Устройства частотно-регулируемого привода
АО «Робитэкс» на основе частотно-регулируемого привода (ЧРП) разработаны и серийно выпускаются следующие изделия:
1. Шкаф управления насосной станцией системы отопления (УППД);
2. Шкаф управления насосами водяного пожаротушения;
3. Шкаф управления насосной станцией водоснабжения;
4. Шкаф управления компрессором АГНКС;
5. Шкаф управления маслонасосом уплотнения турбоагрегата;
6. Оборудование управления мостовым краном (в том числе и работающего при повышенной температуре до +700 С);
7. Устройство управления вентиляторами АВО газа.
8. Окомкователь барабанный ОБФ-2,8х10. Электрооборудование и АСУ ТП.
Теоретические основы ЧРП
Как уже отмечалось, основной недостаток асинхронных электродвигателей – сложность регулирования их скорости традиционными методами (изменением питающего напряжения, введением дополнительных сопротивлений в цепь обмоток).
Теория частотного регулирования асинхронных электродвигателей была разработана еще в тридцатых годах, но управление в частотном режиме до недавнего времени было большой проблемой. Развитие частотно-регулируемого электропривода сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления позволило различным фирмам Европы, США и Японии создать современные преобразователи частоты доступной стоимости.
Известно, что регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств: механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты, но применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации.
Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным приводом в настоящее время.
Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно в соответствии с выражением
при неизменном числе пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора ω0.
Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью. Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики.
Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение.
Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Mс . При постоянном моменте нагрузки Mс=const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:
Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид:
При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости:
Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статоре асинхронного двигателя.
Преимущества использования ЧРП в технологических процессах
Применение регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за счет регулирования какого-либо технологического параметра. Если это транспортер или конвейер, то можно регулировать скорость его движения. Если это насос или вентилятор – можно поддерживать давление или регулировать производительность. Если это станок, то можно плавно регулировать скорость подачи или главного движения.
Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора.
Перспективность частотного регулирования наглядно видна из рисунка 1
Таким образом, при дросселировании поток вещества, сдерживаемый задвижкой или клапаном, не совершает полезной работы. Применение регулируемого электропривода насоса или вентилятора позволяет задать необходимое давление или расход, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снизит потери транспортируемого вещества.
Структура частотного преобразователя
Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Преобразователь частоты состоит из неуправляемого диодного силового выпрямителя В, автономного инвертора АИН, системы управления ШИМ, системы автоматического регулирования, дросселя Lв и конденсатора фильтра Cв (рис.2).
Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.
Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.
В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями.
Регулирование выходной частоты fвых. и напряжения Uвых осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления. Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя.
Рис.2. Структура частотного преобразователя
Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления СУИ обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.
Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя. Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи. (рис.3.).
Рис.3. Формы напряжение и тока на выходе ЧРП.
Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики. Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение.
Режимы управления электродвигателем
В зависимости от характера нагрузки ЧРП обеспечивает различные режимы управления электродвигателем, реализуя ту или иную зависимость между скоростью вращения электродвигателем и выходным напряжением.
Режим с линейной зависимостью между напряжением и частотой (U/f=const) реализуется простейшими преобразователями частоты для обеспечения постоянного момента нагрузки и используется для управления синхронными двигателями или двигателями, подключёнными параллельно. Вместе с тем при уменьшении частоты, начиная с некоторого значения, максимальный момент двигателя начинает падать. Для повышения момента на низких частотах в преобразователях предусматривается функция повышения начального значения выходного напряжения, которая используется для компенсации падения момента для нагрузок с постоянным моментом или увеличения начального момента для нагрузок с высоким пусковым моментом, таких, например, как промышленный миксер.
Для регулирования электроприводов насосов и вентиляторов используется квадратичная зависимость напряжения/частоты (U/f2=const). Этот режим, так же как и предыдущий, можно использовать для управления параллельно подключенными двигателями.
Наиболее точное и эффективное управление обеспечивает режим векторного управления без датчика обратной связи по скорости (SVC). В двигателях переменного тока с короткозамкнутым ротором имеется всего лишь одна статорная обмотка, через которую формируется возбуждающее магнитное поле и определяет вращающий момент. С этим и связаны трудности управления электродвигателем. Выход остаётся один: необходимо управлять амплитудой и фазой статорного тока, то есть его вектором, однако для управления фазой тока, а значит, и фазой магнитного поля статора относительно вращающегося ротора необходимо знать точное положение ротора в любой момент времени. Эта задача может быть решена с использованием датчика положения, например, шифратора приращений, но в составе большинства стандартных электродвигателей переменного тока встроенные датчики положения отсутствуют, поскольку их введение неизбежно ведёт к усложнению конструкции двигателя и существенному повышению его стоимости.
Применение современной технологии векторного управления позволяет обойти это ограничение путём использования математической адаптивной модели двигателя для предсказания положения ротора. При этом система управления должна с высокой точностью измерять значение выходных токов и напряжений, обеспечивать расчёт параметров двигателя (сопротивление статора, значение индуктивности рассеяния и.т.д.), точно моделировать тепловые характеристики двигателя с различными режимами его работы, осуществлять большой объём вычислений с очень высокой скоростью. Все это обеспечивается применением в составе ЧРП специализированных интегральных схем ASIC.
Вместе с тем режим векторного управления не может быть использован для синхронных или реактивных синхронных двигателей, для группы двигателей, чья номинальная мощность меньше половины мощности преобразователя частоты или превышает его.
Область применения ЧРП
В момент создания ЧРП имели очень узкую область применения. Их использовали не особо охотно по причине низкой надежности частотных преобразователей. В настоящее время в результате значительного прогресса в области производства силовых полупроводников удалось существенно поднять надежность частотных регуляторов и снизить их стоимость. Как следствие область использования частотно регулируемых приводов серьезно расширилась.
При этом использование ЧРП значительно расширило область применения асинхронных двигателей. Например, асинхронные двигатели в составе электрического привода с регулированием по частоте стало возможно использовать в станках. Наиболее популярными можно назвать следующие области применения для ЧРП: регулирование скорости насосов, изменение скорости вентиляторов, управление конвейерным оборудованием.
Частотные регуляторы показывают хорошие результаты при управлениями насосам в системах водоснабжения. В этих системах они обеспечивают существенное сокращение расходов за счет сбережения энергии. Насосы с частотным управлением стали весьма широко применяться как в промышленности, так и в сфере ЖКХ.
В системах теплоснабжения частотно-регулируемые привода применяют для управления сетевыми насосами. Такое применение обеспечивает существенное сбережение энергии и как результат экономию.
В котельных электропривода с частотным управлением используют для управления насосов и дымососов. Это позволяет существенно улучшить технологические параметры котельных.
Также в настоящее время ЧРП широко применяются в судовых электроприводах большой мощности, прокатных станах (синхронизация работы клетей), станках с ЧПУ, городском электротранспорте.Наибольший экономический эффект даёт применение ЧРП в системах вентиляции, кондиционирования и водоснабжения, где применение ЧРП стало фактически стандартом.
Недостатки применения ЧРП
Несмотря на все свои достоинства, ЧРП имеют ряд недостатков, на которые при поверхностном взгляде обычно не обращают внимания. К ним относятся:
1. Гармонические искажения питающей электрической сети Причинами появления высших гармоник являются имеющие в составе ЧРП нелинейные входные цепи (выпрямительный мост), потребляющие импульсный ток.
Интенсивность гармонических искажений напряжения питания зависит:
от соотношения мощности питающего трансформатора и суммарной мощности ЧРП. Чем мощнее сеть по отношению ко всем нелинейным потребителям, тем меньше уровень гармонических искажений.
от протяженности и сечения линии питания от питающего трансформатора до потребителя. Если бы сопротивление сети относительно зажимов каждого отдельного потребителя было равно нулю, то искажений синусоидальности напряжения отсутствовало.
Существует ряд способов борьбы с нелинейными искажениями питающего напряжения:
Выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин (разделение линейных и нелинейных нагрузок);
Снижение полного сопротивления распределительной сети;
Применение фильтрующих устройств подавления гармоник
а) Включение линейных дросселей. Последовательное включение линейных дросселей переменного тока является простейшим способом снижения уровня генерируемых ЧРП высших гармоник во внешнюю сеть.Дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и значительные величины сопротивлений для высших гармоник, что приводит к их ослаблению.
б) Включение дросселей постоянного тока в ЧРП. Дроссели постоянного тока в ЧРП подключаются к специально выведенным клеммам в разрыв цепи постоянного тока. Некоторые модели ЧРП преобразователей поставляются уже со встроенными дросселями.
2. Электромагнитные помехи. На выходе устройство ЧРП выдает широтно-модулированные прямоугольные импульсы напряжения, получаемые с помощью сверхбыстрых полупроводниковых ключей (IGBT). Эти импульсы создают широкий спектр высокочастотных помех. Происходит излучение помех, а также их распространение по всем контурам. Чтобы ограничить уровень помех в соответствии с нормами IEEE и ГОСТ необходима установка дополнительных фильтров.
3. Резкие скачки напряжения сокращают срок службы двигателей. Современные полупроводниковые ключи, используемые в ЧРП, отличаются исключительно высокой скоростью перехода из открытого состояния в закрытое, что проявляется в резких скачках напряжения с уклоном (du/dt) до 10 кВ/мкс. Это явление приводит к чрезмерным нагрузкам на изолированные медные провода обмоток двигателя и питающие кабели, и, как следствие, к преждевременному износу изоляцонного слоя. После установки синусоидального фильтра на выходе электропривода, значение du/dt снижается до приемлемого уровня. Синусоидальные фильтры рекомендуют устанавливать и на старые двигатели без регулируемого электропривода.
4. Скачки напряжения, возникающие в результате переотражения. Высокие рабочие частоты и крайне быстрое переключение напряжения накладывают дополнительные требования на длину соединительного кабеля. Импульсы напряжения, генерируемые ЧРП, поступают на клеммы двигателя в виде отраженных волн. Отражение волн от концов кабеля может привести к двукратному повышению выходного напряжения электропривода. Лаковая изоляция обмоток двигателя не рассчитана на подобные скачки напряжения, поэтому может произойти пробой изоляции. Синусоидальные фильтры устраняют эффект отражения волн и снижают напряжение на клеммах двигателя до приемлемого уровня, предотвращая повреждение двигателя и аварийную остановку системы.
5. Возможно повреждение подшипников. Асимметрия в конструкции двигателя, особенно между парами полюсов, приводит к появлению потенциала на оси двигателя, даже если напряжение питания – чистый синусоидальный сигнал. Это напряжение вызывает ток через подшипники и заземление. Возникающая в результате электроэрозия приводит к быстрому выходу из строя дорожек и подшипников по причине их износа. Для решения этой проблемы специально разрабатываются стабилизаторы подшипниковых токов, токосъемные устройства и синусоидальные фильтры.
6. Влияние емкости между землей и линиями кабеля. Возникающее емкостное сопротивление пропорционально длине кабеля и весьма незначительно для высокочастотных компонент, что затрудняет работу ЧРП, увеличивая его реальную нагрузку. В предельном случае вся энергия рассеется в кабеле и двигатель остановится.
7. Двигатель может сильно шуметь. Если напряжение питания двигателя не является синусоидальным, двигатель будет производить больше шума. Наличие в рабочем напряжении высокочастотных компонент приводит к магнитострикции пластинчатого сердечника двигателя. Как следствие, возникают неприятные человеческому уху сильные дисгармонические шумы, высокий уровень которых недопустим. Установка синусоидального фильтра снижает шум двигателя до нормального уровня.
Таким образом видим, что установка фильтров как по входу , так и по выходу ЧРП позволяет существенно снизить его недостатки. Необходимость применения фильтров определяется в каждом конкретном случае, ЧРП малой мощности при небольшой длине кабеля к двигателю могут работать и без дополнительных фильтров.
Преимущества применения ЧРП
• Высокая точность регулирования;
• Экономия электроэнергии в случае переменной нагрузки;
• Равный максимальному пусковой момент;
• Возможность удалённой диагностики привода по промышленной сети;
• Повышенный ресурс оборудования;
• Уменьшение гидравлического сопротивления трубопровода из-за отсутствия регулирующего клапана;
• Плавный пуск двигателя, что значительно уменьшает его износ;
• ЧРП как правило содержит в себе ПИД-регулятор и может подключатся напрямую к датчику регулируемой величины (например, давления);
• Управляемое торможение и автоматический перезапуск при пропадании сетевого напряжения;
• Подхват вращающегося электродвигателя;
• Стабилизация скорости вращения при изменении нагрузки;
• Дополнительная экономия электроэнергии от оптимизации возбуждения эл. Двигателя;
• Возможность рекуперации электроэнергии при торможении двигателя.