Силовой канал электропривода
Электропривод. Основные понятия и определения. Структура электропривода. Основные тенденции развития электропривода. Требования, предъявляемые к электроприводам. Классификация электроприводов.
Электроприводомназывают электромеханическую систему, представляющую из себя совокупность электромеханических, механических, электрических и электронных устройств, предназначенных для преобразования электрической энергии в механическую с целью приведения во вращение исполнительного органа производственного механизма ИОПМ в соответствии с требованиями технологического процесса.
Электропривод ЭП может быть представлен в виде следующих структурных схем:
1) Элементная структурная схема;
2) Системная структурная схема.
На элементной структурной схеме представлены основные элементы, входящие в состав ЭП, и связи между ними. В общем виде она имеет вид, показанный на рисунке 1.1.
 |
Рисунок 1.1 – Элементная структурная схема ЭП
На схеме показано:
1 – преобразовательное устройство, предназначенное для преобразования электрических параметров питающей сети в электрическую энергию с другими параметрами (например, изменение рода и величины тока и напряжения, изменение частоты напряжения и тока, изменение фазы и т. п.). Под преобразовательными устройствами понимают силовые трансформаторы, управляемые и неуправляемые выпрямители, инверторы, частотные преобразователи, фазосдвигающие устройства и т. д.
2 – электродвигательное устройство или электромеханический преобразователь ЭМП. Это основной элемент ЭП, предназначенный для преобразования электрической энергии в механическую. Обычно это электродвигатель, в частном случае – электромагнит.
3 – передаточное устройство, предназначенное для согласования скорости вращения электродвигательного устройства и ИОПМ – 5. В качестве передаточного устройства могут быть использованы муфты, редукторы и т. п.
4 – управляющее устройство, которое управляет работой отдельных элементов ЭП в соответствии с технологическим процессом.
Кроме этого существует системная структурная схема ЭП (рисунок 1.2), на которой ЭП представлен как сложная система, которая с одной стороны включает в себя различные по физической сущности и роду выполняемых задач подсистемы, а с другой стороны является частью еще более сложной системы. При этом ЭП представляется в виде двух подсистем (каналов). По первому каналу осуществляется транспорт потока энергии. По второму каналу – управление этим потоком энергии, а также сбор информации о состоянии первого канала. Первый канал носит название силовой канал ЭП, а второй – информационный канал ЭП.
– информационный канал
– силовой канал
ИК – информационный канал
КУ – канал управления
Рисунок 1.2 – Системная структурная схема ЭП
Силовой канал ЭП включает в себя входные устройства, связывающие электрическую сеть («сосед слева») с электрическим преобразователем, который служит для преобразования электрической энергии с одними параметрами в электрическую энергию с другими параметрами.
Электромеханический преобразователь ЭМП – основной элемент электрического привода, предназначенный для преобразования электрической энергии в механическую. В дальнейшем под термином ЭМП будем подразумевать электродвигатель вращательного движения.
Механический преобразователь МП предназначен для согласования скоростей вращения вала электромеханического преобразователя и вала исполнительного органа производственного механизма ИОПМ.
При этом слева силовой канал связан с системой электроснабжения СЭС (сосед слева), справа – с технологической установкой (сосед справа).
Силовой канал в свою очередь состоит из двух подканалов:
1. Электрическая часть силового канала электропривода, в которую входят входные устройства, электрический преобразователь и часть электромеханического преобразователя (коммутирующие устройства электродвигателя, обмотки статора, ротора и т. д.);
2. Механическая часть силового канала электропривода, в которую входят часть электромеханического преобразователя (вал, подшипники и т. д.), механический преобразователь, а также вращающиеся части ИОПМ.
Информационная часть канала электропривода состоит из двух подканалов:
1) Собственно информационный канал, по которому осуществляется сбор и обработка информации о внутреннем состоянии информационного канала;
2) Канал управления, по которому осуществляется передача управляющих сигналов на отдельные элементы силового канала.
Кроме того, информационный канал содержит измерительный преобразователь (ЦАП, АЦП), связывающий с каналом связи, который в свою очередь входит в состав АСУ верхнего уровня («сосед сверху»).
Основными тенденциями в развитии ЭП являются:
a) Расширение его функциональных возможностей;
b) Улучшение его показателей:
c) Экономное расходование электроэнергии и других ресурсов.
К основным требованиям, предъявляемым к ЭП можно отнести:
· Качество протекания динамических процессов;
· Совместимость ЭП с соседями слева, справа и сверху;
Классификация электроприводов. Они могут классифицироваться по следующим признакам:
1. По роду движения
a) ЭП вращательного движения (перемещения);
b) ЭП поступательного перемещения;
2. По роду тока и напряжения
a) ЭП переменного тока;
b) ЭП постоянного тока.
3. По назначению
a) ЭП общепромышленного назначения;
b) ЭП специального назначения.
a) ЭП малой мощности (до 10 кВт);
b) ЭП средней мощности (от 10 кВт до 500 кВт);
c) ЭП большой мощности (от 500 кВт до 50 МВт).
5. По степени автоматизации
a) Нерегулируемые ЭП;
b) Регулируемые или автоматизированные ЭП;
c) Программно управляемые ЭП.
Силовой канал электропривода, представленный на рисунке 1.3, состоит из двух частей:
1) Электрической части силового канала электропривода;
2) Механической части силового канала электропривода.
Источник
Кабели для современных серводвигателей и частотно-регулируемых приводов
На сегодняшний день широкое распространение получили системы электроприводов с постоянным управлением крутящим моментом и скоростью вращения. Они дают возможность оптимально подстраивать работу электропривода под конкретные нужды. Стандартная система электропривода состоит из 3-фазного асинхронного электродвигателя и систем управления, построенных на частотных преобразователях.
Частотный преобразователь строится на двух устройствах, контролируемых с помощью БТИЗ (Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором): 1) выпрямителе, подключенном к 3-фазному переменному току заданной частоты f1 (например, 50 Гц), генерирующем постоянный импульсный ток; 2) инвертере, который преобразует сигнал постоянного тока в переменный с различными значениями напряжения и частотой f2 (от 0 до 400 Гц). Скорость серводвигателя может контролироваться через кабель управления с высокой точностью путем изменения частоты f2.
Недостатки системы
Большими преимуществами использования частотных преобразователей являются высокая точность и возможность постоянно управлять крутящим моментом и скоростью двигателя. Однако у такой системы управления есть и недостатки, которые также следует учитывать:
- сильное электромагнитное излучение кабеля питания электродвигателя
- большие перенапряжения в кабеле питания
- большие токи утечки и помех
Высокий уровень электромагнитных помех обусловлен очень короткими интервалами включения и выключения БТИЗ и высокой частотой импульсов частотного преобразователя (до 20 кГц). Это приводит к искажению синусоидальности напряжения на выходе преобразователя. Сильное электромагнитное излучение, обусловленное в значительной мере кабелем питания электродвигателя, вызывает серьезные наводки на элементы распределительной сети, устройства и информационные сети.
Европейский стандарт EN 61 800-3 (июль 2005) определяет максимальный уровень электромагнитных помех системы сервопривода, обеспечивающий уверенный прием передаваемых в условиях помех сигналов. Стандарт разграничивает категории применения на С1 «жилой сектор» и С3 «промышленный сектор» и устанавливает максимально допустимые уровни помех от напряжения радиопомех в частотном диапазоне от 0,15 – 30 МГц, а также излучаемых электромагнитных помех в частотном диапазоне от 30 до 1000 МГц.
Описанное излучение может быть нейтрализовано путем применения хорошо экранированных кабелей и, в особых случаях, установкой дополнительных линейных фильтров.
Проблема с перенапряжениями
Другой проблемой являются нагрузки, вызванные перенапряжением. Напряжение, генерируемое преобразователем частоты, имеет основную волну приблизительно синусоидальной формы с частотой от 0 до 400 Гц в зависимости от скорости вращения электромотора. Однако в процессе работы также образуются более высокие гармоники на частотах примерно до 100 МГц. Сигнал основной частоты и более высоких гармоник передается по кабелю питания к электромотору.
Когда характеристический импеданс кабеля питания электромотора меняется, на концах кабеля образуются импульсные волны, которые в свою очередь создают перенапряжение вследствие отражения гармоник (т.н. эффект отраженной волны). Этот эффект возникает только при условии, что длина кабеля питания электромотора превышает длину волны гармоники. Если длина кабеля меньше длины волны гармоники, то переходные процессы проявляются на выходе частотного преобразователя. В результате генерируется напряжение, превышающее номинальное напряжение электромотора в 2 – 3 раза. Эти скачки напряжения создают чередующие нагрузки на изоляцию кабеля питания электромотора. Этот фактор должен учитываться при конструировании изоляции кабеля, чтобы избежать повреждений (например, повреждения кабеля вследствие образования дуги между жилой и экраном).
Высокие частоты на выходе преобразователя означают появление больших емкостных токов утечки, протекающих по экрану и корпусу электромотора на землю, которые учитываются при определении сечения проволоки экрана и соединений экрана. Экран должен конструироваться таким образом, чтобы чрезмерно не нагреваться токами, протекающими по нему. Особенно при большой длине кабеля высокая емкость на землю может привести к образованию реактивных токов, воздействующих на частотный преобразователь. Из-за того, что инвертер имеет ограничение на перегрузки по току, может оказаться невозможной дальнейшая передача требуемой мощности на электромотор. Также особое внимание следует уделить надежному заземлению этих токов. Применение кабельных вводов HELUTOP® и соединение жилы заземления кабеля с шиной заземления помогает избежать описанной проблемы.
Реактивный ток не влияет на вращение электромотора и стекает на землю как ток утечки по экрану кабеля и металлическим частям электромотора. Он может также протекать по шарикоподшипнику вала электромотора в результате повреждений, например, выдавливания колец шарикоподшипника.
Для компенсации описанных выше негативных эффектов технологии использования частотных преобразователей компания HELUKABEL® предлагает кабели питания электромоторов с оптимизированными характеристиками. В таких кабелях и используемые материалы, и конструкция специально адаптированы для этого применения.
Согласно требованиям по ЭМС (электромагнитной совместимости) по EN 61800-3 в кабеле используется двойное экранирование при помощи алюминиевой фольги и оптимизированной оплетки из луженой медной проволоки с высокой степенью покрытия (около 80%). Особая приспособленность данного кабеля для сигналов в частотном диапазоне от 30 до 1000 МГц может быть подтверждена простыми сравнительными измерениями излучаемого электромагнитного шума от неэкранированного кабеля питания и экранированного ЭМС кабеля питания HELUKABEL®. Для низкого частотного диапазона от 1 до 30 МГц высокая помехозащищенность подтверждается экстремально низким сопротивлением связи экранированного кабеля.
Проведение тестов на ЭМС кабеля питания электромотора
Измерения проводились в независимой электромагнитной лаборатории.
Результаты проведенных измерений уровня помех, приведенные на графиках ниже, показывают, что у кабеля питания электромотора HELUKABEL® с оптимизированным экранированием уровень электромагнитного излучения значительно ниже допустимых пределов согласно норме EN 61 800-3. В то же время видно, что уровень излучения от неэкранированного кабеля ощутимо превышает предельно допустимые значения, особенно в области низких частот.
Результаты измерений сопротивления связи Rk (Ом/км)
Марка кабеля: TOPFLEX®-EMV 2YSLCY J 0.6/1kV
Производитель: HELUKABEL® GmbH
В нижнем диапазоне частот от 1 до 30 МГц низкое сопротивление связи определялось путем измерения напряженности поля индустриальной помехи в окружающем пространстве.
| Кол-во жил x сечение (мм 2 ) | 1 МГц Ом/км | 30 МГц Ом/км |
| 4 x 2.5 (AWG 14) | 18 | 210 |
| 4 x 4 (AWG 12) | 11 | 210 |
| 4 x 6 (AWG 10) | 6 | 150 |
| 4 x 10 (AWG 8) | 7 | 180 |
| 4 x 16 (AWG 6) | 9 | 190 |
| 4 x 25 (AWG 4) | 4 | 95 |
| 4 x 35 (AWG 2) | 3 | 85 |
| 4 x 50 (AWG 1) | 2 | 40 |
| 4 x 70 (AWG 2/0) | 2 | 45 |
| 4 x 95 (AWG 3/0) | 1 | 50 |
Изоляция жил у кабелей TOPFLEX®-EMV и TOPFLEX® MOTOR-EMV состоит из электрически высококачественных материалов на основе полиэтилена (ПЭ). Специальная изоляция была разработана для условий постоянных перенапряжений относительно номинального напряжения преобразователя.
Номинальное напряжение: Uo = 600 В
Максимально допустимое рабочее напряжение: Ub = 1200 В
Выход частотного преобразователя также может быть оснащен электрическим фильтром для подавления высокочастотных гармоник и сглаживания скачков напряжения.
Минимизация потерь в кабеле
Благодаря низкой диэлектрической проницаемости специальной изоляции жил кабели TOPFLEX®-EMV и TOPFLEX® MOTOR-EMV обладают значительно меньшей емкостью, чем традиционные кабели питания электромотора с ПВХ изоляцией. В результате этого емкостные токи утечки значительно уменьшаются, позволяя передавать мощность от преобразователя к электромотору с меньшими потерями. Кроме того, высокое качество изоляции обеспечивает долгий срок службы кабеля. Дальнейшее улучшение характеристик кабеля обеспечивается его симметричной структурой с тремя сбалансированными силовыми жилами и желто-зеленой жилой, разбитой на три части (3 + 3-жильная конструкция) в кабелях марок TOPFLEX®-EMV 3 PLUS и TOPFLEX® MOTOR-EMV 3/3 cables. Это еще больше оптимизирует передачу энергии от частотного преобразователя к электромотору. Все описанные кабели имеют российские сертификаты соответствия.
Намотка кабеля на барабаны после повива на заводе HELUKABEL®
Поставку продукции обеспечит компания ЗАО «СПЕЦКАБЕЛЬ» — официальный дистрибьютор HELUKABEL.
Источник
