ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫИ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ В АСИНХРОННОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ
В истории развития преобразовательной техники для электроприводов переменного тока можно выделить три этапа. До начала 80-х годов частотно-регулируемые приводы строились на базе тиристорных ПЧ с аналоговым управлением, которые несмотря на высокую стоимость, обладали низкой надежностью, а регулирование скорости двигателя сопровождалось снижением коэффициента мощности.
Появление на рынке мощных биполярных транзисторов и цифровых микроконтроллеров открыло к концу 80-х годов дорогу второму поколению ПЧ. В этом поколении, наряду с увеличением надежности, были значительно расширены функциональные возможности ПЧ.
С начала 90-х годов ведущие зарубежные электротехнические фирмы, среди которых ABB INDUSTRY OY (Финляндия), HITACHI, OMRON (Япония), SIEMENS, SEW EURODRJVE (Германия), TELEMECAMQUE (Франция) и др. выпускают на мировой рынок ПЧ третьего поколения, охватывающие диапазон мощностей от 0.1 кВт до 8 МВт.
.Достижения в области разработки и выпуска третьего поколения ПЧ связаны, в первую очередь, с созданием современных, полностью управляемых, элементов силовой электроники и микропроцессорных средств управления.
ПЧ третьего поколения производятся с использованием силовых модулей и силовых гибридных интегральных (интеллектуальных) модулей на основе полевых и биполярных транзисторов с изолированным затвором типа IGBT, с обратными быстро восстанавливающимися диодами. Модули относятся к классу полностью управляемых ключей с высоким уровнем коммутируемого напряжения и силы тока при малых потерях, небольших значениях мощности управления и времени переключения. Предел коммутирующих напряжений достигает 3,5 кВ, а сила тока до 4 кА.
По сравнению с запираемыми тиристорами (GTO) силовые транзисторные модули типа IGBT имеют лучшие статические и динамические характеристики при одинаковых максимальных параметрах.
Силовой модуль содержит в пластиковом корпусе на электрически изолированном теплопроводящем основании несколько ключей в конфигурации моста (или секции моста).
Интеллектуальный модуль объединяет не только силовые ключи с обратными диодами, но и компоненты для защиты транзисторов, измерения тока и управления транзисторами.
Зарубежные ПЧ третьего поколения оснащают, как правило, 16-разрядными микропроцессорными контроллерами, с несколькими типами памяти, которые, кроме главной функции управления силовыми модулями, имеют широкие функциональные и сервисные возможности, включая настройку параметров. защиту7 двигателя и ПЧ, диагностику. Микропроцессорные системы управления адаптированы к задачам управления в реальном времени и имеют интегрированные в кристалл периферийные устройства: мультиплексоры, АЦП, широтно-импульсные модуляторы, быстродействующие дискретные и импульсные устройства ввода/вывода как параллельного, так и последовательного типа и Др-
Таким образом, реализация рациональных технических решений на базе современной элементной базы силовой электроники и микроэлектроники позволила значительно улучшить массогабаритные показатели и потребительские характеристики ПЧ третьего поколения.
5.2.1 Основные технические
ХАРАКТЕРИСТИКИ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕН ПОСТИ
Среди преобразователей третьего поколения наиболее значительной является группа ПЧ на базе трехфазных автономных инверторов напряжения (АИН) в диапазоне мощностей от 0,18 кВт до иескольких сот кВт. В инверторе, как правило, применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) при формировании выходного напряжения, что, как известно, позволяет улучшить характеристики электропривода. Благодаря использованию в силовой цепи ПЧ неуправляемого выпрямителя в качестве входного блока промежуточного звена постоянного тока, коэффициент мощности ПЧ сохраняется на высоком уровне нри любом виде нагрузки. Именно такой тип ПЧ является предметом дальнейшего рассмотрения.
ПЧ выпускаются в нескольких конструктивных исполнениях - от миниатюрных, встраиваемых в двигатель, и портативных, навесного исполнения, до крупногабаритных. Они пригодны для использования в любом диапазоне сетевых напряжений: однофазная сеть 1 х220 В, трехфазная сеть от 3x200 до 3x600 В, при частоте сети 50 или 60 Гц.
Определяющими факторами при выборе ПЧ являются его соответствие заданному режиму работы исполнительного механизма и обеспечение требуемых статических и динамических характеристик. Выбор ПЧ, в принципе, может осуществляться по номинальной мощности двигателя с уточнением по величине номинального тока при обеспечении требуемой перегрузочной способности по моменту (току) двигателя. Как правило, в паспортных данных ПЧ указывается рекомендуемая мощность двигателя, допустимый длительный момент (ток) и максимальный кратковременный момент (ток) в переходных режимах. Начальная (заводская) установка параметров обычно ориентирована на стандартный четырехполюсный АД рекомендуемой мощности. ПЧ может питать любой двигатель меньшей мощности. Такое сочетание используется, например, в электроприводах механизмов с перемежающимся S6 характером нагрузки при 1, 5М„ < М< 2,2М„.
Применение двигателя мощностью больше рекомендуемой возможно в случае, если потребляемый им ток будет меньше или равен номинальному току ПЧ. При этом можно использовать двигатель с принудительной вентиляцией во всем диапазоне скоростей в продолжительном S1 режиме работы.
При питании нескольких двигателей, подключенных параллельно к одному ПЧ, номинальный ток ПЧ должен быть больше или равен сумме номинальных токов приводных двигателей.
5.2.2 Состав оборудования
Подавляющее большинство современных ПЧ имеет блочно-модульное исполнение, что дает возможность для конкретного объекта управления выбрать нужную конфигурацию, которая наиболее адекватно отвечает техническим требованиям. Основу ПЧ составляет базовый блок (модуль), с помощью которого возможно создание простейших электроприводов, построенных по принципу разомкнутой системы управления. Подключение к этому блоку дополнительных сервисных модулей (карт) значительно расширяет функциональные возможности ПЧ, позволяя существенно повысить диапазон регулирования скорости и точность ее поддержания за счет построения замкнутых систем электропривода. К их числу относятся:
< модули расширения входных/ выходных сигналов,
< модули связи с системами промышленных коммуникаций;
і сетевые дроссели, защищающие ПЧ от сетевых бросков тока и перенапряжений;
♦ сетевые фильтры, подавляющие электромагнитные помехи, улучшая тем самым электромагнитную совместимость ПЧ;
4 выходные фильтры, уменьшающие шумы двигателя и высокочастотные помехи, обусловленные ШИМ при формировании выходного напряжения ПЧ;
♦ тормозные резисторы, рассеивающие получаемую промежуточным звеном постоянного тока энергию при интенсивном торможении привода с большим моментом инерции (кинетическая энергия), либо при работе с активным моментом сопротивления (потенциальная энергия - опускание груза, движение под действием силы ветра).
Кроме того, микропроцессорные системы управления подавляющего большинства ПЧ включают в себя встроенные специализированные модули, предназначенные для:
« определенного типа электроприводов (подъемнотранспортных, насосно-вентиляторных и др.);
• реализации ПИ или ПИД закона регулирования;
• векторного управления.
Таким образом, частотно-регулируемые электроприводы на базе современных ПЧ, благодаря мощной аппаратной и программной поддержке, обеспечивают широкие возможности по реализации управляющих функций.
Формирование закона U/f
Выбор закона управления U/f оказывает решающее влияние на характеристики момента и мощности электродвигателя. Большинство современных ПЧ позволяют задавать требуемую зависимость выходного напряжения от частоты в аналитической или табличной форме с последующей линейной интерполяцией в реальном времени. Наиболее часто используются зависимости, приведенные на рис. 7, а:
• линейная - для момента нагрузки, не зависящего от скорости (кривая 1);
• квадратичная - для нагрузки типа вентиляторной (кривая 2).
На рис. 7, а обозначено:
U„ — номинальное напряжение двигателя;
fпі і п — предварительно выбранная минимальная частота, которую ПЧ вырабатывает во включенном состоянии даже при отсутствии входного задающего сигнала;
/„ — номинальная (базовая) частота двигателя (точка излома U/f характеристики), при которой выходное напряжение ПЧ достигает своего максимального значения;
fnax — предварительно выбранная максимальная частота, которую ПЧ вырабатывает при максимальном значении управляющего сигнала, равного обычно 10 В или 20 мА.
Все ключевые точки характеристик (£/„, f, и fmax) можно изменять программным путем.
Механические характеристики для рассматриваемых законов регулирования с постоянным моментом Mc=const и моментом, зависящим от скорости Mc=vor, представлены соответственно на рис. 7, б и 7, в.
ПЧ предоставляет две возможности управления двигателем выше его номинальной частоты:
1) с постоянным (номинальным) напряжением на статоре;
2) с напряжением, увеличивающимся пропорционально частоте.
|
|
|
|
|
Рисунок 7 - Формирование законов управления |
|
Рисунок 8 - Регулирование угловой скорости выше номинальной. |
При первом способе (рис. 8, а) ниже частоты fn двигатель развивает постоянный момент ('U/f= const). Увеличение выходной частоты выше /„ происходит при постоянном напряжении, т. е. это область управления двигателем путем ослабления поля, когда с увеличением скорости развиваемый им момент падает.
При втором способе (рис. 8,6) область работы с постоянным моментом U/f=const расширяется, например до 87 Гц (50 Гц. л/З), при соединении обмоток статора по схеме треугольника. Тогда на частоте 50 Гц напряжение (220 В) и намагничивание двигателя будут номинальными. На частотах выше 50 Гц двигатель будет работать в режиме перенапряжения. Благодаря этому мощность двигателя на частоте 87 Гц увеличивается в л/3 раз по сравнению с номинальной.
Компенсация скольжения
Компенсацией скольжения называется поддержание постоянной частоты вращения электродвигателя в соответствии с заданным значением независимо от нагрузки путем автоматической коррекции частоты питающего напряжения. С увеличением нагрузки скорость электродвигателя падает. Для получения абсолютно жесткой характеристики необходимо скомпенсировать скольжение путем увеличения частоты на величину Af пропорциональную частоте скольжения. При переменном моменте нагрузки эта функция не используется.
Поддержка напряжения
Поддержка напряжения означает непропорциональное частоте увеличение выходного напряжения ПЧ в диапазоне ниже номинальной частоты с целью увеличения пускового момента. Величина поддержки Un на нижних частотах обычно регулируется в пределах от 0 до 30 % от U„.
Поскольку реактивные сопротивления обмоток статора АД пропорциональны частоте, то на низких частотах они уменьшаются и становятся соизмеримыми с их активными сопротивлениями. За счет увеличения напряжения компенсируется падение напряжения в двигателе и подводящих проводах, что увеличивает пусковой момент.
Стабилизация магнитного потока (IR-компенсация)
IR-компенсация означает автоматическое увеличение выходного напряжения ПЧ, зависящее от тока нагрузки. В отличие от функции поддержки напряжения, которая действует, главным образом, на яизких частотах при ненагруженном двигателе, эта Заправляющая функция эффективна только под нагрузкой.
Перечисленные выше управляющие функции являются наиболее общими и они реализованы практически во всех современных ПЧ. Благодаря этим функциям, даже в разомкнутых системах электропривода возможно получение характеристик, удовлетворяющих требованиям подавляющего большинства промышленных механизмов.
