МНОГОПРОФИЛЬНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ

ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО

УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ДОНБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

открытого занятия

Тема: «Энергосберегающие электропривода»

по МДК 01.05 Системы управления электроприводами

для студентов специальности

13.02.11 «Техническая эксплуатация и обслуживание

электрического и электромеханического оборудования(по отраслям)»

г. Алчевск

Тема: «Энергосберегающие электропривода»

Цели: - научиться анализировать и определять наиболее оптимальную

систему

электропривода

для

производственных

механизмов,

доказать

ее

целесообразность и энергосберегающие свойства;

- делать аналитические выводы и определять пути энергосбережения;

- формирование соответствующего мировоззрения у будущих специалистов и

подготовки их к решению конкретных заданий по энергосбережению;

- развивать профессиональное сознание, которое побуждает к активной

творческой деятельности, ;

- воспитывать чувство гордости за выбранную профессию, патриотизм и

любовь к родному краю.

Тип занятия: обобщение темы

Вид занятия: практическое занятие - деловая игра.

Направление: практико-ориентированное.

Метод обучения: проектная деятельность; проблемно – поисковый.

Оборудование:

мультимедийный

экран,

компьютер,

дидактические

материалы.

.

План занятия

1. Организационная часть

2. Мотивация учебной деятельности

3. Деловая игра: постановка производственной задачи; определение путей

решения проблемы; выбор и обоснование выбранного решения.

4. Закрепление: тестирование по теме

5. Подведение итогов занятия

2

Ход занятия

1. Организационная часть.

Преподаватель отмечает отсутствующих.

Называет тему и цель занятия.

2. Мотивация учебной деятельности.

Преподаватель:

Энергосбережение, точнее рационализация производства,

распределения и использования всех видов энергии, стало одним из основных

направлений технической политики во всех развитых странах мира.

Это связано, во-первых, с ограниченностью и невозобновляемостью всех

основных энергоресурсов, во-вторых, с постоянно растущей сложностью их добычи

и

соответственно

стоимостью,

в-третьих,

с

глобальными

экологическими

проблемами, которые обозначились в последнее время.

Один

из

самых

распространенных

способов

снижения

потребления

электроэнергии это установка энергосберегающих электроприводов на механизмы

большой мощности.

Сегодня нам необходимо решить производственную задачу по модернизации

электроприводов.

Производственные

группы

представят

информацию

об

электроприводах на механизмах их участков, на которых необходимо произвести

модернизацию. У нас две проектные группы, которые подготовили проекты

энергосберегающих электроприводов. Были заданы механизмы схемы которых

представлены (приложение 1, 2) имеют релейно-контакторные схемы управления.

В результате предложенных вариантов, производственные группы должны выбрать

для своего механизма наиболее оптимальный вариант, привести описание

предложеных электроприводов и дать обоснование.

3. Деловая игра

Производственные

группы

выполнили

проекты

по

модернизации

электроприводов механизмов.

1-ю производственную группу возглавляет студент – руководитель группы

Коваленко Виктор. Члены группы, используя видеоматериал, приведут и опишут

работу схем, укажут на проблемы в работе механизмов

1-я группа:

Зворыгин

Николай:

Наша

производственная

группа

представляет

электропривод ленточного транспортера.

Ленточный транспортер работает в повторно-кратковременном режиме с

переменной нагрузкой, в условиях повышенной запыленности, в открытом

пространстве, подвержено влиянию погодных условий. Для транспортера требуется

обеспечение постоянной скорости ленты. Работа привода нереверсивная, но реверс

должен быть предусмотрен на случай аварийной ситуации.

Коваленко Виктор Ленточный конвейер работает от асинхронного двигателя

с короткозамкнутым ротором, для управления которого используется релейно-

контакторная схема управления. Рассмотрим ее работу.

Яцентюк Илья Выявим недостатки существующей системы:

3

- прямой пуск приводит к большим ударным нагрузкам на механическую

часть машины;

- большие пусковые токи и моменты приводят к перегреву и подгоранию

изоляции обмоток,

- значительные потери электроэнергии;

- дополнительные потери на холостом ходу при уменьшении загруженности

двигателя;

- частые выходы из стоя электрооборудования.

Преподаватель: 2-ю производственную группу

возглавляет студент –

Опирай Сергей

1-я группа выходит:

Бородин Александр: Насос предназначен для прокачки отработанной воды.

Он работает в длительном режиме с переменной загруженностью, в условии

повышенной запыленности и загазованности. Регулирование скорости вращения

двигателя не требуется. Управление двигателем насоса осуществляется релейно-

контакторной

схемой

управления.

Двигатель

в

насосе

асинхронный

с

короткозамкнутым ротором, управление осуществляется релейно-контакторной

схемой управления.

Опирай Сергей: Рассмотрим работу электрической схемы управления

Студент рассказывает работу схемы во всех режимах.

Луганский Данил: К недостаткам существующей системы можно отнести:

- большие пусковые токи и моменты приводят к перегреву и подгоранию

изоляции обмоток,

- значительные потери электроэнергии на сопротивлениях и в контакторах;

- большая масса и габариты панели управления;

- частые выходы из стоя электрооборудования.

Преподаватель

Проектные

группы

предоставят

проекты

энергосберегающих

электроприводов. 1-ю проектную группу возглавляет Адаменко Дмитрий

1-я проектная группа демонстрирует проект системы Устройство плавного

пуска или тиристорный регулятор напряжения.

Мусатов Сергей

Мы видим, что обе схемы осуществляют прямой пуск двигателя.

Прямой пуск двигателя – это наиболее традиционный способ пуска, который

используется с момента появления электродвигателей и до настоящего времени.

Это наиболее компактный и технически прост и реализуемый и экономически

выгодное

решение,

позволяющее

запустить

двигатель

при

номинальном

напряжении.

При

таком

способе

пуска

используется

минимальный

набор

коммутационного оборудования, однако в настоящее время, он применяется для

пуска двигателей малых мощностей.

4

Проблемы прямого пуска можно разделить на две категории: электрические и

механические. Электрические проблемы при прямом пуске двигателя:

- происходить довольно большой бросок тока, который приводит к падению

напряжения питающей сети, а также может привести к срабатыванию защиты,

особенные случаи, когда применяются специальные аппараты защиты в двигателе.

- в случае затяжного пуска, длительное протекание тока, превышающий

номинальный в 6 -8 раз оказывает значительное тепловое и электродинамическое

воздействие как на кабель, подключенный к двигателю так и на обмотки двигателя,

что приводит к их повышенному износу.

Механические проблемы

– высокий начальный пусковой момент может привести к значительному

толчку и, следовательно, к существенной нагрузке механизма привода, ремни,

крепления узлов крепления подшипника, что вызывает сокращение срока службы

или полный выход из строя.

В случае особых производств, простое оборудование в течение времени, пока

будет производиться ремонт, может привести к значительным убыткам.

При остановке, как и при пуске, возникают сильные механические вибрации,

вызванные переходными процессами. Они не позволяют осуществить синхронную

работу нескольких независимых узлов в сложных станках, линиях или установках.

Адаменко Дмитрий

Использование

устройства плавного пуска или

тиристорного регулятора напряжения.

Устройство плавного пуска

(УПП) –

механическое, электронное или электромеханическое устройство, используемое для

плавного пуска и остановки электродвигателей.

Благодаря применению устройства плавного пуска, можно одновременно

обеспечить

плавный

разгон

и

остановку

двигателя,

добиться

улучшения

стабильности электросетей, то есть уменьшить броски тока при пуске и значительно

уменьшить просадки напряжения в сети при тяжелом пуске, кроме того

использование систем плавного пуска минимизирует механические перегрузки

оборудования при пуске и остановке. Уменьшает износ механизмов, тем самым

увеличивается срок службы двигателей, редукторов, муфт и т.д., поэтому самым

оптимальным решением по соотношению функционал – стоимость для пуска

электродвигателей, в случае если нет необходимости постоянного регулирования

скорости, является устройство плавного пуска.

Принцип

действия

устройства

плавного

пуска

или

тиристорных

преобразователей основан на том, что в каждой фазе устройства установлено два

встречно направленных тиристора, которые являются управляемыми электронными

ключами, что позволяет пропускать ток в течение определенного времени, которым

может изменять систему управления тиристорами. Её можно настроить так, что в

начале пуска время открытого состояния тиристоров будет небольшим, тем самым

ток

будет

протекать

лишь

малую

часть

периода,

далее

в

ходе

разгона

электродвигателя время протекания тока увеличивается и на двигатель подается

больше напряжения, он начинает вращаться с большей скоростью. Именно

благодаря плавному увеличению питающему напряжению можно избежать резких

ударов и бросков вращающего момента, а так же уменьшить пусковой ток

электродвигателя, что позволит снизить просадки напряжения в питающей сети..

5

Крыга Николай: Все УПП компании АВВ имеют встроенный байпас.

Байпасный контактор (байпас) – это коммутационный аппарат, через который

осуществляется питание двигателя в установившемся режиме, миную тиристоры и,

таким образом, облегчая их тепловой режим и повышая КПД системы.

УПП могут быть выполнены на тиристорно-диодных группах. В таких схемах

диапазон регулирования меньше, но если регулирование скорости не требуется, то

такое решение позволяет уменьшить габариты регулятора и уменьшить стоимость.

Для получения режима динамического торможения в зоне высоких скоростей

включают тиристоры, шунтирующие обмотки АД. Для этого режима все тиристоры

запираются, а тиристор VS7 открывается. Двигатель переходит в режим торможения с

самовозбуждением.

Для

обеспечения

реверса

АД

применяют

дополнительный

комплект

полупроводниковых

приборов,

меняющий

чередование

двух

фаз

АД,

или

реверсирующий контактор

Преподаватель Давайте вспомним как работает тиристор

Видеоролик

Литовкин Данил Давайте рассмотрим несколько преимуществ УПП:

- при эксплуатации насосного оборудования основными проблемами при

прямом пуске, является высокое давление в трубах при пуске и гидроудар при

остановке. Поэтому использование УПП является лучшим решением.

- при пуске вентиляторов использование УПП уменьшает износ приводных

ремней из-за проскальзывания. Защищает от недогрузки и от холостого хода,

который может наступить, например, в случае оборвавшегося приводного ремня.

- при использовании совместно с конвейером или транспортировочными

лентами УПП позволяет предотвратить большие затраты на ремонт механических

частей из-за износа при пуске и тем самым высоких потерь простоя оборудования, а

также избежать движения в неправильном направлении и заклинивания механизмов

после длительного простоя.

2-я проектная группа

демонстрирует проект системы «преобразователь

частоты – асинхронный двигатель. Возглавляет вторую группу Сухомлинов

Дмитрий

Преподаватель Давайте вспомним как работает биполярный транзистор с

изолированным затвором

Видеоролик

Протасов

Сергей:

Модуляция

используется

для

формирования

синусоидального напряжения с возможностью изменения действующих значений и

частоты.

Фактически благодаря переключению ключей на выходе устройства получается

последовательность импульсов, эти импульсы имеют постоянную амплитуду.

Но поскольку частота этих импульсов чрезвычайно высокая (измеряется в

десятках кГц), на графиках рассматривают усреднённую синусоиду.

6

Если изменять последовательность импульсов, то можно регулировать значение

огибающей синусоиды и ее частоту.

На

практике

используют

широтно-импульсный

модуляцию,

которая

подразумевает следующее, частота следования импульсов остается неизменной, а

меняется ширина самих импульсов.

Таким образом на выходе можно получить любое синусоидальное напряжение.

Для того что бы сгладить импульсы и получить гладкое выходное напряжение

используют дроссели.

Пульсации, которые возникают на выходе отличаются от идеальной синусоиды.

Что бы максимально приблизится к идеальной синусоиде нужно изменить частоту

коммутации ключей (рис 3 (f3)), но из-за не идеальности ключей возникают потери при

их коммутации, они начинают греться и снижается КПД.

Сухомлинов Дмитрий: Хочется еще отметить, что момент на валу двигателя

может быть разным. Поскольку момент на валу двигателя стремятся сделать

постоянным. Обратимся к механическим характеристикам. Рабочая зона показана

зеленым цветом

Обратите внимание, что момент на валу двигателя зависит от напряжения

питания и частоты. Если мы хотим обеспечить некоторое постоянство момента на валу

двигателя, необходимо управлять и напряжением, и частотой.

В зависимости от характера нагрузки можно выбрать один из законов

управления законов. Очень распространены нагрузки с постоянным моментом, не

зависящем от скорости двигателя. Это такие механизмы как конвейеры, подъемники

Авдюгин Дмитрий

На схеме используются преобразователи частоты со следующими аксессуарами-

входной дроссель, входной ЭМС фильтр, выходной ЭМС фильтр, выходной дроссель,

тормозные

резисторы

и

платы

расширения.

Рассмотрим

каждый

из

этих

дополнительных устройств. Электромагнитные фильтры- поскольку речь идет о

полупроводниковом устройстве работающем на большой частоте, то конечно же

возникают помехи которые влияют на электромагнитную совместимость работы

преобразователя частоты с другими электронными устройствами для того чтобы

обеспечить бесперебойную работу различных электронных устройств преобразователя

частоты, если такие требования есть, используют ЭМС фильтры, они устраняют

высокие колебания на радиочастоте, оказывающие отрицательные воздействия на

аппаратуру. Что касается входного дросселя – это устройство имеющее магнитные

проводы, это устройство фактически ничем не отличается от дросселя, так и от

частотных составляющих в сетевом токе преобразователя частоты. Дело в том что в

преобразователь частоты входит выпрямитель, он может потреблять существенно

несинусоидальные токи, это оказывает отрицательное воздействие на энергосистему

поэтому для устранения используется входные дросселя.

На слайде приведена диаграмма для реального преобразователя частоты,

работающего с дросселем (справа), и без входного дросселя (слева). Красным отмечены

кривые токи, по ним видно, что с использование дросселя существенно приближает

кривую входного тока к синусоиде, еще один положительный эффект – это

компенсация кратковременных колебаний сетевого напряжения, поскольку дроссель -

это элемент, который позволяет запасаться энергией, то он может компенсировать

7

кратковременные колебания сетевого напряжения и обеспечить надежную работу

преобразователя частоты.

Что касается выходного дросселя, то он предназначен фактически для тех же

целей, а именно устранения высокочастотных пульсаций напряжения на двигателе,

единственное – источник этих колебаний не двигатель а сам инвертор, который так же

работает на высокой частоте. Поэтому снижение пульсаций напряжения на двигателе

положительно сказывается на режимах работы самого двигателя, увеличивается срок

его службы и уменьшаются потери, нагрев и еще масса положительных свойств с

применением таких выходных дросселей. Кроме этого выходной дроссель позволяет

ограничивать скорость роста тока при коротком замыкании и это в итоге позволяет

эффективно ограничить выходные токи самого преобразователя, другими словами

фактически «запирать транзисторы» и защитить их от выхода из строя.

Сухомлинов Дмитрий: Тормозной резистор предназначен для вывода энергии

при торможении. Инвертор переводит двигатель в режим генератора, механическая

энергия преобразуется в электрическую и на стороне постоянного напряжения на

накопительный конденсатор и тормозной резистор, где преобразуется в тепловую.

Принципиальная схема преобразователя с тормозным блоком показана на слайде

Энергию

торможения

можно

использовать

полезно,

возвращая

ее,

рекуперируя обратно в сеть. Это целесообразно, когда механизм часто работает в

тормозном режиме. Для возврата энергии в питающую сеть, необходимо

параллельно неуправляемому выпрямителю включить рекуператор, как показано на

схеме. Рекуператор представляет собой трехфазный инвертор напряжения на

транзисторах, коммутация которых происходит с частотой питающей сети.

Использование рекуператора существенно удорожает схему.

Преподаватель: Производственная группа на основе анализа предложенных

проектов

выбирает

оптимальный

электропривод.

Слово

предоставляется

руководителям производственных групп.

Коваленко Виктор: Для ленточного конвейера выбираем электропривод с

частотным управлением. Свой выбор обосновывает.

Опирай Сергей:

Для насоса для модернизации выбираем устройство

плавного пуска. Свой выбор обосновывает.

4. Для оценки уровня усвоения темы студентам предлагается пройти тест по

теме.

5. Преподаватель подводит итоги занятия и выставляет оценки всем

участникам.

8

Приложение1

Тест

1 В инверторе тока в качестве фильтра включается в схему

А) конденсатор и катушка

Б) конденсатор;

С) катушка;

2 Инвертор преобразует

А) переменное напряжение в постоянное;

Б) Постоянное напряжение в переменное;

С) постоянное в импульсное

3 На рисунке приведена схема

А)

частонгого

преобразователя

с

автономным

инвертором напряжения

Б) тиристорного регулятора напряжения

С)

частонгого

преобразователя

с

автономным

инвертором тока

4 На рисунке приведена схема

А)

частонгого

преобразователя

с

автономным

инвертором напряжения

Б) тиристорного регулятора напряжения

С) частонгого преобразователя автономным инвертором

тока

5Какие транзисторы используют в инверторах преобразователей частоты

А) биполярный

Б) полевой

С) биполярный с изолированным затвором

6 Тиристоры выбирают по:

А) по току и напряжению

Б) по напряжению и частоте

С) мощности и напряжению

7 Силовая часть преобразователя часторы с автономным инвертором

включает в себя:

А) трансформатор, інвертор ведомый сетью

Б) трансформатор, выпрямитель, сглаживающий дросель

С) выпрямитель, фильтр, инвертор

9

8

Какой

способ

регулирования

скорости

осуществляется

преобразователем частоты

А) частотой

Б) напряжением питания

С) сопротивлением в цепи ротора

9 Какой способ регулирования скорости осуществляется тиристорным

регулятором напряжения

А) сопротивлением в цепи ротора

Б) напряжением питания

С) частотой

10 Основными силовыми ключами инвертора не могут быть:

А) диоды, стабитроны;

Б) тиристоры, транзисторы

С) трансформаторы, тиристоры.

10

Приложение 2 - Электрические схемы механизмов

11

Литература

1. Ильинский Н.Ф, Москаленко В.В., Электропривод энерго - и ресурсосбережение, Москва,

"Академия", 2008г

2. Г.Б. Онищенко, Электрический привод. - Москва, "Академия", 2006г.

3. Москаленко В.В. Электрический привод. -Москва "Академия", 2007г.

4.

Белов М. П. Автоматизированный электропривод типовых производственных

механизмов. - Москва "Академия", 2007г.

12

13

14

15