ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Задачи и перспективы

В заключение рассмотрим три вопроса: 1) сравнение приводов с двигателями постоянного тока и асинхронными короткозамкнутыми;

2) сравнение основных видов частотного привода, - с точки зрения рационального выбора тина привода в различных областях приме­нения; 3) задачи и перспективы.

Мнения по всем перечисленным вопросам могут, естественно, но­сить только условный, ориентировочный характер, вследствие слож­ности предмета и вследствие того, что достаточно обоснованное за­ключение возможно только в конкретных случаях. Кроме того, они зависят и от трудно учитываемых, иногда субъективных факторов. Известно*, например, что в США наибольший интерес наблюдается к приводу постоянного тока, вероятно, еще с тех времен, когда Эди­сон считал переменный ток «испорченным» постоянным, а в европей­ских странах — приводу переменного тока, видимо, со времени созда­ния электроэнергетики на трехфазном токе Доливо-Добровольским.

В настоящее время развитие частотного привода с короткозамк­нутыми двигателями достигло такого уровня, когда его техпико-эко- номическне показатели становятся сравнимым» с приводом постоян­ного тока и выбор того или другого зависит от конкретных условий. После того как были созданы системы частотного привода с широким диапазоном регулирования скорости в четырех квадрантах, реку

Ифативным торможением и другими качествами привода постоянного ЗК^са основным аргументом в пользу привода постоянного тока оста - валась ого меньшая стоимость.

Однако обоснованное определение сравнения систем привода по экономическим показателям требует более полного учета последних. Часто проектировщики, не располагая другими данными, учитывают только стоимость оборудования и не учитызают ряд других, доста­точно весомых, факторов. На­пример, не принимаются во вни­мание дополнительные расходы на установку приводов постоян­ного тока, в частности обуслов­ленные улучшением условий ком­мутации (принудительное охлаж­дение коллектора и кондициони­рование воздуха для увеличения срока службы коллектора и т. п.), которые обычно относятся к расходам по строительству, зна­чительные капиталовложения на запасные части к двигателям постоянного тока и т. д. С дру­гой стороны, часто не учитыва­ются специфические эксплуатаци­онные расходы и профилактиче­ские ремонты.

Чем выше требования экс­плуатации. тем дороже приводы постоянного тока по сравнению с приводами переменного тока. Осо­бенно сказываются диапазон регулирования и точность стабилизации скорости.

Одним из наиболее существенных, а в ряде случаев и решающих факторов является большая надежность частотного привода с ко­роткозамкнутыми двигателями. Этот фактор в первую очередь отнэ - сится к условиям работы привода в агрессивных средах (большой влажности, кислотности, абразивной пыли и т. п.). Короткозамкнутый двигатель безопасен в условиях взрывоопасной среды.

Специфической областью монопольно преобладающего применения частотного привода, ставшего уже традиционным (см. Введение), остается многодвигательный привод с синхронизацией скорости дви­гателей. Кроме того, что они упрощают систему, частогные много­двигательные приводы, как правило, оказываются и экономичнее.

На рисунке приведены для сравнения кривые КПД (пунктиром) и коэффициента мощности (сплошными линиями) в зависимости от угловой скорости для разных видов привода: 1 — тиристорного по­стоянного тока, 2 — частотного с шестиступенчатой коммутацией; 3 — частотного1 с ШИМ, 4 — с электромагнитной муфтой [54].

Приводы переменного тока имеют лучшие качественные показа­тели. Благодаря малому моменту инерции частотный привод позволя­ет достигнуть более высоких динамических показателей при боль­ших мощностях. Влияние преобразователей частоты на питающую сеть благоприятнее, чем управляемых выпрямителей привода постоян­ного то*ка. Максимальная скорость двигателей постоянного тока огра­ничена условиями коммутации и снижается с увеличением нагрузки. При регулировании скорости в ограниченном диапазоне достоинства привода постоянного тока не используются полностью. Имеются идругие частные преимущества привода с частотным управлением проявляющиеся по-разному в разных конкретных случаях.

При выборе вида электропривода с частотным управлением ко­роткозамкнутого асинхронного двигателя прихс-дится прежде всегс решать вопрос о выборе типа преобразователя частоты — иепосреді ствеиного или двухзвениого. Если последний, то с инверторами иаь пряжения или тока, с управляемым выпрямителем или неуправл - е - мым. Если с неуправляемым — то какой выбрать способ формнро* вания и регулирования напряжения и т. д.

Во всех случаях необходимо решать вопросы о выборе системы автоматического управления: с разомкнутой цепью или с замкнутой. Какой выбрать закон регулирования напряжения или потока, и ка­кую выбрать структурную схему для его реализации и т.. д.

Мотивы выбора того или другого решения, которые, конечно, могут иметь только ориентировочное значение, в самых основных чер­тах можно суммировать следующим образом.

Применение непосредственных преобразователей частоты ограни­чено верхней границей частот, которая не должна превышать при­мерно от трети до половины частоты сети (в преобразователях без конденсаторной коммутации). Основной их недостаток—большое чи? ело вентилей и сложная схема управления. Достоинства — надежная работа при низких скоростях вращения и малые габариты. Наиболь­шее распространение непосредственные преобразователи получили для привода рольгангов и в мощных каскадах в цепи ротора асинхрон­ных двигателей с фазным рогоро. м.

Выбор между преобразователем частоты с инвертором напряже­ния или тока определяется прежде всего видом механической харак­теристики приводимой машины. Для приводов, у которых управление задает частота вращения, применяются преобразователи с инвертора­ми напряжения, а для приводов, у которых задается момент — пре­образователи с инверторами тока. К таким приводам относятся при­воды электротяги и разных машии, перематывающих ленточные ма­териалы, в частности моталки прокатного производства.

Привод на основе двухзвенных преобразователей частоты яв­ляется наиболее универсальным и поэтому получил наибольшее рас­пространение. В зависимости от характеристик рабочей машины при­вод может иметь одно, двух - и четырехкчадрантные механические характеристики с рекуперацией энергии в сеть. Последние равнознач­ны с характеристиками тиристорного привода постоянного тока.

В тех случаях, когда требуется ограниченный диапазон регу­лирования скорости применяют электроприводы с управляемыми вы­прямителями, с разомкнутой или замкнутой с помощью тахогенера­тора системой управлении. Примерно такие же данные и у приводов с преобразователями частоты на основе неуправляемых выпрямителей, но с регулированием выпрямленного напряжения импульсными пре­рывателями.

При широком диапазоне регулирования скорости необходимо ис­пользовать преобразователи частоты с ШИМ и неуправляемыми вы­прямителями. Электропривод с преобразователями частоты посред­ством ШИМ имеет много достоинств: хорошие регулировочные свой­ства, которые улучшаются с понижением частоты и скорости вплоть до полной остановки (режим динамического торможения); хорошую форму напряжения; высокий коэффициент мощности и другие каче­ства. Диапазон регулирования достигает 10 000:1 и ограничивается возможностями измерения углового положения вала и внешними возмущениями, в частности «скрипичным» эффектом трения в подшип­никах и, в некоторых случаях, вибрациями. Удобно резервирование

ОТ источника электроэнергии постоянного тока. Его недостатки: боль­шая мощность коммутирующих элементов, повышенные требования к параметрам тиристоров, ограниченный диапазон регулирования ча­стоты. Его особенно выгодно использовать там, где имеется сеть по­стоянного тока и отпадает необходимость в неуправляемом выпря­мителе.

Следующим по значению является привод с управляемым выпря­мителем и инвертором напряжения. Типичная мощность таких при­водов от 20 до 400 кВ-А при частотах до 300 Гц. Преимущественная область применения — многодвигательный привод.

Такой же привод с инверторами тока обычно выполняется с меж - дуфазовой коммутацией и отсекающими диодами. Он имеет более простую схему и минимальное число тиристоров, но емкость его ком­мутирующих конденсаторов на порядок выше, чем в преобразовате­лях частоты с принудительной коммутацией. Выполняется на низко­частотных тиристорах. Обладает свойством обратимости без специ­альных средств. Применяется чаще всего для индивидуальных при­водов мощностью от 10 до 500 кВ-А.

Для многодвигательных приводов с точной синхронизацией ско­ростей (0,1%) применяют привод с преобразователями частоты рас­смотренных типов, но не с асинхроннымн, а с синхронными бесще - тсмными двигателями. Весьма перспективным является вентильный двигатель — привод с короткозамкнутым асинхронным или бесще - точным асинхронным двигателем, у которого управление преобразо­вателем частоты осуществляется от датчика положения ротора—• синфазно с последним. Привод с непосредственной связью приме­няется сравнительно редко, преимущественно для низкоскоростных механизмов (например, для рольгангов) и в асинхронных каскадах, при включении в цепь ротора.

Определяющими критериями выбора типа привода являются диа­пазон регулирования скорости и мощность нагрузки. Решение первого вопроса в значительной мере зависит от гармонического состава шу­мов квантования, отрицательная роль которых сказывается тем боль­ше, чем ниже рабочая частота. В этом отношении лучшими являются приводы с ШИМ и с непосредственными преобразователями.

По мощности нагрузки сложилась такая практика. Для самых мощных электроприводов, до 15—25 МВт, наибольшее распростране­ние получили асинхронные двигатели с фазным ротором в подснн - хронных вентильных каскадах с диапазоном понижения скорости 25—:0% (например, гидронасосы АЭС, мехачизмы собственных нужд тепловых электростанций, пусковые двигатели газозых турбин и др.).

Для тихоходных машин большой мощности (цементные ПЄЧ. І, главные приводы прокатных станов, разные безредукторные приводы и т. п.) преимущественное применение находят непосредственные пре­образователи с максимальной частотой до 1/3 реже до 1/2 частоты сети. Коэффициент мощности около 0,7, КПД 97%. Мощность до­стигает 27 МВт при 375 об/мин (12,5 Гц) и 40 МВт прн 250 об/мин (12,5 Гц).

Для приводов от 500 кВт до 15 МВт применяются синхронные двигатели, которые питаются от автономных инверторов с естествен­ной коммутацией («ведомых нагрузкой»),

В диапазоне от нескольких киловатт до 1 МВт применяется элек­тропривод, двухзвенные преобразователи частоты которого имеют инверторы тока или напряжения. Этот вид привода находит широкое применение для самых различных машин: компрессоров, naccfcoB,

центрифуг, вентиляторов, станков, мешалок, питателей и других. Для индивидуальных приводов расширяется применение преобрл - зователей частоты с инверторами тока. В электротяге мощность ташь го привода достигает 1,5 МВт на ось.

Для группового привода чаще используются инверторы напряже* ния. Наибольшее распространение получили привод рольгангов ла металлургических заводах и привод машин искусственного волОкна в текстильной промышленности. В ФРГ работает более 1000 таки^ приводов мощностью от 15 до 150 кВт.

Транзисторные преобразователи оттесняют тиристорные при мощ­ности до 20—30 кВт и выше. Их использование особенно перспектив­но для следящих приводов, например подач станков с программным управлением.

Специфичной областью применения частотного управления ..о значительным экономическим эффектом может стать модернизация действующих асинхронных приводов дооборудованием их преобразо­вателями частоты. В ряд случаев регулирование скорости техноло­гических машин повысит их производительность, улучшит качество продукции и уменьшит расход электроэнергии.

Основным и решающим преимуществом электроприводом с корот­козамкнутыми двигателями является их высокая устойчивость к раз­ным вредным воздействиям окружающей среды и вытекающая отсю­да большая надежность. Благодаря этим своим свойствам частотный привод занимает монопольное положение в тех же специфически областях, что и прежде, но решительного перелома на вытеснение привода постоянного тока по экономическим показателям еще не на­блюдается.

Основным недостатком современного электропривода с частот­ным управлением является большая сложность систем управления, большая по сравнению с приводами постоянного тока. Эта сложное"ь обусловлена специфическими свойствами асинхронного двигателя: большим числом каналов управления из-за трехфазной системы элек­троснабжения и многогвязанной системой регулирования двигателя как индукционной машины.

Однако едва ли могут быть сомнения в том, что огромные успехи микроэлектроники позволят уже в ближайшие годы создать новые системы управления электроприводами с частотным управлением и это даст такой же скачок в их совершенствовании, который в 60-е годы сделало использование тиристоров. Микропроцессорные систе­мы частотного управления могут дать: увеличение надежности си­стем управления, упрощение их конструкции и эксплуатации; суще­ственное расширение функциональных возможностей систем управ­ления, в особенности средствами адаптивного управления; дальней­шие улучшения экономических показателей, как по первоначальным затратам, так и по расходам на эксплуатацию.