ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Частотное управление асинхронными двигателями

Цены на преобразователи частоты(12.11.14г.):
Модель Мощность Цена
CFM110 0.25кВт 1500грн
CFM110 0.37кВт 1600грн
CFM210 1,0 кВт 2200грн
CFM210 1,5 кВт 2400грн
CFM210 2,2 кВт 2900грн
CFM210 3,3 кВт 3400грн
Контакты для заказов:
+38 050 4571330
msd@msd.com.ua
Более подробнее, фото, доставка и оплата на стр. //msd.com.ua/invertor/invertor/

А. А. Булгаков

Основным средством автоматизации машин-орудий в современном производстве является электропривод. В США электродвигатели потребляют 64% всей электро­энергии. Стало банальным утверждение, что самым деше­вым, надежным и быстродействующим электродвигателем является асинхронный. И это бесспорно, но короткозамк­нутый асинхронный двигатель, при всех своих достоинст­вах, при питании от сети стандартной частоты становится двигателем с постоянной скоростью, а современный элек­тропривод из средства снабжения механической энергией рабочих машин, благодаря регулированию скорости, в про­грессирующей степени становится могучим средством управления, повышения производительности и качества технологических процессов [1].

Вот почему техническая мысль свыше полувека занята проблемой освобождения короткозамкнутого двигателя от оков стандартной частоты вращения при сохранении всех его достоинств. Для этого было необходимо и достаточно всего только обеспечить каждый двигатель своим индиви­дуальным источником энергии переменной, управляемой частоты. Отсюда следует термин, которым мы будем поль­зоваться, «частотное управление».

В интересах истины можно заметить, что частотное управление короткозамкнутыми двигателями является по нраву и преимуществу русским, советским достижением.

В 1889 г. русский инженер М. О. Доливо-Доброволь­ский, ставший в результате политической эмиграции глав­ным инженером немецкой фирмы АЭГ (Всеобщая компа­ния электричества), разрабатывая впервые энергосистему трехфазного тока, получил патент DRP 51083 от 31.08.1889 г. на трехфазный асинхронный короткозамкну­тый двигатель. До этого, в 1885 г. Галлилей Феррарис открыл явление вращающегося магнитного поля, а год спу­стя, в 1886 г., серб Н. Тесла, независимо от Феррариса, построил двухфазный асинхронный двигатель с распреде­ленной обмоткой, но с неудачной (не круглой) конструк­цией ротора.

В 1916 г. будущий академик М. П. Костенко в сотруд­ничестве с Н. С. Япольским начал разрабатывать для пи­тания асинхронных двигателей специальный коллекторный генератор с раздельно управляемыми напряжением и ча­стотой при постоянной его скорости. В 1921 г. ими был за­явлен первый патент на новую машину.

В 1925 г. М. П. Костенко опубликовал статью, в кото­рой были изложены основы теории асинхронного двигате­ля при переменной частоте и в которой впервые изменение частоты рассматривалось как метод регулирования скоро­сти короткозамкнутых двигателей [2]. В этой работе со,- держались все основные, при обычно принятых допущени­ях, положения о режимах работы и характеристиках асинхронного двигателя при частотном управлении в ста­ционарных режимах. Эту работу законно считают поло­жившей начало трудной истории частотного управления. Все последующие многочисленные работы или уточняли отдельные положения статьи М. П. Костенко, или, в по­давляющем большинстве, относились к способам и устрой­ствам преобразования частоты.

Коллекторные генераторы переменной частоты и дру­гие электромашинные преобразователи получили ограни­ченное применение из-за общих недостатков, свойствен­ных электромашинным преобразователям, — громоздкости, механического метода управления частотой, наличия вра­щающихся машин и, особенно, коллектора. Это с самого начала стимулировало изыскания статических способов преобразования частоты на основе вентилей. Однако про­блема создания вентильного преобразователя частоты, удовлетворяющего всем необходимым технико-экономиче­ским требованиям управления асинхронным двигателем, оказалась достаточно сложной.

Создание работоспособных вентильных преобразовате­лей частоты потребовало решения двух основных задач:

1) разрабоїки надежных, экономичных, малогабарит­ных, удобных в монтаже и эксплуатации вентилей,

2) изыскания удовлетворительных схем коммутации тока.

В разработках вентильных преобразователей частоты с самого начала, т. е. с конца тридцатых годов, использова­лись вентили того времени — ртутные вентили с сеткой, тиратроны, несколько позже — контактные вентили. Но те или другие недостатки, свойственные им (общий катод у ртутных вентилей, горячий катод и низкая надежность ти­ратронов, неудобства механической коммутации контакт­ных устройств), препятствовали применению предложен-

ных в то время преобразователей частоты и вентильных приводов с частотным управлением. Постепенно качество газоразрядных вентилей улучшалось. Были созданы одно­анодные ртутные безнасосные выпрямители и металличе­ские тиратроны и игнитроны. С сороковых годов электро­привод с двигателями постоянного тока, питаемыми от преобразователей на тиратронах, получил широкое приме­нение почти во всех странах Европы и США. Но преобразо­ватель частоты с непосредственным питанием от сети пере­менного тока, предложенный в 1939 г. Д. А. Завалиши - ным, было трудно реализовать на тиратронах из-за боль-

шого числа вентилей, а для двухзвенпых преобразователей частоты по схеме выпрямитель — инвертор не удавалось получить удовлетворительное качество коммутации. Когда такое решение в середине пятидесятых годов наметилось, оно все еще не могло получить широкой промышленное реализации из-за недостатков тиратронов. Попытки со­здать преобразователи на транзисторах не могли иметь серьезного значения из малой мощности транзисторов.

Только появление силовых полупроводниковых венти­лей — тиристоров поставило проблему вентильного преоб­разователя частоты, а с ним и бесконтактного вентильного привода с частотным управлением на прочную, экономи­чески обоснованную почву.

Тем не менее к выходу первого издания настоящей мо­нографии в 1955 г., т. е. спустя 30 лет после основопола­гающей статьи М. П. Костенко, привод с частотным управ­лением уже получил, хотя и ограниченное, но прочное применение для некоторых видов производственных ма­шин и в специальных установках с электромашинными преобразователями. Применялись вращающиеся преобра­зователи двух основных видов.

1. Простые преобразователи: двигатель-генераторные агрегаты, состоящие из двух машин, связанных муфтой и вращающихся с переменной управляемой скоростью (ри£. В.1,а), — генератора переменной частоты (синхрон - ного генератора СГ или индукционного преобразователя ИПЧ) и двигателя постоянного тока М с регулируемой скоростью, с питанием от цеховой сети постоянного тока или трехфазного коллекторного двигателя КМ с питанием от заводской сети переменного тока.

Индукционный преобразователь частоты представляет собой обыкновенную асинхронную машину с фазным ро­тором, одна обмотка которой (статора или ротора) воз­буждается частотой сети, ротор же вращается приводным двигателем.

2. Каскадные преобразователи, составленные из двух двухмашинных агрегатов (рис. В.1,в): агрегата постоян­ной скорости, состоящего из синхронного или асинхронно­го двигателя М и генератора постоянного тока с независи­мым возбуждением Г или агрегата переменной скорости, состоящего из двигателя постоянного тока независимого возбуждения М и синхронного генератора или индукцион­ного преобразователя частоты ПЧ.

Регулирование скорости второго агрегата осуществля­ется изменением возбуждения генератора постоянного тока, а также, если необходимо расширить диапазон регу­лирования, и изменением возбуждения двигателя постоян­ного тока. При изменении скорости изменяются соответ­ственно частота и напряжение генератора переменной ча­стоты.

Типовые промышленные каскадные электроприводы применялись для всех мощностей и обычно имели диапа­зон частотного регулирования от 5: 1 до 6: 1 в системах с синхронным генератором и от 2:1 до 3:1 — с индукци­онными преобразователями. Высокоскоростной привод с асинхронными генераторами применялся и при значитель­но более широком диапазоне регулирования частоты.

Среди приводов с частотным управлением одним из первых получил эффективное промышленное применение индивидуальный привод рольгангов металлургических за­водов. Определяющими оказались два фактора: надеж-, ность двигателей и удобство согласованного регулирова­ния их-угловой скорости.

В прокатном цехе современного металлургического завода рольганги выполняют две основные функции: ра­бочие рольганги осуществляют подачу металла в валки прокатного стана, транспортные рольганги являются основным средством, обеспечивающим непрерывность тех­нологического процесса прокатки. Длина отдельных роль­гангов доходит до 100 м, а установленная мощность их электроприводов достигает 25—50% от установленной 6

мощности приводов всех вспомогательных механизмов.

Жесткие требования к надежности и экономичности привели к развитию индивидуального электропривода ро­ликов рольгангов. Первая такая установка была вызвана необходимостью в криволинейном рольганге. Она появи­лась в 1909 г., но широкое применение индивидуальный привод получил в годы первых пятилеток.

По сравнению с групповым приводом через сквозной вал с передачей к отдельным роликам на конических зуб­чатых передачах индивидуальный привод имеет сущест­венные преимущества. Его надежность значительно выше, упрощается и удешевляется конструкция рольганга, уве­личивается производительность благодаря более выгод­ным динамическим характеристикам индивидуального привода, существенно снижается расход электроэнергии.

Применение частотного управления в индивидуальном приводе рольгангов обусловлено необходимостью согласо­ванного регулирования скорости и управления пуском, торможением и реверсом большого числа двигателей, при­водящих во вращение ролики. Для индивидуального при­вода рольгангов с частотным управлением промышлен­ность выпускает специальные серии короткозамкнутых асинхронных двигателей.

В свое время для рольгангов были разработаны специ­альные электроролики, объединяющие конструктивно дви­гатель с роликом. Такой электроролик состоит из непо­движной оси, на которой закреплены статор с неподвиж­ной обмоткой и выводами в осевом отверстии и ротором с алюминиевой или латунной короткозамкнутой клеткой, корпусом которого является сам ролик. Однако несмотря па простоту конструкции электроролики не оправдали се­бя из-за тяжелых условий охлаждения обмоток статора.

Вторая специфическая область применения частотно­управляемого привода — текстильные машины (прядиль­ные и крутильные).

В каждой из таких машин имеются сотни электро­шпинделей, объединяющих электродвигатель с рабочим орудием, например рогулькой. Типичная конструкция электроверетена представляет собой асинхронный двига­тель с короткозамкнутым ротором мощностью 0,05— 0,2 кВт, сквозь полый вал которого проходит нить к укрепленной на нем рогульке.

Индивидуальный электропривод с частотным управле­нием получил применение в ватерах сухого прядения джу­товой и пеньковой пряжи, в машинах мокрого прядения пеньки, льна, для изготовления тонкой пряжи, а также в

разных гребенчатых прядильных машинах для самой тон­кой и самой грубой пряжи. Частотное управление занялсЗ важное место в производстве искусственного шелка, в пер* вую очередь в приводе прядильных центрифуг.

Введение индивидуального электропривода взамен грої моздких механических передач необычайно упростило ма­шины и изменило их вид, улучшило качество пряжи и со­кратило брак благодаря более плавному ходу и жесткому соединению вала двигателя с рабочим инструментом и, наконец, указало путь существенного повышения произво­дительности труда за счет увеличения скорости. Уже в первый период применения индивидуального электропри­вода частота вращения достигала 4000—6000 об/мин.

Возможности дальнейшего увеличения скоростей, ко­торые дает электропривод при повышенных частотах, по­ставили вопрос о переходе на принципиально новые методы прядения, так как применяемые конструкции крутильно­мотального механизма не позволяют поднять частоты вра­щения выше примерно 12 000 об/мин.

Все преимущества, которые дает индивидуальный при­вод— радикальное упрощение кинематики и конструкции машин, улучшение качества пряжи и увеличение произво­дительности, достигнуты только благодаря специфическим свойствам частотного управления, позволяющего получить синхронное управление большим числом электродвигате­лей с высокой степенью плавности и точности регулирова­ния их скоростей.

Примером электропривода с глубокой автоматизацией могут служить машины для прядения искусственного во­локна.

В процессе прядения каждая нить проходит следующие операции. Насос выдавливает волокна вискозной массы, которые сгущаются, скручиваются и в затвердевшем со­стоянии проходят через отделочный барабан, где они сма­зываются, к подающему валу. С подающего вала нить по­ступает на сматывающий барабан. Каждое из звеньев, об­служивающих этот процесс, имеет электропривод, который должен обеспечить вполне определенное соотношение ме­жду их скоростями. Скорость подающего вала должна, несколько превышать скорость насоса. Эта разность ско­ростей определяет толщину, плотность и химический со­став нити. Скорость подающего вала и наматывающего барабана должны быть согласованы так, чтобы нить не имела заметного натяжения. Только к скорости отделоч­ного барабана не предъявляется жестких требований, так как нить проходит его со свободным скольжением. Насос, подающий вал и наматывающий барабан каж­дой линии, обслуживающей одну нить, имеют индивиду­альные приводы с частотным управлением.

Отделочные барабаны вращаются общим валом от при­вода постоянного тока. Требуемое соотношение скоростей индивидуальных приводов каждой линии обеспечивается посредством электронных регуляторов.

Равенство скоростей между одними и теми же звенья­ми всех линий достигается питанием их одной и той же частотой. Ввиду высоких требований к точности регулиро­вания скорости в качестве приводных двигателей приме­нялись синхронные реактивные двигатели специального исполнения.

Питание индивидуальных двигателей машины осуще­ствляется от двух преобразователей частоты. Один из них питает электродвигатели насосов, другой — подающих ва­лов и наматывающих барабанов. Каждый преобразова­тель состоит из синхронного генератора и приводного двигателя постоянного тока, который питается от своего генератора. Последний является одной из машин общего агрегата постоянной скорости с асинхронным приводным двигателем.

Каждый преобразователь имеет независимое регули­рование частоты, для того чтобы изменением соотношения частот задать необходимую толщину нити. Но однажды заданное соотношение поддерживается с точностью до 0,1% независимо от статической нагрузки, частоты, напря­жения преобразователей и температуры окружающего воздуха.

Эта задача решалась электронными устройствами ав­томатического управления, воздействующими на тиратрон - ные возбудители генераторов и двигателей постоянного тока или синхронных генераторов переменной частоты. Изменением тока возбуждения генераторов и двигателей постоянного тока осуществлялось двухзонное регулирова­ние частоты вращения преобразователей и, следовательно, выходной частоты.

Регулирование возбуждения синхронных генераторов обеспечивает изменение напряжения пропорционально частоте.

Весьма актуально применение асинхронных двигателей с частотным управлением для тягового привода электро­возов и тепловозов. Этот вопрос возник одновременно с самой идеей частотного управления. Уже в первых рабо­тах по частотному управлению академик М. П. Костенко указывал на тяговый привод как на одну из важнейшихобластей его применения. Тогда же отмечались преимуще­ства, которые ожидались от привода с частотным управ - лением в области тяги. Недостатки двигателей постоянно­го тока, обусловленные наличием коллектора, особинно остро сказываются в тяговом электроприводе. Тяговые двигатели работают в особо тяжелых условиях влажно­сти, колебаний температуры, загрязнения, ударов и т. д. К ним предъявляются повышенные требования по надеж­ности, защите от пыли и влаги, а размещение двигателей в труднодоступных местах у осей и специфика работы подвижного состава крайне затрудняют уход за дви­гателями.

Применение асинхронных двигателей, почти не требую­щих ухода, при частотном управлении позволяет ради­кально решить пробле­му тягового электро­привода. К этим пре­имуществам добавля­ются уменьшение мас­сы двигателей, упро­щение и облегчение аппаратуры - управле­ния.

В коллекторном ге­нераторе Костенко-- Ямпольского были за­ложены необходимые предпосылки для реа­лизации тягового при-' вода с частотным управлением. Еще в 1923 г. ХЭМЗ прово­дил разработку элек­трооборудования для привода тепловоза с дизелем мощностью 810 кВт на осно­ве коллекторного генератора переменной частоты и асинх­ронных тяговых двигателей. Разрабатывались и другие ва­рианты тягового привода с частотным управлением.

Впервые тяговый привод был реализован в Венгрии [3]. В 1935—1938 гг. под руководством Ф. Ротковского был разработан электропривод с питанием от однофазной контактной сети частотой 50 гц.

Однофазное напряжение контактной сети преобразует­ся в трехфазное посредством преобразователя числа фаз ПФ, представляющего собой трехфазный синхронный дви­гатель, к трем выводам обмотки якоря которого включенанагрузка в виде преобразователя частоты ПЧ, а два из них включены, кроме того, на сеть (рис. В.2).

Для преобразования частоты использованы индукцион­ные преобразователи.

В 1939 г. были поставлены для эксплуатации на госу­дарственных железных дорогах Венгрии два первых элек­тровоза с частотным управлением. Электровозы имели следующие технические характеристики:

Общая масса, т............................ 115 144

Часовая мощность, кВт... . 2950 2950

Максимальное тяговое усилие, Н 22-Ю* 22-10*

Ступени скорости, км/ч...... 25, 50, 75 25, 50, 75

100, 125 100, 125

Масса на единицу мощности,

кг/кВт....................................... 39,4 49

Индукционный преобразователь частоты вращается приводным асинхронным двигателем М. Тяговые двигате­ли ТД — асинхронные, с короткозамкнутым ротором. Регу­лирование частоты осуществляется переключением числа нар полюсов обмоток приводного двигателя. На первых двух ступенях скорости для повышения тягового усилия двигатели питаются повышенным напряжением за счет возбуждения преобразователя частоты со стороны ротора, а не статора, как на остальных трех ступенях.

Быстроходные тяговые двигатели связаны с осями ко­лес редукторами. Для увеличения пускового момента двигатели выполнены с повышенным активным сопротив­лением ротора, а для уменьшения снижения магнитного потока в результате падения напряжения в активных со­противлениях статора последние существенно уменьшены за счет некоторого увеличения массы.

Результаты линейных испытаний электровозов оцени­вались положительно, и за 1943—1944 гг. был введен в эксплуатацию 21 электровоз.

В 1950 г. возобновлено производство электровозов с упрощенной схемой электропривода. Преобразование числа фаз и частоты осуществляется всего двумя вращаю­щимися машинами, так как преобразователь числа фаз одновременно используется в качестве приводного двига­теля преобразователя частоты.

Техническая характеристика электровоза:

Общая масса, т.............................. 89

Часовая мощность, кВт............... 2360

Максимальное тяговое усилие, Н. . . 21 • Ю4

Ступени скорости, км/ч................... 25, 50, 75

100, 125,

Масса нэ единицу мощности, кг/кВт. . , 37,8

Тяговый привод с плавным частотным управлением был разработан в 1940 г. для моторных вагонов электро­поездов. Он имел часовую мощность 486 кВт, максималь­ное пусковое усилие 4,5-104 Н, общую массу электрообо­рудования, включая два тяговых двигателя, 17 т, макси­мальную скорость 125—150 км/ч.

Преобразователь числа фаз вращает генератор посто­янного тока, а питаемый последним двигатель — индукци­онный преобразователь частоты. Регулирование частоты осуществляется изменением возбуждения как генератора, так и двигателя постоянного тока. В системе возможно рекуперативное торможение. •

По сравнению с тяговым приводом постоянно, о тока система с плавным частотным управлением при несколько большей массе (на 3—4%) имела значительно большую надежность вследствие применения более легких асинх­ронных тяговых двигателей (4,5 т против 2,5 т при мощ­ности на 20% выше). Позже такая система получила при­менение и на тяжелых электровозах.

В 1953 г. были изготовлены первые 20 электровозов с плавным частотным управлением [3] для железных до­рог Франции.

Техниіеекая характеристика электровоза:

Полная масса, т.................................... 120

Максимальная скорость, км/ч.............. 60

Скорость при длительном режиме, км/ч. 39,2

Полное тяговое усилие, Н............. 24-10*

Пусковое тяговое усилие, Н......... 40-104

Длительная мощность на валу двигателей,

кВт..................................................... 2640

Полный КПД................................... 0,74—0,75

Коэффициенты мощности:

при отстающем токе............................ 0,92

при опережающем токе....................... 0,98

Принципиальная схема электровоза показана на рис. В. 2. Преобразователь числа фаз ПФ питается от контактной сети напряжением 22,5 кВ и частотой 50 Гц через трансформатор Т. Возбуждение преобразователя фаз и машин постоянного тока осуществляется от отдель­ного возбудителя В. Электровоз имеет шесть асинхронных тяговых двигателей (ТД). Управление предусматривает рекуперативное торможение.

Тяговые двигатели трехфазные, с короткозамкнутым ротором, 10-полюсные, с усиленной вентиляцией: в дли­тельном режиме 930 В, 333 А, 440 кВт при частоте 91,3 Гц, 1055 об/мин, тяговое усилие 40-IQ4 Н.

Накопленный опыт и материалы по тяговому приводу с частотным управлением показали несомненную жизнен­ность частотного управления даже при средствах преобра­зования частоты того времени, основным недостатком ко­торых оставалось наличие коллектора. Однако создание статических тиристорных преобразователей частоты для тяги затянулось.

Кроме описанных электроприводов промышленного на­значения в рассматриваемый период времени был выпол­нен ряд уникальных установок также на основе электро - машиппых преобразователей, но с достаточно совершен­ными электронными системами управления, например при­воды вентиляторов натурных аэродинамических труб для испытания самолетов мощностью 20—60 МВт [3].

В течение последних десятилетий произошел переход от электромашинных преобразователей частоты к статиче­ским тиристорным. Проведено большое количество теоре­тических и экспериментальных работ по созданию тири­сторных преобразователей частоты и тиристорных приво­дов и найдены основные технические решения в этой повой области. Основные из них относятся к методам при­нудительной коммутации тиристоров в схемах автономных инверторов, способам формирования и регулирования на­пряжения, структуре преобразователей частоты. Проведе­ны исследования переходных процессов в системах приво­да, влияния искажений формы напряжения и тока и т. д.

Важнейшей работой, выполненной в истекшие десяти­летия, была проработка конструктивных, технологических н эксплуатационных вопросов создания промышленных серий частотно-управляемого привода общего назначения, проведенная научно-исследовательскими и учебными ин­ститутами и заводами. Аналогичные работы проводились и в США, ФРГ, Японии, и в других странах.

К настоящему времени электропривод с частотным управлением асинхронными двигателями прочно занял свое место в качестве одного из важнейших видов регули - руемого автоматизированного электропривода.