ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Особенности полупроводниковых преобразователей частоты

Асинхронный двигатель становится сегодня основным объек­том управления в электроприводе. Его преимущества заключаются в простоте конструкции, надежности, меньшем моменте инерции по сравнению с двигателем постоянного тока, в отличие от кото­рого он не требует частого периодического обслуживания, может использоваться в агрессивной и взрывоопасной средах. С другой стороны, АД является сложным нелинейным объектом управле­ния, поэтому для создания асинхронного электропривода с харак­теристиками, аналогичными характеристикам приводов постоян­ного тока, требуется сложная система управления. По этой причине внедрение регулируемых асинхронных электроприводов тесно свя­зано с развитием силовой электроники, микропроцессорной тех­ники и математической теории машин переменного тока.

Типы асинхронных двигателей существенно отличаются друг от друга по виду механических характеристик. Например, двигате­ли краново-металлургической серии имеют повышенное сопро­тивление роторной цепи, что обеспечивает высокий пусковой момент и высокое критическое скольжение, а значит, и высокое номинальное. Такие двигатели плохо подходят для применения в системах ППЧ—АД, так как имеют большие потери энергии и, как следствие, сильно нагреваются. Поэтому в частотно-регулиру­емых электроприводах используются двигатели серий 4А, АИР, 5А и др., а также двигатели, специально разработанные для при­менения с ППЧ, к которым относятся двигатели серии АЧД.

Полупроводниковые преобразователи частоты уверенно стано­вятся стандартным промышленным оборудованием в технике элект­ропривода. Областью их использования стали асинхронные электро­приводы, к которым предъявляются следующие требования:

• плавное регулирование скорости двигателя в широком диапа­зоне в соответствии с требованиями технологического процесса;

• высокая точность регулирования скорости или позициониро­вания двигателя;

• ограничение нагрузки электропривода, рывков и ускорений в процессе работы;

• большое число включений в 1 ч;

• дистанционное управление скоростью и направлением вра­щения двигателя;

• плавное регулирование технологических параметров с помо­щью электропривода и т. д.

Кроме того, частотное регулирование с помощью ПЧ позво­ляет практически во всех случаях снизить потребление электро­энергии по сравнению с другими способами регулирования и не­регулируемым электроприводом.

Различают следующие типы систем управления ППЧ: скаляр­ного и векторного управления.

Системы скалярного управления являются более простыми и относительно дешевыми. Они характеризуются небольшим диапа­зоном регулирования скорости (от 1:5 до 1:10), относительно низ­кими точностью и качеством регулирования;

Системы векторного управления могут быть с обратной связью по скорости и без нее. Они являются наиболее быстродейству­ющими и качественными и обеспечивают диапазон регулирова­ния скорости 1:1000 и более. Их недостаток заключается в необхо­димости использования встроенного в двигатель или пристроен­ного датчика скорости.

Скалярное управление является простейшим вариантом реали­зации частотно-регулируемого асинхронного электропривода. Не­смотря на низкие показатели качества и точности регулирования преобразователи со скалярным управлением во многих случаях полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к элект­роприводу. Это, в первую очередь, относится к электроприводам турбомеханизмов, требования к которым невысокие. За счет не­сложной системы управления, т. е. применения простого контрол­лера, отсутствия датчиков на валу двигателя ППЧ со скалярным управлением пользуются спросом и успешно конкурируют с до­рогими многофункциональными преобразователями.

Суть скалярного управления заключается в следующем. Ши - ротно-импульсному преобразователю задается частота и амплиту­да выходного напряжения. Частота задается либо напрямую с пульта управления, либо с регулятора технологического параметра. В пос­леднем случае используется обратная связь по технологическому параметру, т. е. давлению, расходу жидкости и т. д. Необходимая амплитуда напряжения является функцией частоты. Типовым за­коном в системах скалярного управления является закон пропор­ционального управления (mj/coj = const), который для механизмов с вентиляторной нагрузкой не является оптимальным. При ска­лярном управлении момент двигателя не регулируется, а опреде­ляется нагрузкой. Точность поддержания скорости невелика. В слу­чае применения регулятора технологического параметра система работает на такой скорости, которая обеспечивает заданный уро­вень технологического параметра. При отсутствии такого регуля­тора скорость определяется текущим скольжением, т. е. нагрузкой.

Скалярное управление может быть осуществлено при отсут­ствии датчиков скорости, токов и напряжений. Тем не менее все преобразователи содержат датчики тока и напряжения для обеспе­чения сервисных, защитных и других дополнительных функций. Датчик напряжения устанавливается, как правило, в звене посто­янного тока, а датчики тока — на выходе инвертора в двух фазах.

Закон пропорционального управления является наиболее рас­пространенным, но он не является оптимальным, так как, во - первых, не обеспечивает минимума энергопотребления в устано­вившемся режиме при малых нагрузках, а, во-вторых, при низ­ких частотах за счет падения напряжения на активных сопротив­лениях статора перегрузочная способность двигателя снижается. Для механизмов с вентиляторной нагрузкой применяют также закон Wj/ш? = const, что обусловлено тем, что в этом случае мо­мент нагрузки имеет степенную зависимость от скорости, поэто­му нет необходимости поддерживать высокую перегрузочную спо­собность во всем диапазоне частот, т. е. появляется возможность улучшить энергетические показатели при снижении скорости. Од­нако этот закон также не обеспечивает минимизацию потерь в двигателе. При низких скоростях двигатель турбомеханизма рабо­тает с малым моментом нагрузки, поэтому падение напряжения на активных сопротивлениях статора и ухудшение перегрузочной способности не влияют на работу двигателя в установившемся ре­жиме. С другой стороны, при пуске целесообразно использовать повышенный пусковой момент, поэтому разгон двигателя следу­ет проводить при номинальном потоке. Закон «і/со? = const этого обеспечить не может.

Если рассмотреть семейство механических характеристик на разных частотах при законе управления U/f - const, то выяснит­ся, что критический момент снижается при уменьшении частоты. Это результат влияния падения напряжения на активных сопро­тивлениях статора. В современных приводах вводится компенсация этого падения напряжения на низких скоростях. Как правило, можно регулировать степень компенсации. Обычно увеличение напряжения составляет 5... 10 % от напряжения, необходимого по закону управления U/f= const. Обеспечение требуемого пускового момента особенно важно в системе ППЧ—АД, так как здесь надо учитывать максимальный ток, допустимый для нормальной рабо­ты инвертора. Для повышения пускового момента иногда прихо­дится увеличивать мощность преобразователя. С другой стороны, повышение мощности ППЧ может вызвать неустойчивую работу двигателя. Если, повысив мощность, не удается получить требу­емый пусковой момент, то надо повышать как мощность ППЧ, так и мощность двигателя.

Компенсация падения напряжения на активных сопротивле­ниях статора (//^-компенсация) применяется практически во всех современных преобразователях со скалярным управлением. Это особенно актуально при постоянном моменте нагрузки. При ма­лой скорости двигателя и номинальном моменте нагрузки доля напряжения, приходящаяся на активные сопротивления статора, настолько велика, что оставшаяся часть напряжения, создающая магнитный поток, не обеспечивает необходимую перегрузочную способность. Поэтому в диапазоне малых частот следует отходить от закона управления щ/щ = const и повышать напряжение для поддержания постоянства потока. Пользователь формирует зави­симость щ/щ, аппроксимируя ее несколькими отрезками прямых. Этот метод позволяет компенсировать падение перегрузочной спо­собности. Метод IR-компенсации является приблизительным, не учитывает особенностей конкретного механизма и опирается в основном на опыт наладчика. Кроме того, при его использовании иногда имеет место перекомпенсация, приводящая к большим броскам тока при пуске двигателя.

Как известно, различие между угловой скоростью вала двига­теля и угловой частотой питающего напряжения определяется скольжением. Иногда требуется обеспечить работу механизма с заданной вручную скоростью. В этом случае, как правило, имеется возможность задать только частоту питающего напряжения, а уг­ловая скорость двигателя будет определяться его нагрузкой. При номинальной частоте питающего напряжения скольжение состав­ляет около 3 %, и им можно пренебречь. При снижении частоты питающего напряжения значение скольжения растет обратно про­порционально этой частоте и пренебрегать им уже нельзя, поэто­му в преобразователях со скалярным управлением используется компенсация скольжения, которая основана на увеличении час­тоты питающего напряжения по сравнению с заданной. Наиболее простой и распространенный метод такой компенсации базирует­ся на линейной аппроксимации рабочего участка механической характеристики АД и оценке момента нагрузки по измеренным значениям токов.

Для создания высококачественных асинхронных приводов исполь­зуется векторное управление. В отличие от скалярного управления в нем используется векторное представление регулируемых вели­чин, т. е. в системе управления помимо абсолютных значений то­ков и потокосцеплений используется их угловое положение в выб­ранной системе координат. В подавляющем большинстве совре­менных высококачественных асинхронных электроприводов ис­пользуется принцип ориентации поля, при котором регулирова­ние происходит в системе координат, жестко связанной с одной из векторных величин. Как правило, в качестве базового вектора используется потокосцрпление ротора, с которым совмещается одна из осей вращающейся системы координат. Запись величин в этой системе координат позволяет разделить каналы управления потоком и моментом, причем значения этих величин определя­ются независимо двумя составляющими тока статора, соответству­ющими проекциям вектора тока на оси вращающейся системы координат. Переход к новой системе координат позволяет прове­сти аналогию с двигателем постоянного тока с независимым воз­буждением. Система управления в этом случае является класси­ческой системой подчиненного регулирования, в которой конту­ры токовых составляющих являются внутренними по отношению к контурам регулирования потока и момента.

В середине 1980-х гг., когда предполагалось, что векторное управ­ление станет стандартом в создании систем управления, появи­лись новые исследования, которые не использовали идею преобра­зования координат и аналогии с двигателем постоянного тока. В от­личие от векторного способа управления, при котором поток и момент управляются воздействием на две токовые составляющие, в новом способе эти величины регулируются непосредственно, в то время как токи и напряжения — косвенно. Основная идея зак­лючается в отказе от привычного широтно-импульсного модуля­тора и выборе такого состояния инвертора, которое вызывает из­менение потока и момента в нужную сторону. Этот метод получил название прямого управления моментом и потоком, или прямое управление моментом. В данном способе управления используют­ся принципы релейного (гистерезисного) управления.

Несмотря на существенные отличия в используемых принци­пах управления большинство преобразователей частоты имеют об­щие принципиальные решения в построении силовой части. Рас­смотрим особенности наиболее распространенного типа ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока и инвертором напря­жения на полностью управляемых силовых полупроводниковых элементах (GTO-тиристорах, транзисторах типов IGBT, MOSFET, МСТ и др.). В настоящее время тиристорные преобразователи ча­стоты используются в электроприводах большой мощности (от со­тен киловатт до нескольких мегаватт), а для массового элект­ропривода (от нескольких ватт до сотен киловатт) используются транзисторные ППЧ, преимущественно на транзисторах типа IGBT.

Упрощенная силовая схема ППЧ с типовыми внешними под­ключениями представлена на рис. 5.1 (исходная структура систе­мы ППЧ—АД без внешних соединений приведена на рис. 2.8). Собственно преобразователь частоты состоит из выпрямителя (не­управляемого на диодах, управляемого на тиристорах или актив­ного на транзисторах), фильтра звена постоянного тока, состо­ящего из батареи конденсаторов и в некоторых случаях встроен­ного или внешнего дросселя постоянного тока, и инвертора на-

пряжения. Для реализации тормозных режимов в ППЧ без реку­перации энергии используется встроенный или внешний тормоз­ной модуль и внешний тормозной резистор, на котором выделя­ется в виде тепла энергия торможения.

Подключение ППЧ к сети осуществляется через автоматиче­ский выключатель и/или контактор и быстродействующие пре­дохранители (встроенные или внешние).

Входной (сетевой) дроссель повышает защиту ППЧ от пере­напряжений, и его применение считается необходимым, если транс­форматор источника питания имеет мощность, более чем в 100 раз превышающую мощность ППЧ [49]. Кроме того, ППЧ, являясь источником 5, 7, 11 и 13-й гармоник, может влиять через сеть на другие потребители энергии. В этом случае использование входно­го дросселя также считается оправданным.

Так как частота переключений транзисторов в инверторе на­пряжения составляет 15... 20 кГц, то ППЧ является и источником высокочастотных помех. Для уменьшения электромагнитных по­мех используют входной фильтр, являющийся в некоторых ППЧ встроенным. Особенно это актуально при использовании ППЧ в бытовой сфере (лифты, подкачивающие насосы, системы венти­ляции и кондиционирования зданий и т. д.).

Высокий уровень высокочастотных помех может генерировать­ся выходным кабелем ППЧ, поэтому кабель между ППЧ и двига­телем, как правило, экранированный с обязательным заземлени­ем на концах. Дополнительно может использоваться выходной фильтр. Входной и выходной фильтры устанавливаются на мини­мально возможном расстоянии от ППЧ, или, если это невозмож­но, они соединяются с ППЧ экранированным кабелем, заземлен­ным на обоих концах.

Кроме того, уменьшить влияние помех позволяет раздельная прокладка силовых, информационных кабелей и кабелей от раз­ных ППЧ (рекомендуемое минимальное расстояние между кабе­лями 250... 300 мм), а также прокладка их в металлических трубах и коробах, использование экранированных информационных кабе­лей, правильное заземление всех элементов электропривода и т. д.

Широтно-импульсная модуляция выходного напряжения ППЧ, кроме того, имеет следующие негативные последствия:

• возникновение пиковых перенапряжений в кабеле и на об­мотках двигателя, которые в 2 — 3 раза превышают напряжение в звене постоянного тока;

• генерацию емкостных зарядных токов в кабеле двигателя;

• создание дополнительного шума двигателем.

Эти отрицательные явления могут быть ослаблены использова­нием выходных фильтров, однако они накладывают ограничения на длину кабелей (заводы-изготовители обычно указывают мак­симально допустимую длину кабелей между ППЧ и двигателем), класс и диэлектрическую проницаемость изоляции двигателя.

Для уменьшения шума двигателя, вызванного магнитострик - ционным эффектом, от высокочастотных составляющих тока дви­гателя используют выходной фильтр либо увеличивают частоту коммутации ШИМ, а иногда применяют и то, и другое.

Тормозные режимы работы электропривода обеспечиваются двумя основными способами:

• в ППЧ с неуправляемым выпрямителем — сбросом энергии торможения на тормозном резисторе;

• в ППЧ с активным выпрямителем — возвратом энергии тор­можения в сеть.

Очевидно, что второй способ торможения более экономичен и перспективен, но требует использования более дорогого преобра­зователя.

Все ППЧ дополнительно могут иметь встроенный пропорци­ональный интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-ре - гулятор) для формирования контура регулирования технологиче­ского параметра, аналоговые и частотные входы и выходы, диск­ретные и релейные входы и выходы для управления вспомога­тельным оборудованием, стандартные каналы связи для интегра­ции в систему автоматизации и обмена данными с персональным компьютером. Как правило, имеется встроенный или съемный пульт управления с дисплеем и клавиатурой для наладки, опера­тивных изменений настроек, сигнализации и диагностики.

На современном рынке преобразовательной техники успешно работают десятки отечественных и иностранных производителей,
и более подробную информацию об особенностях тех или иных моделей преобразователей частоты можно получить в каталогах и инструкциях по их наладке и эксплуатации.