрузки конденсатора
фильтра 106
3.2.3.Сопоставление типов ШИМ напряжения 109
3.3.Результаты исследования модуля в режиме активного
фильтра 115
3.4.Постановка задач исследования модуля коммутатора -
импульсного преобразователя постоянного тока 121
3.5.Результаты исследования модуля в составе вентильно -
индукторных электроприводов 122
З.б.Выводы 132
4.Системы автоматического управления
технологическими объектами 134
4.1.Общая характеристика применений систем управления
технологическими объектами 134
4.2.Комплектное энергосберегающее оборудование для
автоматизации центробежных насосов 135
4.2.1.Комплектный энергосберегающий электропривод насосов городского водоснабжения и откачки сточных
води его исследования в эксплуатации 148
4.2.2.Комплектный энергосберегающий электропривод насосов холодного и горячего водоснабжения домов
старой застройки и его исследования в эксплуатации. 158
4.3.Атоматизация процессов дозирования при перекачивании
жидких сред 176
4.3.1.Экспериментальные исследования мембранного и плунжерного дозировочных насосов при регулировании
частоты вращения двигателей. 179
4.3.2.Структуры САУ, реализуемые АРДН-3 для уравления типовыми технологическими процессами
химводоподготовки в теплоэнергетике 185
4.3.3.Результаты исследований АРДН-3 в
промышленных условиях 185
4.4.Выводы 192
5.Проектирование и производство преобразователей для
автоматизированного электропривода 195
5.1.Основные требования к компоновке и конструкции
преобразователей 195
5.2.Конструирование и производство преобразователей 198
5.3.Выводы 219
Заключение 220
Литература 222
Приложение 1 231
1.1.Электронный преобразователь для трехфазного двигателя
переменного тока 231
1.1.Принципы синусоидальной широтно-импульсной
модуляции. 231
1.2.Расчет инвертора 238
1.3.Расчет выпрямителя 242
1.4.Расчет охладителя 245
1.5.Расчет сглаживающего фильтра 248
1.6.Выбор схемы и расчет снаббера. 250
2.Выбор силовых полупроводниковых приборов в схемах
коммутаторов и импульсных преобразователей 253
2.1.Силовые ключи. 253
2.2.0братные диоды 256
З.Электронный преобразователь для вентильно-индукторного
двигателя с самоподмагничиванием 258
3.1 .Принцип работы вентильно-индукторного привода 258
3.2.Расчет коммутатора 261
4.Импульсный преобразователь постоянного тока. 274
4.1 .Принцип работы и основные соотношения 274
4.2.Порядок расчета 279
4.3.Расчет дросселя 281
5.Выбор конденсаторов фильтра в схемах коммутаторов
и импульсных преобразователей 291
б.Сравнение цен коммутаторов для ВИП широкого применения 294
Приложение 2 298
1 .Расчет показателей эффективности ресурсо- и энергосбережения комплексной автоматизации насосов ХВС И ГВС ЦТП №739/015
ЦАО г.Москвы 298
1.1.Система ХВС. 298
1.2.СистемаГВС 305
1.3 .Расчет срока окупаемости установки созданного комплекта
энергосберегающего оборудования 308
2.Краткий каталог выпускаемых электронных преобразователей
для электропривода и станций группового управления 312
Введение к работе
Последнее десятилетие XX века в области регулируемого электропривода отмечено в промышленно развитых странах бурным ростом производства электронной преобразовательной техники, специализированной для управления двигателями переменного тока, прежде всего асинхронными. Регулируемый электропривод на этой базе проникает практически во все технологии, основанные на преобразовании электрической энергии в механическую. Этот процесс идет повсеместно, идет он и в России.
Основоположники теории электропривода, разработчики основ регулируемого электропривода переменного тока несколько десятилетий назад предсказали ; и теоретически подготовили этот процесс. Решающий вклад в развитие данной отрасли науки внесли советские ученые [4, 5, 13, 76, 78, 87, 89]. Их усилиями разработан математический аппарат для эффективного управления координатами электропривода переменного тока, которым сейчас успешно пользуются на практике.
Значительное внимание отечественной наукой уделялось электронному преобразователю для электропривода, рассматривались теоретические и практические аспекты создания системы электропривода [1, 12, 14, 77, 79, 90, 91, 95]. Несовершенство имевшейся в распоряжении ученых -электроприводчиков силовой ш информационно-управляющей полупроводниковой техники требовало значительных интеллектуальных и материальных затрат на создание регулируемых электроприводов и тем не менее не позволяло преодолеть связанные с этим ограничения технико-экономи-ческих характеристик регулируемого электропривода переменного тока и выйти на его массовое применение.
Открывшийся в 90-е годы доступ к современным зарубежным полупроводниковым средствам управления электродвигателями застал науку и промышленность России в кризисном состоянии. На эти неблагоприятные условия накладывалась закрытость методической информации по созданию электронных преобразователей на современной элементной базе, обусловленная прежде всего жесткой конкуренцией на мировом рынке в этой динамично развивающейся отрасли.
Вакуум, связанный с отсутствием крупного производства современных отечественных преобразователей для регулируемых электроприводов, с успехом заполнили около двух десятков зарубежных фирм [6].
К отечественным преобразователям можно отнести устройства, созданные на основе собственного «ноу-хау», по собственным разработкам, адаптированные к условиям применения в России, полный цикл производства которых по собственной рабочей конструкторской и программной документации освоен на отечественных предприятиях.
К отечественным производителям данной техники вряд ли можно отнести предприятия, функции которых ограничены поставкой зарубежной техники с последующей привязкой готовых устройств к требованиям технологии, встраиванием ее в электротехнические комплексы, в том числе и собственной разработки. Нельзя считать отечественным производством выполнение «отверточной» сборки преобразователей из входящих изделий, выпускаемых за рубежом, или выпуск преобразователей за рубежом и ввоз их в Россию в качестве продукции совместного производства.
Если руководствоваться приведенными выше критериями, то производством отечественных преобразователей для регулируемого электропривода на сегодняшний день занимаются отдельные, не самые мощные предприятия, перечисленные далее.
ОПТ и Э НИИЭМ, г.Истра — специализированная техника для асинхронных двигателей в основном вспомогательных электроприводов пассажирских вагонов и для электрошпинделей станков на мощности до 18 кВт.
ООО «ЭЛСИЭЛ», г.Москва - специализированная для асинхронных двигателей вспомогательных электроприводов пассажирских вагонов, а также для общепромышленных электроприводов с асинхронными двигателями на мощности до 75 кВт.
ИБП РАН совместно с 000 НПП «ЦИКЛ+», г.Москва- общепромышленная техника с асинхронными двигателями на мощности от 0,55 до 400 кВт, специальная техника с асинхронными, вентильно-индукторными и вентильными двигателями на мощности от 0,55 до 32,5 кВт.
ЗАО «Электротекс», г.Орел - общепромышленная техника с асинхронными двигателями на мощности от 5,5 до 315 кВт.
АО «ЭРАСИБ», г.Новосибирск - общепромышленная техника с асинхронными двигателями на мощности от 2,2 до 315 кВт.
ОАО «ЧЭАЗ», г.Чебоксары - общепромышленная техника с асинхронными двигателями на мощности от 16 до 32 кВт.
Ряд предприятий, не упомянутых в списке и выступающих под российской маркой, не подходят под сформулированные выше критерии.
По объемам производства среди отечественных производителей лидирует НИИЭМ, г.Истра. ИБП РАН с ООО НПП «ЦИКЛ+» [64] имеет значительно более широкую номенклатуру выпускаемых преобразователей для различных типов двигателей, в том числе при нестандартном питании и нестандартных двигателях, в частности и для мобильных объектов, но меньший объем производства.
Другие отечественные производители пока уступают двум лидерам по разным показателям.
В целом же российские производители электронных преобразователей для регулируемого электропривода занимают незначительную часть своего рынка, уступая ведущим зарубежным электротехническим компаниям, таким как Siemens, ABB, Emotron, Schneider electric, Mitsubishi electric, Hitachi, Danfoss, Control techniques, LG и другим.
Такое положение в данном сегменте высоких технологий нельзя признать удовлетворительным. Отечественная наука, создавшая свою школу в области автоматизированного электропривода, признанная во всем мире, не используется в должной мере. Отечественное производство, которое, как и в любой промышленно развитой стране, должно доминировать на рынке собственной страны и создавать экспортный потенциал, выполняет лишь роль провайдера зарубежных технологий и разработок.
В этой связи тема диссертационной работы «Создание гаммы электронных преобразователей для электропривода на современной элементной базе» является актуальной.
Чтобы найти место в процессе проникновения регулируемого электропривода в различные технологии и обеспечить отечественной продукции более значительное место на российском рынке, нужно не только выполнить разработку электронных преобразователей на современной элементной базе с хорошими характеристиками, но и определить специфику отечественного рынка, не освоенную комплексно зарубежными фирмами.
Созданию гаммы современных преобразователей способствуют достижения ведущих электротехнических корпораций мира, поставляющих на рынок электронные компоненты, функционально подготовленные для управляемого электропривода, как в его силовом канале преобразования электрической энергии, так и для управления этим процессом.
Применение этих компонентов дает возможность значительно углубить унификацию функционально законченных модулей, входящих в систему регулируемого электропривода, а также вносит свою специфику в разработку структур электронных силовых преобразователей для регулируемого электропривода.
Широкий круг технических и технологических задач в области современного регулируемого электропривода требует развития такой концепции модульного построения электронных преобразователей, которая охватывала бы ряд широко применяемых и перспективных типов электрических машин, была бы инвариантна к мощности электропривода, органично обеспечивала бы как двигательные, так и генераторные режимы работы электропривода при высоких энергетических показателях и удовлетворительной совместимости с питающей сетью. Структуры аппаратной части преобразователей, в связи с этим, должны иметь унифицированный силовой и информационный вход-выход.
В работе также уделено серьезное внимание применению созданной гаммы преобразователей в системах автоматического управления технологическими процессами путем разработки архитектур таких систем и обеспечения функциональной готовности преобразователей решать технологические задачи за счет собственных «интеллектуальных» средств.
С целью успешного проектирования гаммы преобразователей нужна систематизация и доработка методик расчета основных модулей силовых преобразователей, их компонентов, разработка требований к их конструированию.
Наконец, для практического решения задачи создания гаммы преобразователей необходимо выполнение значительного объема ОКР, организация производства преобразователей и их широкого применения в различных технологиях.
На основании изложенного, задачи работы сформулированы следующим образом:
1 .Определить важные для отечественного рынка показатели качества электронных преобразователей для регулируемых электроприводов, не реализованные комплексно зарубежными производителями данной техники.
2.Разработать концепцию модульного построения электронных преобразователей, обеспечивающую их инвариантность к типу, мощности электропривода и системе электропитания, в том числе с обеспечением двунаправленной передачи энергии.
3.Разработать и реализовать структуры аппаратной части преобразователей в виде законченных модулей с унифицированным силовым и информационным входом-выходом для асинхронных, вентильных и вентильно-индукторных электроприводов.
4.Разработать рациональные архитектуры систем автоматического управления технологическими объектами, реализуемые на базе интеллектуальных возможностей преобразователей.
5.Систематизировать методики расчета модулей преобразователей и их элементов, сформулировать требования к их конструированию.
б.Выполнить опытно-конструкторские работы и проекты гаммы современных электронных преобразователей для автоматизированного электропривода, доказать на практике их эффективность.
7.Наладить производство гаммы созданных электронных преобразователей, их эффективное промышленное применение внутри страны, обеспечив тем самым существенный объем импортозамещения в данной области, а также начать экспортные поставки преобразователей.
