Что такое рекуперация двигателя постоянного тока - Авто журнал
11 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое рекуперация двигателя постоянного тока

Рекуперация электрической энергии и ее использование

Традиционным способом избавления от лишней энергии, выделяемой в преобразователях частоты во время торможения управляемых ими асинхронных двигателей, было рассеивание оной в форме тепла на резисторах. Тормозные резисторы применялись везде, где имела место высокая инерция нагрузки, например в центрифугах, на электротранспорте, на нагрузочных стендах и т. п.

Такое решение было необходимостью, чтобы ограничить максимальное напряжение на зажимах преобразователей в режиме торможения. Иначе бы частотные преобразователи выходили из строя, ведь было бы невозможно контролировать параметры разгона и торможения.

Тормозные резисторы не обременяли экономически оборудование, но некоторые неудобства за собой неизменно влекли. Резисторы габаритны, сильно разогреваются, нужна защита от влаги и пыли. И все это связано лишь с тем, что нужно рассеять впустую энергию, за которую предприятие платит деньги, и деньги не малые, если тем более речь о крупном производстве.

Летом особенно нежелателен дополнительный нагрев окружающего воздуха, ведь технологическое оборудование и так нагрето теплым воздухом, а тут еще и резисторы, прогретые до 100 градусов и выше. Нужна дополнительная вентиляция — снова расходы.

Но есть и другой путь. Зачем рассеивать энергию впустую? Можно вернуть ее в сеть обратно, и так сэкономить энергозатраты. Тут то и приходят на помощь системы рекуперации электроэнергии.

Безусловно, частотные преобразователи сегодняшнего дня сильно сокращают потребление электричества оборудованием, благодаря оптимизации способа питания двигателей различного технологического оборудования, и это экономит ресурсы. Но применение рекуперации еще более наращивает экономию. Энергия может не рассеиваться на резисторах при торможении, а возвращаться в сеть с учетом текущих параметров сети.

На сегодняшний день ведущие производители промышленных механизмов и оборудования уже внедряют такие системы на электротранспорте: для троллейбусов, электропоездов, эскалаторов, трамваев, наконец — для электрокаров.

Как же работает система рекуперации? Источник переменного тока, питающий двигатель или другую установку, должен суметь принять энергию назад. Для этого вместо обычного выпрямителя применяется преобразователь с широтно-импульсной модуляцией. Такой преобразователь в состоянии направлять потоки мощности как от источника к потребителю, так и от потребителя к источнику. Данный путь позволяет довести коэффициент мощности до единицы.

Типичный IGBT-каскад частотного преобразователя, работающий в режиме рекуперации, сначала представляется как выпрямитель синусоидального тока, однако при торможении он генерирует сигнал с широтно-импульсной модуляцией, при котором направление тока, при напряжении на зажимах выше определенного уровня, оказывается направленным не от сети, а к сети из цепи потребителя.

Разница напряжений питающей сети и цепи нагрузки прикладывается к рекуперационному индуктору. Индуктивность блокирует высокочастотные гармоники, и получается почти чистый синусоидальный ток, здесь не требуется синхронизирующего оборудования, достаточно подать три тестирующих импульса от ШИМ-модулятора в сеть, чтобы определить частоту и фазу напряжения в текущий момент.

Примером могут служить частотные преобразователи с системой рекуперации фирмы Control Techniques, которые служат в частности на заводах Lamborghini и Nissan для питания стендов динамических испытаний, а также на эскалаторах и в различных металлургических решениях.

Суть везде одна и та же — создается двунаправленный поток энергии как к потребителю из сети, от источника, так и из потребителя к сеть. При проектировании рекуперационных систем учитывают рад факторов: диапазон сетевого напряжения, номинал оборудования и коэффициент мощности, максимальная мощность с учетом перегрузки, уровень потерь.

Схема, приведенная на рисунке, демонстрирует одномоторное решение, где привод двигателя и привод рекуператора представлены каждый в одном экземпляре, их номиналы равны. Но порой случаются перегрузки двигателя, и тогда требуется более мощный привод рекуперации, дабы покрыть нижний предел по напряжению и потери в двигателе.

По такому же принципу обеспечивается работа нескольких двигателей с несколькими моторными приводами, при этом ставится один мощный привод рекуперации, способный пропустить через себя суммарную мощность для всех двигателей системы с учетом возможности одновременного торможения всех двигателей.

Для ограничения пускового тока в системах с несколькими двигателями, когда шины постоянного тока объединены, применяют тиристорные модули, подключаемые при помощи контакторов к заряжаемым постоянным током конденсаторам преобразователя. После заряда конденсаторов тиристорный модуль отключается. Очевидно, системы рекуперации конфигурируются по разному, и проектируются индивидуально.

Говоря о рекуперации, нельзя не вспомнить о системах рекуперативного торможения, применяемых в современных гибридных двигателях автомобилей, где основой служит путь электрической рекуперации кинетической энергии.

Всегда, когда автомобиль движется, проявляется кинетическая энергия. Но при торможении в традиционном виде, избыток энергии просто теряется в форме тепла, тормозные колодки трутся о тормозные диски, расходуя кинетическую энергию впустую, нагревая фрикционный материал и металл, отдавая тепло в конечном итоге окружающему воздуху. Это очень расточительный подход.

Система рекуперативного торможения не расходует кинетическую энергию просто на трение, чтобы затормозить. Вместо этого используется включенный в трансмиссию электродвигатель, который начинает при торможении работать как генератор, преобразовывая момент на валу в электроэнергию, заряжающую аккумуляторную батарею, а тормозящий момент ротора, возникающий в генераторном режиме, как раз и дает автомобилю желанное торможение. Запасенная в аккумуляторе таким образом энергия через некоторое время вновь служит для движения автомобиля, то есть используется повторно.

Рекуперативное торможение позволяет по максимуму использовать доступный ресурс каждого заряда аккумулятора, и топливо сильно экономится. Поскольку при торможении 70% кинетической энергии приходится на переднюю ось, то и систему рекуперации монтируют именно на передней оси, чтобы более эффективно сохранять энергию.

Читать еще:  Характеристики двигателя шевроле экспресс

Наибольшая эффективность рекуперативного торможения достигается на высоких скоростях движения, а при низких скоростях эффективность системы падает. По этой причине наряду с рекуперационным торможением так или иначе фрикционная тормозная система присутствует. Совместная работа двух систем обеспечивается электронным контроллером.

Контроллер реализует ряд функций: контролирует скорость вращения колес, поддерживает правильный тормозящий момент, распределяет тормозное усилие между рекуперационным и фрикционным тормозом, поддерживает приемлемый для оптимального заряда батареи крутящий момент.

Разумеется, прямой механической связи между педалью тормоза и фрикционными колодками в таких автомобилях нет. Электронный блок обеспечивает правильное взаимодействие ABS, системы курсовой устойчивости, системы распределения тормозных усилий и усилителя экстренного торможения между собой.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Двигатель — постоянный ток — последовательное возбуждение

Двигатели постоянного тока последовательного возбуждения могут иметь два режима торможения: динамическое торможение и торможение противовключением. Генераторное торможение с рекуперацией энергии в сеть при обычной схеме включения двигателя невозможно, так как двигатель не имеет скорости идеального холостого хода. Этот режим торможения возможен, если обмотку возбуждения подключить к независимому источнику тока. [1]

Двигатели постоянного тока последовательного возбуждения широко используются на электрическом транспорте и в подъемно-транспортных механизмах, так как в отличие от других двигателей они обладают механическими характеристиками переменной жесткости: при больших значениях момента они более жесткие, при малых моментах — мягкие. [2]

Двигатели постоянного тока последовательного возбуждения служат для электропривода подъемно-транспортных механизмов, так как имеют повышенные перегрузочный момент и механическую прочность. [3]

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения работает в двух режимах электрического торможения: в режиме торможения противовключени-ем и электродинамического торможения. [5]

Двигатели постоянного тока последовательного возбуждения рекомендуется устанавливать на механизмах подъема, двигатели постоянного тока последовательного и смешанного возбуждения — на механизмах передвижения и поворота и двигатели постоянного тока параллельного возбуждения — в механизмах, где недопустимо значительное колебание частоты вращения. [6]

Двигатели постоянного тока последовательного возбуждения широко распространены на транспорте и в подъемно-транспортных механизмах. [7]

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения 220 в, 300 а вращается со скоростью п650 об / мин. [8]

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения имеет следующие номинальные данные: Р2И43 кет; UH 220 в; / я220 а; пк765 об / мин. [9]

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения имеет следующие номинальные данные: Ргн7 8 кет; / 220 в; / 43 а; п 1130 об / мин. [10]

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения в защищенном исполнении при длительной работе имеет следующие данные: Р, 126 кет; ( / 750 в; / 185а; п970 об / мин. Определить постоянную времени нагревания Т двигателя, если часовая мощность Рч170 кет, часовой ток / ч250 а, напряжение ( У 750 в, скорость вращения при часовой мощности п 865 об мин. [11]

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения 220 в, 300 а вращается со скоростью п 650 об / мин. Вычислить добавочное ( внешнее) сопротивление гр, которое необходимо включить последовательно с якорем для того, чтобы скорость его уменьшить до ret 400 об / мин, не изменяя нагрузки; сопротивление цепи якоря гя 0 0533 ом. [12]

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения имеет следующие номинальные данные: Р2н — 43 кет; UH 220 в; Iм — 220 а; пя 765 об / мин. [13]

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения в защищенном исполнении при длительной работе имеет следующие данные: Р % 126 кет; U — 750 в; I 185 а; п 970 об / мин. Определить постоянную времени нагревания Т двигателя, если часовая мощность Рч 170 кет, часовой ток 1Ч — 250 а, напряжение / 750 в, скорость вращения при часовой мощности п 865 об / мин. [14]

Рекуперация энергии в сеть

На протяжении долгого времени, излишнюю энергию, накопленную в преобразователях частоты (ПЧ) при торможении ими асинхронных двигателей с высокоинерционной нагрузкой (ПТО, нагрузочные стенды, электротранспорт, намотчики, центрифуги и т.д.), рассеивали на специальных тормозных резисторах. Это было крайне необходимо для ограничения уровня напряжения на шинах постоянного тока преобразователей при работе в этих режимах. В противном случае, отказ от использования тормозных резисторов грозил бы выходом преобразователей частоты из строя или невозможностью задания необходимых временных рамп разгона и торможения управляемых механизмов.

Применение тормозных резисторов не сильно влияет на стоимость оборудования систем, однако, влечет за собой ряд определенных неудобств при их проектировании и эксплуатации, а именно: большие габариты тормозных резисторов, разогрев поверхности тормозных резисторов до температуры 100°С и выше, обязательная защита резисторов от попадания пыли и влаги и т.д. Но, самым неприятным в этом случае является то, что излишняя энергия преобразуется в ненужное тепло, за которое предприятие платит деньги. В теплое время года, когда температура в помещениях с технологическим оборудованием и так достаточно высокая, тормозные резисторы, подключенные к ПЧ, способствуют еще большему ее повышению. Это значит, что крайне необходима дополнительная вентиляция помещений или даже их кондиционирование, а это опять дополнительные затраты. Но, ведь можно не рассеивать излишнюю энергию на резисторы, а возвращать ее обратно в питающую сеть, обеспечивая экономию дорогостоящих энергоресурсов. Для этого используются системы рекуперации энергии.

Читать еще:  Что такое каса для двигателя

Фактически доказано, что современные преобразователи частоты позволяют значительно сократить энергопотребление оборудования и оптимизировать различные технологические процессы, что в свою очередь ведет к экономии сырья и других ресурсов, а так же способствует улучшения качества конечного продукта. Но, с заменой систем частотного регулирования с использованием тормозных резисторов на системы с использованием рекуперации энергии в сеть, появилась возможность дополнительной экономии. Теперь, энергию, возникающую при торможении двигателей можно возвращать в питающую сеть, осуществляя полную корректировку ее параметров в соответствии с параметрами сети. Ведущие производители промышленного оборудования и механизмов уже широко применяют такие системы, такие системы нашли применение в электротранспорте (электропоезда, трамваи, троллейбусы, эскалаторы).

Немного физики. Для того чтобы накопленную мощность можно было возвращать в источник переменного тока, в качестве входного выпрямителя привода рекуперации используются преобразователи с ШИМ источником напряжения. Теперь поток мощности переменного тока может течь в любую сторону, током можно управлять и получить почти единичный коэффициент мощности. В случае работы преобразователя частоты в режиме рекуперации, каскад IGBT транзисторов (используемый в моторном приводе в качестве выходного каскада) работает как синусоидальный выпрямитель, преобразующий переменный ток в постоянное напряжение для питания системы. При интенсивном торможении двигателя и, как следствие, превышении напряжения на звене постоянного тока преобразователя частоты выше определенного уровня, каскад IGBT транзисторов ПЧ генерирует ШИМ — сигнал в сторону сети. Разница напряжений между фазным напряжением ШИМ и сетевым напряжением питания прикладывается к индуктивностям (индуктору рекуперации). Это напряжение содержит много высокочастотных гармоник, которые блокируются индуктивностью и на выходе ПЧ получается синусоидальный ток с малой примесью высших гармоник. Для синхронизации привода рекуперации с сетью не требуется дополнительного оборудования. Определение частоты и угла вектора сетевого напряжения происходит за счет подачи ШИМ — модулятором трех специальных тестирующих импульсов в питающую сеть.

Одним из проверенных и эффективных решений по рекуперации энергии является применение частотных преобразователей Unidrive SP фирмы Control Techniques. Примеры их использования можно увидеть на стендах динамических испытаний автомобилей многих автомобильных заводов (Nissan, Ford, Lamborghini и др.), в металлургии, на эскалаторах, кранах, и т.д. Конфигурация такой системы может иметь несколько видов, но суть ее сводится к одному — организовать двунаправленный поток энергии в источник переменного электропитания и из него. При определении мощностей/ номиналов компонентов системы рекуперации нужно учитывать следующие факторы:

1. Изменение уровня сетевого напряжения

2. Номинальные ток двигателя, напряжение, коэффициент мощности

3. Максимальную мощность нагрузки и условия перегрузки

4. Потери в приводах и других компонентах

На рис.1 представлена общая схема система рекуперации при использовании одного моторного привода и одного привода рекуперации. Как правило, для такой системы моторный привод и привод рекуперации имеют одинаковые номиналы. Однако, при детальном расчете может выясниться, что характер нагрузки подразумевает работу моторного привода с перегрузкой, если при этом напряжение питания привода рекуперации находится на нижнем пределе, то он может не покрыть мощность выделяемую моторным приводом и потери в системе. Тогда необходимо использовать привод рекуперации большего номинала.

Рис.1 Система с одним приводом рекуперации и одним моторным приводом

На рис.2 представлена общая схема система рекуперации при использовании нескольких моторных приводов и одного привода рекуперации. В таких многоприводных конфигурациях привод рекуперации выбирается таким образом, чтобы выдать суммарную мощность всех моторных приводов, учитывая потери, включая собственные. В этом случае, конечно, нужно учитывать характер нагрузки для каждого моторного привода индивидуально, ведь возможен вариант одновременного торможения всех двигателей системы.

Рис.2 Система с одним приводом рекуперации и несколькими моторными приводами

При включении системы с несколькими приводами, объединенными по шине постоянного тока, необходимо ограничивать пусковой ток, поскольку электролитические конденсаторы в звене постоянного тока преобразователей частоты имеют малое сопротивление. Для этого применяется тиристорный выпрямительный модуль SPMC, который подключается контактором для заряда конденсаторов объединенной шины постоянного тока преобразвателей. После обеспечения плавного заряда шины до номинального напряжения, выпрямительный модуль SPMC отключается.

Как видно, система рекуперации предлагаемая Control Techniques может иметь различные конфигурации и может быть спроектирована индивидуально под конкретное применение.

Рекуперативное торможение

Описание электропоездов и электровозов, расписание поездов, фотографии

§ 94. Рекуперативное торможение

Электроподвижной состав постоянного тока с машинными преобразователями.

Для осуществления рекуперативного торможения используют схемы со стабилизирующими резисторами и с возбудителями встречного смешанного возбуждения.

Схема со стабилизирующими резисторами В схеме рис. 251, а стабилизирующий резистор /?ст сопротивлением гст является общим для цепей якоря и обмотки возбуждения тягового двигателя.

Уравнение напряжения для цепи тока возбуждения в установившемся режиме

= Свп,Фа = /„ (лст + г„ + г„) + /гст,

где £„, С„, га„, Ф„ и гяв — соответственно э. д с, постоянная, частота вращения, поток и сопротивление обмотки якоря возбудителя В, I, гае — соответственно ток и сопротивление двигателя М1.

Из этого выражения следует, что

/ _ £в — 1г„ ^ Сяп„Фв — 1г„

В цепи тока якоря двигателя М1

Еа = vCaФл = ис + /(лдя + г„) + /„/•„,

Читать еще:  Что является двигателем экономического развития является

откуда можно получить уравнение для скорости:

Ц с + А>дя + Г„) + /.Гст

Из уравнения для /в вытекает, что при увеличении тока якоря / ток возбуждения

Рис. 251 Схемы силовых цепей при рекуперации иа электровозах постоянного тока со стабилизирующими резисторами (а) и с возбудителями встречного смешанного возбуждения (б, в, г, д)

уменьшается и наоборот. Чем больше сопротивление гст, тем резче проявляется эта зависимость и тем круче падает характеристика 1>(/), обеспечивая малую чувствительность системы к колебаниям напряжения в контактной сети При увеличении скорости движения V ток якоря / возрастает из-за увеличения э д. с. £д, а следовательно, уменьшаются ток возбуждения /„ и магнитный поток Фд. Поэтому тормозная сила В « 0,367СДФД/ будет возрастать лишь до определенного максимума, наступающего при некоторой скорости о„. В зоне скоростей выше ик тормозная характеристика оказывается механически неустойчивой

С увеличением сопротивления г„ уменьшаются величины Вт„ и ч„ Область возмож-

ного использования рекуперации ограничена минимальной скоростью:

«шн. = (V, — 2£д)/(СдФдт>х) » 1/с/(СжФЖП1М). т. е. ограничена по току /вга,х

Вид характеристики v(l) и для схемы рис. 251, а (так как Фдтах = /втах) определяется внутренними нагрузочными характеристиками СДФД(/В), реакцией якоря и насыщением возбудителя [характеристикой С„Фв(ів)], изменением частоты вращения двигателя Д возбудителя в зависимости от его нагрузки.

При рекуперации суммарная э. д. с двигателей 2£д должна быть больше напряжения сети £/с; с уменьшением скорости 2£д уменьшается. Следовательно, для расширения зоны рекуперации и снижения рт1П необходимо с понижением скорости движения поддерживать 2£д > > £/с. Это осуществляют в первую очередь, увеличивая число последовательно соединенных якорей двигателей, т. е. применяя переход с параллельного на последовательно-параллельное, а с последовательно-параллельного на последовательное соединения якорей двигателей. Жесткость характеристик увеличивается при переходе с параллельного на последовательное соединение якорей тяговых двигателей.

При использовании стабилизирующих резисторов в рекуперативном режиме необходимо иметь специальный возбудитель, мощность которого значительно превосходит мощность, необходимую непосредственно для питания обмоток возбуждения; кроме того, ограничивается область применения рекуперативного торможения и уменьшается максимальная тормозная сила. При рекуперативном торможении, например по схеме рис. 251, а, на электровозе ВЛ22М мощность, потребляемая обмотками возбуждения при токе возбуждения /„ = 200 Л, составляет 23,2 кВт. В действительности из-за наличия стабилизирующих резисторов применяют возбудитель мощностью 57 кВт, а для его привода — двигатель мощностью 67 кВт. В стабилизирующих резисторах теряется также и некоторая часть энергии, вырабатываемой двигателями в генераторном режиме, что уменьшает отдачу энергии в сеть. Поэтому на современных электровозах постоянного тока с тяговыми двигателями последовательного возбуждения применяют схемы рекуперации с возбудителями встречного смешанного возбуждения.

Схема с возбудителями встречного смешанного возбуждения. В схеме рис. 251, б применен возбудитель В с двумя обмотками возбуждения: независимой НО и встречной ВО. Через обмотку ВО протекает ток якоря тягового двигателя /. Во время рекуперации м. д с. обмоткн ВО направлена навстречу м д. с. обмоткн НО. По

мере увеличения тока рекуперации / э. д. с. £в возбудителя, а следовательно, и ток возбуждения /„ уменьшаются. При уменьшении тока / э. д. с. £в и ток /в увеличиваются. Следовательно, обмотка ВО возбудителя сглаживает толчки тока и тормозной силы при изменениях напряжения в контактной сети.

Форма рекуперативных характеристик при возбудителе встречного смешанного возбуждения будет иной, чем в схеме с возбудителем независимого возбуждения и стабилизирующими резисторами. Тре-бумая крутизна характеристик рекуперативного торможения по схеме рис. 251, б достигается изменением соотношения м. д. с. обмоток возбуждения возбудителя при заданном токе /нв. Чем больше

Отношение /И’воАкв^’но. тем больше ВЛИЯет

ток в якоре на э. д. с. возбудителя £в и тем круче характеристики и(/). Однако одновременно уменьшается максимальное значение тормозного усилия Втах.

В схемах со стабилизирующими резисторами в каждой параллельной цепи токи возбуждения определяются только токами якорной цепи. Поэтому, возможно, н отклонения токов в цепи якорей будут частично компенсированы отклонениями токов возбуждения. При одном возбудителе встречного смешанного возбуждения на локомотивах с двумя и большим числом параллельных цепей тяговых двигателей не может быть обеспечено удовлетворительное распределение токов по этим цепям. Неравномерность токов в параллельных цепях можно ограничить, если для каждой цепи установить свой возбудитель, э: д. с. которого уменьшалась бы только при увеличении тока в цепи своих якорей. Однако иметь на электровозе большое число возбудителей (например, на электровозах ВЛ8, ВЛ10У и ВЛ10 по четыре) нежелательно. Поэтому на э. п. с. постоянного тока с числом параллельных цепей двигателей две и больше применяют один или два возбудителя встречного смешанного возбуждения, а для выравнивания токов в параллельных цепях — схемы с циклической стабилизацией, включая в каждую параллельную цепь якорей уравнительные резисторы Яу (рис. 251, и ( 2 трансформатора приложенные к тиристорам прямое и обратное напряжения выше расчетного напряжения питания, что учитывают прн выборе тиристоров.

Инвертор, выполненный по схеме рис. 252, а, устойчиво работает на партии электровозов ВЛ10 и на опытных электровозах ВЛ12. Однако поочередное протекание тока через полуобмотки коммутирующего реактора !

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector