ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ЗАРУБЕЖНЫХ ФИРМ

Первой в мире фирмой, освоившей промышленный выпуск комп­лектных приводов с частотным управлением, была шведская фирма АСЭА (ASEA). С 1960 г. она поставила около полутора тысяч при­водов «Астат» (ASTAT) [49J.

Последняя серия преобразователей частоты «Астат» модель YRQB обслуживает двигатели мощностью от 100 до 525 кВт при напряжениях сети 380 и 500 В и токах 325, 550 и 825 А. КПД при­вода выше 90%.

Преобразователи частоты построены по классической схеме управ­ляемый выпрямитель — автономный инвертор тока с отсекающими диодами (см. рис. 3.59). Система управленая обеспечивает плавное регулирование скорости в диапазоне 10:1с точностью до скольжения двигателя. При введении компенсации скс'льжения точность подни­мается до 0,5%. Система управления содержит задатчик темпа на­растания частоты, цепь ограничения тока, блок задания требуемого отношения наряжения к 'частоте с использованием блока вычисления момента.

Входные сигналы: командный сигнал упоавления частотой и сиг­налы с датчиков потребляемого из сети и выпрямленного токов и напряжения на выводах двигателя. Два выходных сигнала управляют выпрямителем и инвертором.

Защита обеспечивается цепью ограничения тока. Инвертор и дви­гатель не защищаются плавкими вставками. Рекомендуется дслюл - нительная защита от перенапряжений, так как напряжение конден­саторов, емкость которых соответствует мощности двигателей, зависит от тока двигателя. Выпрямитель защищен быстродействующими плав­кими вставками. По желанию вводятся любые другие виды защиты, например от нарушения симметрии фаз, замыкания иа землю и др.

В нормальном исполнении преобразователь рассчитан на работу в одноквадрантном режиме, свойственном основным видам потреби­телей: приводам насосов, вентиляторов и роликов рольгангов. Спе­циальные модификации выполняются для четырехквадрантной рабо­ты, с рекуперативным торможением и т. д. Так, последняя модель системы «Астат» YQTH мощностью до 280 кВт имеет тахометриче - скую обратную связь и допускает кратковременную работу при низ­ких частотах вращения, что необходимо, налример, в приводах кра­нов, лебедок и подъемников. Предусмотрено также торможение про - тивовключением с ограничением тока при замедлении и невязке.

Швейцарская фирма «Брехун Бовери» выпускает серию комплект­ных приводов «Вериверт-1» (VERIVERT-1) с короткозамкнутыми дви­гателями от 20 до 1000 кВт с преобразователями по той же схеме (см. рис. 3.59) с четырехквадрантным управлением [52].

Устройство управления выполняется на интегральных схемах в двух вариантах: с регулированием напряжения (без тахогенерато­ра) и с регулированием угловой скорости (с тахогенератором).

Структурная схема с регулированием напряжения показана ta рис. 5.1,а.

Больш>ю точность регулирования скорости двигателя и высокие динамические качества, приближающиеся к свойствам приводов по­стоянного тока, обеспечивает второй вариант схемы управления (рис. 5.1,6) благодаря использованию обратной связи с цифровым тахогенератором ТГ.

Командный сигнал скорости шк сравнивается с сигналом тахо­генератора после преобразования его блоком 5. Полученный сигнал отклонения воздействует на регулятор скорости /, после которого сигнал разветвлятся на два блока 2 и 3. Бл^к 3 с релейной гистере- зисной характеристикой выдает сигнал в блок 10, где он снова сум­мируется с сигналом регулятора /, после того как последний прошел блоки формирования 2 и преобразования напряжение—частога 9. Таким образом, блок 10 суммирует в импульсной форме угловую скорость и преобразованный сигнал отклонения скорости, в резуль­тате чего получается сигнал частоты инвертора, которым он управ­ляет через блок 11.

В подчиненном контуре регулирования сигнал текущего значения первичного тока с блока 8 сравнивается с задающим сигналом, до­ставляемыми формирующим блоком 4, на который поступает сигнал отклонения скорости через блоки / и 2.

- Таким образом, частота инвертора задается как сумма сигналов' скорости двигателя и. ее отклонения от заданного значения, в ре­зультате чего восстанавливается заданное значение скорости.

Фирма АЭГ (AEG, ФРГ) выпускает тиристорные приводы серии «Туре» (TURE) для двигателей мощностью от 10 до 400 кВт [50]. Двухзвенные преобразователи частоты с промежуточной цепью пэстоянного тока о'оеспечивают регулирование частоты в диапазоне 10:1 и по желанию до 150:1 при стабильности скорости двигателя от 0,1 до 0,5%. Используется задание темпов нарастания и снижения частоты. Возможно рекуперативное торможение. Особенности серии: датчики температуры, встроенные в двигатели, и возможность ава­рийного переключения двигателя с ПЧ на сеть.

Серия приводов «Симоверт» (Simovert) с двухзвенными преоб­разователями частоты выпускается в трех модификациях: A, S и С [51]. Модификация А предназначена для питания асинхронных дви­гателей с короткозамкнутым ротором от 14 до 530 кВт с питанием от трехфазной сети 380 или 500 В. Обеспечивается реверсивная четы­рехквадрантная работа. Модификация S служит для питания син­хронных двигателей, возбуждаемых от постоянных магнитов мощно­стью 7,5—36 кВт. Модификация С рассчитана на питание асинхронных двигателей с фазным ротором мощностью 2000 кВт.

Японская фирма «Тосиба» выпускает серии электроприводов «Тосуерт» (TOSUERT) малой и средней мощности [58].

Преобразователи частоты выполнены с инверторами тока по классической схеме (см. рис. 3.59). Серия «Тосуерт-400» питается от трехфазнсй сети 50 или 60 Гц и обеспечивает следующий диапазон мощностей:

Напряжение, В 220 440

Мощность, кВт 60; 90; 120 180; 240; 300

Ток, А 173; 260; 345 260; 345; 433

Номинальные напряжения на выходе инвертора 200 и 400 В. До • пустимая перегрузка по току 150% в течение 30 с. Выходная часто­та— 60(120) Гц. Диапазон регулирования частоты 10:1. Темпера­тура среды 0—40°С. Допустимая влажность 30—80%. КПД—око­ло 0,95.

Мощность преобразователей частоты увеличивается посредством параллельного соединения базовых инверторов тока. Мощности сум­мируются с помощью силовых трансформаторов со сдвигом фаз вто­ричных обмоток на 30°, включенных но эквивалентной 18-фазной схе­ме из трех групп, что существенно улучшает форму напряжения.

Модель этой серии на мощность 2900 кВ-А при напряжении 650 В и частоте 60 Гц имеет общий понижающий трансформатор на первичной стороне по схеме треугольник — треугольник и три выход­ных трансформатора инвертора, собранных по схемам «зигзаг — тре­угольник»— фаза —30°, зигзаг — треугольник — фаза -{-30° и звезда— треугольник — фаза 0.

Вторая серия электроприводов фирмы «Тосуерт» (TOSUERT) комплектуется короткозамкнутыми двигателями мощностью 300— 1250 кВ-A. Питание от сети 50 или 60 Гц, 3300 и 6600 В через транс­форматор или от сети 440 В — непосредственно.

Преобразователь частоты выполнен с неуправляемым мостовым выпрямителем, фильтром LC и инвертором напряжения. Инвертор собран из тиристорных однофазных модулей и имеет также улучшен­ную форму напряжения благодаря использованию многообмоточного трансформатора но эквивалентной 12-фазной схеме.

Выходное напряжение преобразователя трехфазное 3300 и 6600 В или другое, но особому заказу. Выходная частота от 0,5 до 60 Гц.

Основные назначения электроприводов: регулирование скорости воздуходувок, вентиляторов, иасосов для металлургии, перекачных станций морской воды и водоотлива в горной промышленности, во­доочистительных станций и др.

В США комплекты промышленного электропривода с частотным управлением выпускают около 20 фирм [54] в большом количестве моделей, различных модификаций и габаритов, отличающихся весьма большим разнообразием параметров, ксчорые трудно систематизиро­вать. Одиако подавляющее большинство их построено на основе рас­смотренных нами выше типовых схем. Поэтому представляет интерес не описание отдельных моделей, а общая оценка их свойств, пока­зывающая проверенную на практике техннко-экономическую жизнен­ность тех или других технических решений и характеристик на дан­ном уровне развития.

В зависимости от структуры преобразователей частоты выпус­каются вентильные приводы следующих видов, перечисленные в п<>- рядке количества выпускаемых моделей:

Управляемые выпрямители:

с инверторами напряжения........................... 12

с инверторами тока........................................ 2

Неуправляемые выпрямители с инверторами и ШИМ. . 9

Неуправляемые выпрямители с время-импульснымн би­полярными прерывателями для регулирования выпрям­ленного напряжения 4

То же, с однополярными время-ичпульсными прерыва­телями 1

Специальнь-е схемы............................................. I

Таким образом, преобладающее место занимают два вида ча­стотного привода: первое место — с управляемыми выпрямителями и второе — с неуправляемыми выпрямителями и ШИМ напряжения, пи­тающего иннертор. На третьем месте находятся преобразователи с время-импульсным регулированием напряжения постоянного тока.

По способу формирования напряжения на выходе инвертера пер­вое место занимают преобразователи частоты со ступенчатой формой напряжения (23 и 33 моделей), причем за исключением трех с шести - стунепчатой формой две модели имеют напряжение из 12 ступеней и одна из 6 и 12. Из всех моделей 19 выпускаются в разной шкале мощностей от 4 до 24 габаритов.

Наибольшее число габаритов — 24 в диапазоне 3—1000 кВ-А со­держит модель фирмы «Контрол Продакт» пе специальной схеме управления вторичными обмотками. Модель имеет стандартный диа­пазон регулирования 5—118 Гц и по особому заказу 10—230 или 10—400 Гц. Стабильность частоты +0,05% обеспечивается аналого­выми средствами.

Второе место (18 габаритов в диапазоне 1 —150 кВ-A) занимает модель «Ланцер» (Lancer 44XL) фирмы «Луис Аллис». Эта фирм. ч выпускает пять моделей преобразователей частоты, из них две с ин­верторами тока (с шестиступенчатым напряжением 18 габаритов и с двенадцатиступенчагым 8 габаритов) в шкале мощностей от 200 до 800 кВ-А. Диапазон частот для первого варианта 0—120 Гц, для вто­рого 0—60 Гц, по особому заказу соответственно 0—200 и 0—120 Гц. Наилучшая стабильность частоты г;0,5°/о в аналоговом варианте и +0,05% в цифровом. Интересно, что эта же фирма выпускает еще три модели — одну с ШИМ инвертором (4 габарита) и две с управ­ляемым выпрямителем: 8 габаритов 10—60 кВ-A и 3 габарита —

75—100 кВ-А.

Уже упомянутая фирма «Коптрол Продакт» выпускает приводы «самой большой мощности (1000 кВ-A), другие фирмы —до 500, «00 кВ-А.

Диапазон регулирования частоты весьма разнообразный: от 0

,до 60, 90, 120 Гц, от 10 до 120 и до 400 Гц, от 60 до 120 Гц и т. д. По точности стабилизации частоты все модели можно разделить ia. два класса: с грубой стабилизацией — от 0,5 до 2%, с точной стаби­лизацией— от 0,05 до 0,001%.

Большинство моделей (65%) обеспечивает рекуперацию энергии jb сеть до 100% номинальной мощности, а в некоторых моделях до Л50% в течение 1 мин. Основную защиту имеет 80% моделей, не­прерывное управление 65%, динамическое торможение 95%, реверс 80% и заправочные скорости 90%, управление ускорением — 95%, а замедлением 85%.

В наиболее типичных областях применения частотного привода первое место занимает многодвигательный привод в разных вари­антах:

1) одновременное регулирование частоты вращения всех двига­телей с соблюдением заданных соотношений скоростей по всему диа­пазону;

2) при общем регулировании частоты вращения для отдельных. двигателей могут быть заданы разные сос? гношеиия, неизменные или управляемые;

3) точное согласование скоростей секций лентопротяжных ма­шин с постоянным натяжением материала (машин для полиэтилена и др.).

Для однодвигательных приводов отмечаются такие области пре­имущественного применения частотного управления:

1) использование в неблагоприятной (пыль, грязь, влажность) ■или агрессивной среде, без защиты специальными кожухами;

2) регулирование скорости от датчиков различных технологиче­ских параметров (давления, температуры, скорости и др.);

3) поддержание постоянства окружной скорости шлифовальных кругов и т. п.

При выборе одного из двух приводов — привода постоянного тока или с частотным управлением учитываются следующие преиму­щества последнего: прочность, надежность и малая инерционность короткозамкнутого двигателя; простота обслуживания; стойкость к агрессивным свойствам среды; безопасность и быстродействие; удоб­ство согласования скоростей многодвигательных приводов и возмож­ность использования рекуперативного торможения в них.

Отмечается также, что благодаря своей «молодости» частотный привод имеет еще много неиспользованных резервов, как в отношении своего качества, в особенности надежности, так и по снижению стои­мости.

Наряду с тиристорным электроприводом расширяется применение промышленного электропривода с транзисторными преобразователями частоты.

Например, швейцарская фирма «Машинен фабрик» (Maschinen Fabrik) выпускает для текстильной промышленности две модели пре­образователей частоты серии «Текстиверт» (TEXTIVERT) на интег­ральных транзисторах.

Прео'Зразователь частоты состоит из неуправляемого выпрями­теля и автономного инвертора с ШИМ. Питание от трехфазной сети 220 В, 50 и 60 Гц. Выходное напряжение трехфазное, 220 В. Диапа­зон частот от 1 до 250 Гц. Длительная мощность 1,5 и 2,5 кВ-А с допускаемой перегрузкой до 3 кВ-А в течение 1 мин. Габариты 204 380 x285x117 мм. Масса 6,5 и 7 кг. Двигатели асинхронные коротко - замкнутые и синхронные.

Устройство управления асинхронными двигателями содержит за­датчик частоты, преобразователи сигналов, блоки ограничения тока и напряжения. Замкнутой цепи управления частотой подчинена цепь регулирования напряжения, состоящая из задатчика частоты, блоков сравнения, модулятора и блоков ограничения тока.

Во Франции транзисторные преобразователи частоты для асин­хронных приводов выпускают несколько фирм. «Телемеканик Элек­трик» (Tcleniecanique Electriqe) выпускает приводы с инверторами напряжения для питания от трехфазной сети 380 В при мощности 12--24 кВ-Л с расширением до 50 кВ-А. Выходное напряжение трех - фазиое, 220—306 В. Диапазон регулирования частоты 5—1000 Гц. Модель 6 кВ-А — дс1 2000 Гц. Фирма «Джемонт Шнейдер» (Jeumont Schneider) выпускает приводы с инверторами тока для питания о і трехфазной сети 220 В и управлением по методу ШИМ.

В Японии распространена серия транзисторных приводов «Фре - ник (FRENIC) 5000 G» с градацией мощности 1,5; 3; 5; 10; 15; 20 и 25 кВ-А. Первичное напряжение трехфазное, 200 илн 220 В, частота 50 или 60 Гц. Выходное напряжение трехфазиое, 200 В, частота 30, 120 и 210 Гц, диапазон регулирования 10:1, стабильность частоты +1% при температуре 25+10°С. КПД инвертора выше 90%. При мощности более 5 кВ-А используется принудительное воздушное охлаждение.