Введение

Часть машинного оборудования, используемая в фотографии.

Двигательная установка – это система, включающая двигатель. Привод двигателя с регулируемой скоростью – система, включающая двигатель с несколькими рабочими скоростями. Привод с переменной скоростью – это система, включающая двигатель, скорость которого может непрерывно изменяться. Если двигатель генерирует электрическую энергию, а не потребляет её, это можно назвать генераторным приводом, но его часто все равно называют двигательным приводом. Преобразователь частоты (VFD) или привод с переменной скоростью (VSD) описывает электронную часть системы, которая управляет скоростью двигателя. В более широком смысле, термин "привод" обозначает оборудование, используемое для управления скоростью механизмов. Многие промышленные процессы, такие как сборочные линии, должны работать с разной скоростью для разных продуктов. В тех случаях, когда условия процесса требуют регулировки потока от насоса или вентилятора, изменение скорости привода может позволить сэкономить энергию по сравнению с другими методами регулирования потока. Если скорости можно выбирать из нескольких заранее установленных диапазонов, привод обычно называют регулируемым по скорости. Если выходную скорость можно изменять плавно в пределах диапазона, привод обычно называют с переменной скоростью. Приводы с регулируемой и переменной скоростью могут быть чисто механическими (так называемыми вариаторами), электромеханическими, гидравлическими или электронными. Иногда термин "двигательный привод" используется для обозначения привода, управляющего двигателем, и поэтому взаимозаменяем с VFD или VSD.

Электродвигатели

Электродвигатели переменного тока могут работать с фиксированной скоростью, определяемой количеством пар полюсов в двигателе и частотой питающего переменного тока. Электродвигатели переменного тока могут быть выполнены с возможностью "переключения полюсов", при котором переподключение обмотки статора изменяет количество полюсов, обеспечивая две или иногда три скорости. Например, машина с восемью физическими парами полюсов может быть подключена для работы с четырьмя или восемью парами полюсов, что даст две скорости при частоте 60 Гц – 1800 об/мин и 900 об/мин. Если изменения скорости редки, двигатель может быть первоначально подключен для одной скорости, а затем перекоммутирован для другой по мере изменения технологических условий, либо для переключения между двумя скоростями могут использоваться магнитные контакторы в зависимости от меняющихся потребностей процесса. Подключение для более чем трех скоростей экономически нецелесообразно. Количество фиксированных скоростей ограничено стоимостью, поскольку увеличивается число пар полюсов. Если требуется множество различных скоростей или непрерывно регулируемые скорости, необходимо использовать другие методы. Двигатели постоянного тока позволяют изменять скорость путем регулирования тока возбуждения. Другой способ изменения скорости двигателя постоянного тока – изменение напряжения, подаваемого на обмотку якоря. Привод двигателя с регулируемой скоростью может состоять из электродвигателя и контроллера, предназначенных для регулировки рабочей скорости двигателя. Комбинация двигателя с постоянной скоростью и механического устройства непрерывного регулирования скорости также может называться "приводом двигателя с регулируемой скоростью". Частотно-регулируемые приводы на базе силовой электроники быстро вытесняют устаревшие технологии.

Причины использования регулируемых приводов скорости

Контроль процесса и энергосбережение – две основные причины использования привода с регулируемой скоростью. Изначально приводы с регулируемой скоростью разрабатывались для управления технологическими процессами, но энергосбережение стало равнозначной целью.

Контроль ускорения

Регулируемый привод часто может обеспечить более плавную работу по сравнению с альтернативным режимом работы с фиксированной скоростью. Например, на канализационной насосной станции сточные воды обычно поступают по канализационным трубам самотеком в приемный резервуар. Оттуда они перекачиваются на очистные сооружения. При использовании насосов с фиксированной скоростью, насосы запускаются при достижении определенного высокого уровня жидкости в приемном резервуаре и останавливаются при понижении уровня до определенной отметки. Частое включение и выключение насосов вызывает резкие скачки электрического тока при запуске двигателей, что приводит к электромагнитным и тепловым нагрузкам на двигатели и оборудование управления питанием. Насосы и трубопроводы подвергаются механическим и гидравлическим воздействиям, а процесс очистки сточных вод вынужден адаптироваться к колебаниям расхода сточных вод. При использовании регулируемых приводов, насосы работают непрерывно, изменяя скорость в зависимости от уровня жидкости в приемном резервуаре. Это позволяет согласовать отток со средним притоком и обеспечивает значительно более плавную работу всей системы.

Экономия энергии за счет использования эффективных приводов с регулируемой скоростью

Вентиляторы и насосы потребляют значительную часть энергии, используемой промышленными электродвигателями. Если вентиляторы и насосы работают с изменяющейся нагрузкой, простой способ регулировать объем подаваемой жидкости – это установка дросселя или клапана на выходе вентилятора или насоса, который, увеличивая перепад давления, снижает расход в системе. Однако этот дополнительный перепад давления приводит к потерям энергии. В некоторых случаях экономически выгодно установить устройство, которое рекуперирует эту иначе теряемую энергию. При использовании частотного преобразователя на насосе или вентиляторе, подачу можно настроить в соответствии с потребностью, избегая дополнительных потерь. Например, если вентилятор приводится в действие непосредственно двигателем с фиксированной скоростью, расход воздуха рассчитывается на максимальную потребность системы и, как правило, превышает необходимый. Расход воздуха можно регулировать с помощью дросселя, но более эффективно регулировать скорость двигателя вентилятора напрямую. Согласно законам аффинности, для 50% расхода воздуха двигатель с регулируемой скоростью потребляет около 20% входной мощности (в амперах). Двигатель с фиксированной скоростью при том же снижении расхода до 50% продолжает потреблять около 85% входной мощности.

Типы приводов

Некоторые первичные двигатели (двигатели внутреннего сгорания, поршневые или турбинные паровые двигатели, водяные колёса и другие) имеют диапазон рабочих скоростей, который можно непрерывно изменять (путем регулирования подачи топлива или аналогичными способами). Однако эффективность может быть низкой на предельных значениях этого диапазона, и могут существовать системные ограничения, не позволяющие поддерживать скорость первичного двигателя на очень низких или очень высоких значениях. До изобретения электродвигателей для управления механической мощностью водяных колёс и паровых двигателей использовались механические редукторы. С появлением электродвигателей почти сразу же были разработаны способы регулирования их скорости. Сегодня на рынке промышленных приводов конкурируют различные типы механических, гидравлических и электрических приводов.

Механические приводы

Существует два типа механических передач: передачи с изменяемым шагом и тяговые передачи. Передачи с изменяемым шагом – это шкивные и ременные передачи, в которых диаметр одного или обоих шкивов может быть изменен. Тяговые передачи передают мощность посредством металлических роликов, контактирующих с парными металлическими роликами. Отношение скорости входного и выходного валов регулируется перемещением роликов для изменения диаметров контактной поверхности. Было использовано множество различных форм роликов и механических конструкций.

Гидравлические регулируемые приводы скорости

Существует три типа гидравлических приводов: гидростатические, гидродинамические и гидровискозные. Гидростатический привод состоит из гидравлического насоса и гидравлического двигателя. Поскольку используются насосы и двигатели объемного действия, один оборот насоса или двигателя соответствует определенному объему перекачиваемой жидкости, который определяется рабочим объемом, независимо от скорости или крутящего момента. Регулирование скорости осуществляется путем регулирования расхода жидкости с помощью клапана или изменения рабочего объема насоса или двигателя. Существует множество различных конструктивных вариантов. Привод с наклонной шайбой использует осевой поршневой насос или двигатель, в котором угол наклона шайбы может изменяться для регулирования рабочего объема и, следовательно, скорости. Гидродинамические приводы, или гидромуфты, используют масло для передачи крутящего момента между рабочим колесом на входном валу с постоянной скоростью и ротором на выходном валу с регулируемой скоростью. Преобразователь крутящего момента в автоматической коробке передач автомобиля является примером гидродинамического привода. Гидровискозный привод состоит из одного или нескольких дисков, соединенных с входным валом, прижатых к аналогичному диску или дискам, соединенным с выходным валом. Крутящий момент передается от входного вала к выходному через масляную пленку между дисками. Передаваемый крутящий момент пропорционален давлению, создаваемому гидравлическим цилиндром, который сжимает диски вместе. Этот эффект может использоваться в качестве сцепления, например, сцепление Hele Shaw, или в качестве привода с переменной скоростью, например, передача с переменным передаточным числом Beier.

Непрерывно изменяемая трансмиссия (CVT)

Механические и гидравлические регулируемые приводы скорости обычно называют "трансмиссиями" или "бесступенчатыми трансмиссиями", когда они используются в транспортных средствах, сельскохозяйственной технике и некоторых других типах оборудования.

Виды контроля

Контроль может подразумевать ручную регулировку с помощью потенциометра или линейного датчика на эффекте Холла (который более устойчив к пыли и смазке), либо автоматическое управление, например, с использованием вращательного датчика, такого как оптический энкодер с серым кодом.

Типы приводов

Существует три основные категории электрических приводов: приводы на двигателях постоянного тока, приводы вихревых токов и приводы на двигателях переменного тока. Каждый из этих основных типов может быть дополнительно разделен на множество вариантов. Электрические приводы обычно включают в себя как электродвигатель, так и устройство или систему управления скоростью. Термин "привод" часто используется для обозначения контроллера без двигателя. На заре развития технологии электрических приводов использовались электромеханические системы управления. Впоследствии были разработаны электронные контроллеры на основе различных типов вакуумных ламп. С появлением подходящих твердотельных электронных компонентов новые конструкции контроллеров стали использовать новейшие электронные технологии.

Приводы постоянного тока

Приводы постоянного тока – это системы управления скоростью двигателей постоянного тока. Поскольку скорость двигателя постоянного тока прямо пропорциональна напряжению на обмотке якоря и обратно пропорциональна магнитному потоку двигателя (который является функцией тока возбуждения), для управления скоростью можно использовать либо напряжение на обмотке якоря, либо ток возбуждения.

Приводы вихревого тока

Привод вихревого тока (иногда называемый "Динамическим приводом", по одному из наиболее распространенных торговых наименований) состоит из двигателя с фиксированной скоростью (обычно асинхронного двигателя) и сцепления вихревого тока. Сцепление содержит ротор с фиксированной скоростью и ротор с регулируемой скоростью, разделенные небольшим воздушным зазором. Постоянный ток в полевой обмотке создает магнитное поле, определяющее крутящий момент, передаваемый от входного ротора к выходному ротору. Контроллер обеспечивает регулирование скорости по замкнутому контуру, изменяя ток сцепления и позволяя ему передавать только тот крутящий момент, который необходим для работы на заданной скорости. Обратная связь по скорости обычно осуществляется с помощью встроенного тахометра переменного тока. Приводы вихревого тока – это системы с регулируемым скольжением, энергия скольжения которых неизбежно рассеивается в виде тепла. Следовательно, такие приводы, как правило, менее эффективны, чем приводы на основе преобразования переменного тока в переменный ток. Двигатель развивает крутящий момент, необходимый для нагрузки, и работает на полной скорости. Выходной вал передает тот же крутящий момент нагрузке, но вращается с меньшей скоростью. Поскольку мощность пропорциональна крутящему моменту, умноженному на скорость, входная мощность пропорциональна скорости двигателя, умноженной на рабочий крутящий момент, а выходная мощность – скорости выходного вала, умноженной на рабочий крутящий момент. Разница между скоростью двигателя и скоростью выходного вала называется скоростью скольжения. Мощность, пропорциональная скорости скольжения и рабочему крутящему моменту, рассеивается в виде тепла в сцеплении. Хотя в большинстве применений с регулируемой скоростью приводы с переменной частотой превзошли его, сцепление вихревого тока все еще часто используется для соединения двигателей с нагрузками с высоким моментом инерции, которые часто останавливаются и запускаются, такими как штамповочные прессы, конвейеры, подъемные механизмы и некоторые большие станки, обеспечивая плавный пуск и требуя меньше обслуживания, чем механическое сцепление или гидравлическая трансмиссия.

Приводы переменного тока

Двигатели переменного тока – это системы управления скоростью двигателей переменного тока. Индукционный двигатель с фазным ротором с управляемым скольжением (WRIM) управляет скоростью, изменяя скольжение двигателя через контактные кольца ротора, либо электронным восстановлением мощности скольжения, возвращаемой в шину статора, либо изменением сопротивления внешних резисторов в цепи ротора. Наряду с приводами на вихревых токах, приводы WRIM на основе сопротивлений потеряли популярность, поскольку они менее эффективны, чем приводы WRIM на основе переменного/постоянного тока, и используются только в специальных случаях. Системы рекуперации энергии скольжения возвращают энергию в шину статора WRIM, преобразуя энергию скольжения и подавая ее обратно в питание статора. В противном случае эта восстановленная энергия рассеивалась бы в виде тепла в приводах WRIM на основе сопротивлений. Приводы с переменной скоростью и рекуперацией энергии скольжения используются в таких областях, как большие насосы и вентиляторы, ветровые турбины, судовые движители, крупные гидронасосы и генераторы, а также маховики для накопления энергии. Ранние системы рекуперации энергии, использующие электромеханические компоненты для преобразования переменного/постоянного/переменного тока (то есть состоящие из выпрямителя, двигателя постоянного тока и генератора переменного тока), называются приводами Крамера, а более современные системы, использующие приводы с регулируемой частотой (VFD), – статическими приводами Крамера. В общем, VFD в своей базовой конфигурации управляет скоростью индукционного или синхронного двигателя путем регулирования частоты питающего напряжения. При изменении частоты VFD в стандартных маломощных приложениях с переменным моментом, использующих управление «Вольт на Герц» (V/Hz), отношение напряжения к частоте двигателя переменного тока может поддерживаться постоянным, а его мощность может изменяться между минимальной и максимальной рабочими частотами до базовой частоты. Работа с постоянным напряжением выше базовой частоты, и, следовательно, с уменьшенным отношением V/Hz, обеспечивает снижение крутящего момента и поддержание постоянной мощности. Регенеративные приводы переменного тока – это тип привода переменного тока, способный восстанавливать тормозную энергию нагрузки, движущейся быстрее скорости двигателя (нагрузка, отдающая энергию), и возвращать ее в энергосистему.