Частотно-регулируемый привод (частотно-управляемый привод, ЧУП, Variable Frequency Drive, VFD) - система управления скоростью вращения асинхронного (синхронного) электродвигателя . Состоит из собственно электродвигателя и частотного преобразователя.
Частотный преобразователь (преобразователь частоты) - это устройство состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный и инвертора (преобразователя) (иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты и амплитуды. Выходные тиристоры (GTO) или дроссель, а для уменьшения электромагнитных помех - EMC -фильтр.
Применение
ЧРП применяются в конвейерных системах, резательных автоматах, управлении приводами мешалок, насосов, вентиляторов, компрессоров и т.п. ЧРП нашёл место в бытовых кондиционерах. Всё большую популярность ЧРП приобретает в городском электротранспорте, особенно в троллейбусах . Применение позволяет:
- повысить точность регулирования
- снизить расход электроэнергии в случае переменной нагрузки.
Применение преобразователей частоты на насосных станциях
Классический метод управления подачей насосных установок предполагает дросселирование напорных линий и регулирование количества работающих агрегатов, по какому-либо техническому параметру (например, давлению в трубопроводе). Насосные агрегаты в этом случае выбираются исходя из неких расчётных характеристик (как правило, в большую сторону) и постоянно функционируют в заданном режиме с постоянной частотой вращения, не учитывая при этом колебания расходов и напоров, вызванных переменным водопотреблением. Т.е. простыми словами, даже когда не требуется значительных усилий, насосы продолжают работу в заданном рабочем темпе, при этом расходуя значительное количество электроэнергии. Так, к примеру, происходит в ночное время суток, когда потребление воды резко падает.
Рождение регулируемого электропривода позволило пойти от обратного в технологии системы подачи: теперь не насосная установка диктует условия, а непосредственно сами характеристики трубопроводов . Широкое применение в мировой практике получил частотно регулируемый электропривод с асинхронным электродвигателем общепромышленного применения. Частотное регулирование скорости вращения вала асинхронного двигателя, осуществляется с помощью электронного устройства, которое принято называть частотный преобразователь. Вышеуказанный эффект достигается путём изменения частоты и амплитуды трёхфазного напряжения, поступающего на электродвигатель. Таким образом, меняя параметры питающего напряжения (частотное управление), можно делать скорость вращения двигателя как ниже, так и выше номинальной.
Метод преобразования частоты основывается на следующем принципе. Как правило, частота промышленной сети составляет 50 Гц. Для примера возьмём насос с двухполюсным электродвигателем. При такой частоте сети скорость вращения двигателя составляет 3000 (50 Гц х 60 сек) оборотов в минуту и даёт на выходе насосного агрегата номинальный напор и производительность (т.к. это его номинальные параметры, согласно паспорту). Если с помощью частотного преобразователя, понизить частоту подаваемого на него переменного напряжения, то соответственно понизятся скорость вращения двигателя, а, следовательно, измениться напор и производительность насосного агрегата. Информация о давлении в сети поступает в блок частотного преобразователя при помощи специального датчика давления, установленного в трубопроводе, на основании этих данных преобразователь соответствующим образом меняет частоту, подаваемую на двигатель.
Современный преобразователь частоты имеет компактное исполнение, пыле и влагозащищённый корпус, удобный интерфейс , что позволяет применять его в самых сложных условиях и проблемных средах. Диапазон мощности весьма широк и составляет от 0,4 до 500 кВт и более при стандартном питании 220/380 В и 50-60 Гц. Практика показывает, что применение частотных преобразователей на насосных станциях позволяет:
Экономить электроэнергию, настроив работу электропривода в зависимости от реального водопотребления (эффект экономии 20-50%);
Снизить расход воды, за счёт сокращения утечек при превышении давления в магистрали, когда расход водопотребления в действительности мал (в среднем на 5%);
Уменьшить расходы на профилактический и капитальный ремонт сооружений и оборудования (всей инфраструктуры подачи воды), в результате пресечения аварийных ситуаций, вызванных в частности гидравлическим ударом , который нередко случается в случае использования нерегулируемого электропривода (доказано, что ресурс службы оборудования повышается минимум в 1,5 раза);
Достичь определённой экономии тепла в системах горячего водоснабжения за счёт снижения потерь воды, несущей тепло;
Увеличить напор выше обычного в случае необходимости;
Комплексно автоматизировать систему водоснабжения, тем самым снижая фонд заработной платы обслуживающего и дежурного персонала, и исключить влияние «человеческого фактора» на работу системы, что тоже немаловажно. По оценкам уже реализованных объектов, срок окупаемости проекта по внедрению преобразователей частоты составляет 1-2 года.
Потери энергии при торможении двигателя
Во многих установках на регулируемый электропривод возлагаются задачи не только плавного регулирования момента и скорости вращения электродвигателя, но и задачи замедления и торможения элементов установки. Классическим решением такой задачи является система привода с асинхронным двигателем с преобразователем частоты, оснащённым тормозным переключателем с тормозным резистором.
При этом в режиме замедления/торможения электродвигатель работает как генератор, преобразуя механическую энергию в электрическую, которая в итоге рассеивается на тормозном резисторе. Типичными установками, в которых циклы разгона чередуются с циклами замедления являются подъёмники, лифты, центрифуги, намоточные машины и т.п.
Однако, в настоящий момент уже существуют преобразователи частоты со встроенным рекуператором, которые позволяют возвращать энергию, полученную от двигателя, работающего в режиме торможения, обратно в сеть. Интересно также, что для некоторого ряда мощностей стоимость установки преобразователя частоты с тормозными резисторами часто сопоставима со стоимостью установки преобразователя частоты со встроенным рекуператором, даже без учёта сэкономленной электроэнергии.
В этом случае, установка начинает "приносить деньги" фактически сразу после ввода в эксплуатацию.
Согласно последним данным статистики примерно 70% всей выработанной электроэнергии в мире потребляет электропривод. И с каждым годом этот процент растет.
При правильно подобранном способе управления электродвигателем возможно получение максимального КПД, максимального крутящего момента на валу электромашины, и при этом повысится общая производительность механизма. Эффективно работающие электродвигатели потребляют минимум электроэнергии и обеспечивают максимальную экономичность.
Для электродвигателей, работающих от преобразователя частоты ПЧ, эффективность во многом будет зависеть от выбранного способа управления электрической машиной. Только поняв достоинства каждого способа, инженеры и проектировщики систем электроприводов смогут получить максимальную производительность от каждого способа управления.
Содержание:
Способы контроля
Многие люди, работающие в сфере автоматизации, но не сталкивающиеся вплотную с процессами разработки и внедрения систем электроприводов полагают, что управление электродвигателем состоит из последовательности команд, вводимых с помощью интерфейса от пульта управления или ПК. Да, с точки зрения общей иерархии управления автоматизированной системой это правильно, однако есть еще способы управления самим электродвигателем. Именно эти способы и будут оказывать максимальное влияние на производительность всей системы.
Для асинхронных электродвигателей, подключенных к преобразователю частоты, существует четыре основных способа управления:
- U/f – вольт на герц;
- U/f с энкодером;
- Векторное управление с разомкнутым контуром;
- Векторное управление с замкнутым контуром;
Все четыре метода используют широтно-импульсную модуляцию ШИМ, которая изменяет ширину фиксированного сигнала путем изменения длительности импульсов для создания аналогового сигнала.
Широтно-импульсная модуляция применяется к преобразователю частоты путем использования фиксированного напряжения шины постоянного тока. путем быстрого открытия и закрытия (правильней сказать коммутации) генерируют выходные импульсы. Варьируя ширину этих импульсов на выходе получают «синусоиду» нужной частоты. Даже если форма выходного напряжения транзисторов импульсная, то ток все равно получается в виде синусоиды, так как электродвигатель имеет индуктивность, которая влияет на форму тока. Все методы управления основываются на ШИМ модуляции. Разница между методами управления заключается лишь в методе вычисления подаваемого напряжения на электродвигатель.
В данном случае несущая частота (показана красным) представляет собой максимальную частоту коммутации транзисторов. Несущая частота для инверторов, как правило, лежит в пределах 2 кГц – 15 кГц. Опорная частота (показана синим) представляет собой сигнал задания выходной частоты. Для инверторов применимых в обычных системах электроприводов, как правило, лежит в пределах 0 Гц – 60 Гц. При накладывании сигналов двух частот друг на друга, будет выдаваться сигнал открывания транзистора (обозначен черным цветом), который подводит силовое напряжение к электродвигателю.
Способ управления U/F
Управление вольт-на-герц, наиболее часто называемое как U/F, пожалуй, самый простой способ регулирования. Он часто используется в несложных системах электропривода из-за своей простоты и минимального количества необходимых для работы параметров. Такой способ управления не требует обязательной установки энкодера и обязательных настроек для частотно-регулируемого электропривода (но рекомендовано). Это приводит к меньшим затратам на вспомогательное оборудование (датчики, провода обратных связей, реле и так далее). Управление U/F довольно часто применяют в высокочастотном оборудовании, например, его часто используют в станках с ЧПУ для привода вращения шпинделя.
Модель с постоянным моментом вращения имеет постоянный вращающий момент во всем диапазоне скоростей при одинаковом соотношении U/F. Модель с переменным соотношением вращающего момента имеет более низкое напряжение питания на низких скоростях. Это необходимо для предотвращения насыщения электрической машины.
U/F — это единственный способ регулирования скорости асинхронного электродвигателя, который позволяет регулирование нескольких электроприводов от одного преобразователя частоты. Соответственно все машины запускаются и останавливаются одновременно и работают с одной частотой.
Но данный способ управления имеет несколько ограничений. Например, при использовании способа регулирования U/F без энкодера нет абсолютно никакой уверенности, что вал асинхронной машины вращается. Кроме того, пусковой момент электрической машины при частоте 3 Гц ограничивается 150%. Да, ограниченного крутящего момента более чем достаточно для применения в большинстве существующего оборудования. Например, практически все вентиляторы и насосы используют способ регулирования U/F.
Данный метод относительно прост из-за его более «свободной» спецификации. Регулирование скорости, как правило, лежит в диапазоне 2% — 3% максимальной выходной частоты. Отклик по скорости рассчитывается на частоту свыше 3 Гц. Скорость реагирования частотного преобразователя определяется быстротой его реакции на изменение опорной частоты. Чем выше скорость реагирования – тем быстрее будет реакция электропривода на изменение задания скорости.
Диапазон регулирования скорости при использовании способа U/F составляет 1:40. Умножив это соотношение на максимальную рабочую частоту электропривода, получим значение минимальной частоты, на которой сможет работать электрическая машина. Например, если максимальное значение частоты 60 Гц, а диапазон составляет 1:40, то минимальное значение частоты составит 1,5 Гц.
Паттерн U/F определяет соотношение частоты и напряжения в процессе работы частотно-регулируемого электропривода. Согласно ему, кривая задания скорости вращения (частота электродвигателя) будет определять помимо значения частоты еще и значения напряжения, подводимого к клеммам электрической машины.
Операторы и технические специалисты могут выбрать необходимый шаблон регулирования U/F одним параметром в современном частотном преобразователе. Предустановленные шаблоны уже оптимизированы под конкретные применения. Также существуют возможности создания своих шаблонов, которые будут оптимизироваться под конкретную систему частотно-регулируемого электропривода или электродвигателя.
Такие устройства как вентиляторы или насосы имеют момент нагрузки, который зависит от скорости их вращения. Переменный крутящий момент (рисунок выше) шаблона U/F предотвращает ошибки регулирования и повышает эффективность. Эта модель регулирования уменьшает токи намагничивания на низких частотах за счет снижения напряжения на электрической машине.
Механизмы с постоянным крутящим моментом, такие как конвейеры, экструдеры и другое оборудование используют способ регулирования с постоянным моментом. При постоянной нагрузке необходим полный ток намагничивания на всех скоростях. Соответственно характеристика имеет прямой наклон во всем диапазоне скоростей.
Способ управления U/F с энкодером
Если необходимо повысить точность регулирования скорости вращения в систему управления добавляют энкодер. Введение обратной связи по скорости с помощью энкодера позволяет повысить точность регулирования до 0,03%. Выходное напряжение по-прежнему будет определятся заданным шаблоном U/F.
Данный способ управления не получил широкого применения, так как представляемые им преимущества по сравнению со стандартными функциями U/F минимальны. Пусковой момент, скорость отклика и диапазон регулирования скорости – все идентично со стандартным U/F. Кроме того, при повышении рабочих частот могут возникнуть проблемы с работой энкодера, так как он имеет ограниченное количество оборотов.
Векторное управление без обратной связи
Векторное управление (ВУ) без обратной связи используется для более широкого и динамичного регулирования скорости электрической машины. При пуске от преобразователя частоты электродвигатели могут развивать пусковой момент в 200% от номинального при частоте всего 0,3 Гц. Это значительно расширяет перечень механизмов, где может быть применен асинхронный электропривод с векторным управлением. Этот метод также позволяет управлять моментом машины во всех четырех квадрантах.
Ограничение вращающего момента осуществляется двигателем. Это необходимо для предотвращения повреждения оборудования, машин или продукции. Значение моментов разбивают на четыре различных квадранта, в зависимости направления вращения электрической машины (вперед или назад) и в зависимости от того, реализует ли электродвигатель . Ограничения могут устанавливаться для каждого квадранта отдельно или же пользователь может задать общий вращающий момент в преобразователе частоты.
Двигательный режим асинхронной машины будет при условии, что магнитное поле ротора отстает от магнитного поля статора. Если магнитное поле ротора начнет опережать магнитное поле статора, то тогда машина войдет в режим рекуперативного торможения с отдачей энергии, проще говоря – асинхронный двигатель перейдет в генераторный режим.
Например, машина по закупорке бутылок может использовать ограничение момента в квадранте 1 (направление вперед с положительным моментом) для предотвращения чрезмерного затягивания крышки бутылки. Механизм производит движение вперед и использует положительный момент для того, чтобы закрутить крышку бутылки. А вот устройство, такое как лифт, с противовесом тяжелее, чем пустая кабина, будет использовать квадрант 2 (обратное вращение и положительный момент). Если кабина подымается на верхний этаж, то крутящий момент будет противоположен скорости. Это необходимо для ограничения скорости подъема и недопущения свободного падения противовеса, так как он тяжелее, чем кабина.
Обратная связь по току в данных преобразователях частоты ПЧ позволяет устанавливать ограничения по моменту и току электродвигателя, поскольку при увеличении тока растет и момент. Выходное напряжение ПЧ может изменятся в сторону увеличения, если механизм требует приложения большего крутящего момента, или уменьшатся, если достигнуто его предельно допустимое значение. Это делает принцип векторного управления асинхронной машиной более гибким и динамичным по сравнению с принципом U/F.
Также частотные преобразователи с векторным управлением и разомкнутым контуром имеют более быстрый отклик по скорости – 10 Гц, что делает возможным его применение в механизмах с ударными нагрузками. Например, в дробилках горной породы нагрузка постоянно меняется и зависит от объема и габаритов обрабатываемой породы.
В отличии от шаблона управления U/F векторное управление использует векторный алгоритм, для определения максимально эффективного напряжения работы электродвигателя.
Векторное управления ВУ решает данную задачу благодаря наличию обратной связи по току двигателя. Как правило, обратная связь по току формируется внутренними трансформаторами тока самого преобразователя частоты ПЧ. Благодаря полученному значению тока преобразователь частоты проводит вычисления вращающего момента и потока электрической машины. Базовый вектор тока двигателя математически расщепляется на вектор тока намагничивания (I d) и крутящего момента (I q).
Используя данные и параметры электрической машины ПЧ вычисляет векторы тока намагничивания (I d) и крутящего момента (I q). Для достижения максимальной производительности, преобразователь частоты должен держать I d и I q разведенными на угол 90 0 . Это существенно, так как sin 90 0 = 1, а значение 1 представляет собой максимальное значение крутящего момента.
В целом векторное управление асинхронным электродвигателем осуществляет более жесткий контроль. Регулирование скорости составляет примерно ±0,2% от максимальной частоты, а диапазон регулирования достигает 1:200, что позволяет сохранять вращающий момент при работе на низких скоростях.
Векторное управление с обратной связью
Векторное управление с обратной связью использует тот же алгоритм управления, что и ВУ без обратной связи. Основное различие заключается в наличии энкодера, что дает возможность частотно-регулируемому электроприводу развивать 200% пусковой момент при скорости 0 об/мин. Этот пункт просто необходим для создания начального момента при трогании с места лифтов, кранов и других подъемных машин, чтоб не допустить просадки груза.
Наличие датчика обратной связи по скорости позволяет увеличить время отклика системы более 50 Гц, а также расширить диапазон регулирования скорости до 1:1500. Также наличие обратной связи позволяет управлять не скоростью электрической машиной, а моментом. В некоторых механизмах именно значение момента имеет большую важность. Например, мотальная машина, механизмы закупорки и другие. В таких устройствах необходимо регулировать момент машины.
В асинхронных электрических двигателях возникает необходимость регулировки частоты вращения ротора. С этой целью используется частотно-регулируемый привод, основным элементом которого является частотный преобразователь. В его конструкцию входит мост постоянного тока, он же - выпрямитель, преобразующий промышленный переменный ток в постоянный. Другая важная деталь - инвертор, выполняющий обратное преобразование постоянного тока в переменный с необходимой частотой и амплитудой.
Принцип работы частотно регулируемого привода
Асинхронные двигатели широко применяются в промышленности и на транспорте, являясь основной движущей силой узлов, машин и механизмов. Они отличаются высокой надежностью и сравнительно легко поддаются ремонту.
Однако данные устройства могут вращаться только на одной частоте, которую имеет питающая сеть переменного тока. Для работы в различных диапазонах используются специальные устройства - частотные преобразователи, выполняющие регулировку частот до требуемых параметров.
Работа преобразователей тесно связана с принципом действия асинхронного двигателя. Его статор состоит из трех обмоток к каждой из которых подведен электрический ток, создающий переменное магнитное поле. Под действием этого поля в роторе индуцируется ток, который также приводит к возникновению магнитного поля. В результате взаимодействия полей статора и ротора, начинается вращение ротора.
Когда асинхронный двигатель запускается, происходит значительное потребление тока от питающей сети. Из-за этого привод механизма испытывает значительную перегрузку. Наблюдается скачкообразное стремление двигателя достичь номинальных оборотов. В результате, снижается срок службы не только самого агрегата, но и тех устройств, которые он приводит в действие.
Данная проблема успешно решается путем использования частотно регулируемого привода, позволяющего изменять частоту напряжения, питающего двигатель. Применение современных электронных компонентов делает эти устройства малогабаритными и высокоэффективными.
Принцип работы частотного преобразователя достаточно простой. Вначале осуществляется подача сетевого напряжения к выпрямителю, где происходит его трансформация в постоянный ток. Затем он сглаживается конденсаторами и поступает на транзисторный преобразователь. Его транзисторы в открытом состоянии обладают крайне малым сопротивлением. Их открытие и закрытие происходит в определенное время при помощи электронного управления. Происходит формирование напряжения, аналогичного трехфазному, когда фазы смещаются относительно друг друга. Импульсы имеют прямоугольную форму, однако это совершенно не влияет на работу двигателя.
Частотные преобразователи имеют большое значение при работе . При такой схеме подключения необходимо использование фазосдвигающего конденсатора для создания вращающего момента. Эффективность агрегата заметно падает, однако частотный преобразователь увеличить его производительность.
Таким образом, применение частотно регулируемого электропривода делает управление трехфазными двигателями переменного тока более эффективным. В результате, улучшаются производственные технологические процессы, а энергоресурсы используются более рационально.
Преимущества и недостатки устройств регулировки частоты
Данные регулировочные устройства обладают несомненными достоинствами и дают высокий экономический эффект. Они отличаются высокой точностью регулировок, обеспечивают пусковой момент равный максимальному. При необходимости электродвигатель может работать с неполной нагрузкой, что позволяет существенно экономить электроэнергию. Регулировщики частоты заметно продлевают срок эксплуатации оборудования. При плавном пуске двигателя, его износ становится намного меньше.
Частотно регулируемый привод поддается удаленной диагностике по промышленной сети. Это позволяет вести учет отработанных моточасов, распознавать выпадающие фазы во входных и выходных цепях, а также выявлять другие дефекты и неисправности.
К регулировочному устройству могут подключаться различные датчики, которые дают возможность настройки каких-либо величин, например, давления. Если сетевое напряжение неожиданно пропало, включается система управляемого торможения и автоматического перезапуска. Скорость вращения стабилизируется при изменяющейся нагрузке. Частотно регулируемый привод становится альтернативной заменой автоматического выключателя.
В качестве основного недостатка следует отметить создание помех большинством моделей таких устройств. Для обеспечения нормальной работы необходимо устанавливать фильтры высокочастотных помех. Кроме того, повышенная мощность частотно регулируемых приводов значительно поднимает их стоимость, поэтому минимальный срок окупаемости составляет 1-2 года.
Применение регулировочных устройств
Частотно регулировочные устройства применяются во многих сферах - в промышленности и в быту. Ими оборудуются прокатные станы, конвейеры, резательные автоматы, вентиляторы, компрессоры, мешалки, бытовые стиральные машины и кондиционеры. Приводы хорошо зарекомендовали себя в городском троллейбусном транспорте. Использование частотно регулируемых приводов в станках с числовым программным управлением позволяет синхронизировать движения сразу в направлении многих осей.
Максимальный экономический эффект эти системы дают при их использовании в различном насосном оборудовании. Стандартное любых типов заключается в регулировке дросселей, устанавливаемых в напорных линиях и определении числа действующих агрегатов. За счет этого удается получить определенные технические параметры, такие как давление в трубопроводе и другие.
Насосы имеют постоянную частоту вращения и не учитывают изменяющийся расход в результате переменного водопотребления. Даже в случае минимального расхода насосы будут поддерживать постоянную частоту вращения, приводя к созданию избыточного давления в сети и вызывая аварийные ситуации. Все это сопровождается значительным бесполезным расходом электроэнергии. В основном это происходит в ночное время при резком падении водопотребления.
С появлением частотно регулируемого привода появилась возможность поддержки постоянного давления непосредственно у потребителей. Данные системы хорошо зарекомендовали себя в совокупности с асинхронными двигателями общего назначения. Регулировка частоты позволяет изменять скорость вращения вала, делая ее более высокой или низкой по сравнению с номинальной. Датчик давления, установленный у потребителя, передает информацию на частотно регулируемый привод, который, в свою очередь, изменяет частоту, поступающую к двигателю.
Современные регулирующие устройства отличаются компактными размерами. Они размещаются в корпусе, защищенном от пыли и влаги. Благодаря удобному интерфейсу, приборы могут эксплуатироваться даже в наиболее сложных условиях, при широком диапазоне мощности - от 0,18 до 630 киловатт и напряжении 220/380 вольт.
На сегодняшний момент на российском рынке представлены десятки марок низковольтных преобразователей частоты иностранных и российских производителей. Среди них можно отметить ведущие европейские компании: Siemens, ABB, SEW Eurodrive, Control Techniques (корпорация Emerson), Schneider Electric, Danfoss, K.E.B., Lenze, Allen-Breadly (корпорация Rockwell Automation), Bosch Rexroth. Продукция этих производителей широко представлена, существует разветвленная дилерская сеть. Пока менее известна продукция таких компаний из Европы, как Emotron, Vacon, SSD Drives (корпорация Parker), Elettronica Santerno. Присутствуют и продукты американских производителей – корпорации General Electric, AC Technology International (входит в концерн Lenze) и WEG (Бразилия).
Серьезную конкуренцию европейским и американским производителям составляют компании из Азии. Прежде всего, это компании из Японии: Mitsubishi Electric, Omron-Yaskawa, Panasonic, Hitachi, Toshiba, Fuji Electric. Широко представлены корейские и тайваньские марки – LG Industrial Systems, HYUNDAI Electronics, Delta Electronics, Tecorp, Long Shenq Electronic, Mecapion.
Среди отечественных производителей наиболее известным является компания Веспер. Можно также отметить специализированные преобразователи марок АПЧ, ЭПВ (ОАО «Электроаппарат»), РЭН2К или РЭМС (МКЕ).
Большинство производителей предлагаeт преобразователи частоты, способные работать в разомкнутом и замкнутом контуре управления (векторное управление), с наборами программируемых входов и выходов, со встроенным ПИД-регулятором. Даже в самых дешевых корейских или тайваньских преобразователях частоты можно встретить так называемый бессенсорный, т.е. без датчика положения ротора, векторный режим работы. Диапазон регулирования может составлять 1:50.
Однако ведущие производители предлагают более совершенный режим векторного управления без датчика обратной связи, основанный на передовых алгоритмах управления. Одним из первопроходцев в этой области была компания ABB предложившая DTR (Direct torque control) – метод управления скоростью и моментом без датчика обратной связи. Английская компания Control Techniques реализовала режим управления потокосцеплением ротора (RFC) без использования датчика обратной связи, что позволяет управлять моментом с точностью достаточной для большинства задач, расширить диапазон регулирования до 100, обеспечить высокую точность поддержания скорости при низкой частоте вращения и достичь такого же тока перегрузки, как в режимах замкнутого контура.
Крупные производители предлагают многофункциональные приборы с целым набором опций (модули расширения, тормозные резисторы, встраиваемые контроллеры, фильтры, дроссели и т.д.) или комплектуют их системами ЧПУ или контроллерами движения.
Все чаще можно встретить применение привода в рекуперативном режиме, т.е. с возможностью возвращать энергию, выделяемую при торможении, обратно в сеть (лифты, эскалаторы, подъемные краны). Обычно для этого используется специализированный привод с управляемым выпрямителем. Ведущие компании, например, Control Techniques, предлагают рекуперацию как один из режимов работы преобразователя частоты Unidrive SP, тем самым получая существенную экономию энергии и высокий КПД системы.
Описанный ассортимент даёт возможность инженеру выбрать подходящий по цене преобразователь частоты с широким набором встроенных функций и программ. При этом ведущие европейские марки, например из Великобритании и Германии, успешно конкурируют по цене при большем функционале и качестве
Предлагаем вашему вниманию описание некоторых продуктов, доступных на российском рынке. Информацию о поставщиках вы можете найти на нашем сайте:
Компания Rockwell Automation, бессменный лидер на силовом электротехническом рынке, выпустила новую серию частотных электроприводов Allen-Bradley® PowerFlex® в диапазоне мощностей от 0.25kW до 6770kW. Новая высокоэффективная серия сочетает в себе компактное конструктивное исполнение, широкие функциональные возможности и отличные эксплуатационные характеристики. Применяется в пищевой, бумажной, текстильной промышленности, металлообработке, деревообработке, насосно-вентиляционном оборудовании и т.д. В палитре представлены два класса приводов – Компонентный и Архитектурный. Модели из Компонентного класса предназначены для решения стандартных задач регулирования, а приводы Архитектурного класса за счет гибкого изменения конфигурации могут быть легко адаптированы и встроены в системы управления различного силового оборудования. Все модели предлагают исключительные коммуникационные возможности, широкую гамму панелей оператора и средств программирования, что в значительной степени облегчает эксплуатацию и ускоряет запуск оборудования.
PowerFlex ® 4
Привод Powerflex 4 является наиболее компактным и недорогим представителем данного семейства. Являясь идеальным устройством регулирования скорости, данная модель обеспечивает универсальность применения с соблюдением требований производителей и конечных пользователей в отношении гибкости, компактности и простоты эксплуатации.
В приводе реализован вольт-частотный закон управления с возможностью компенсации скольжения. Прекрасным дополнением к данной модели является версия ультракомпактного приводы Power@Flex4M, c расширенным рабочим диапазоном мощностей до 2.2 kW при однофазном исполнении и до 11kW-для трехфазного напряжения 400VAC. Предлагаемая ценовая шкала на данную модель позволяет надеяться если не на хит сезона, то на достаточно широкую ее популярность.
PowerFlex ® 7000
Привода серии PowerFlex 7000 являются уже третьим поколением приводов среднего напряжения от Rockwell Automation. Предназначены для регулирования скорости, момента, направления вращения асинхронных и синхронных двигателей переменного тока. Уникальный дизайн серии PowerFlex 7000 представляет собой запатентованную разработку под маркой PowerCage силовых блоков, содержащих основные силовые компоненты приводы. Новый модульный дизайн прост и представлен небольшим количеством компонентов, что обеспечивает высокую надежность и облегчает эксплуатацию. К основным преимуществам приводов среднего напряжения можно отнести: уменьшение эксплуатационных расходов, возможность запуска больших двигателей от небольших источников питания и повышение качественных характеристик контролируемого технологического процесса и используемого оборудования.
В зависимости от выходной мощности поставляются привода трех типоразмеров:
Корпус А – Диапазон мощностей 150-900 кВт при питающем напряжении 2400-6600 В
Корпус В – Диапазон мощностей 150-4100 кВт при питающем напряжении 2400-6600В
Корпус С – Диапазон мощностей 2240-6770 кВт при питающем напряжении 4160-6600 В
Приводы PowerFlex 7000 могут поставляться с таких вариантами исполнения, как 6-пульсная или 18-пульсная схема или с ШИМ-преобразователем, что дает пользователю существенную гибкость в вопросе снижения влияния гармоник питающей сети. Кроме этого, он обеспечивает прямое бессенсорное векторное управление для улучшения регулирования в зоне низких скоростей, по сравнению с приводами, использующими метод регулирования U/f, а также возможность регулирования момента двигателя, как это осуществляется в приводах постоянного тока. В качестве панели оператора предлагается модуль с жидкокристаллическим дисплеем на 16 строк и 40 знаков.
Больший момент инерции без дополнительного редуктора
Малоинерционные сервомоторы от Beckhoff серии AM3000, которые производятся на основе новых материалов и технологии, используются, главным образом, в динамичных приложениях с высокими нагрузками, например, для привода осей металлообрабатывающих станков или устройств без редукторов. В сочетании с большой инерцией ротора, они предлагают те же преимущества, что и моторы серии AM3xxx, например, полюсную статорную обмотку, которая позволяет значительно уменьшить общие габариты мотора. Фланцы, соединители и валы моторов новой серии AM3500 совместимы с хорошо проверенными моторами AM3000. Новые модели AM3500 выпускаются с фланцами размеров 3 – 6 и имеют момент вращения от 1,9 до 15 Нм. Скорости вращения моторов составляют от 3000 до 6000 оборотов в минуту. Для систем обратной связи имеются координатные преобразователи или абсолютные датчики положения (одно- или многооборотные). Корпус относится к классу защиты IP 64; возможны опции с классом защиты IP 65/67. Эта серия моторов соответствует нормам безопасности CE, UL и CSA.
Новое поколение приводов
Линейка Emotron пополнилась приводами NGD: FDU2.0, VFX2.0 (мощностью от 0,75 кВт до 1,6 МВт) и VSC/VSA (0,18–7,5 кВт). Приводы с регулируемой скоростью FDU2.0 (для центробежных механизмов) и VFX2.0 (для поршневых) позволяют пользователю устанавливать эксплутационные параметры в необходимых единицах, имеют съемную панель управления с функцией копирования настроек, модели до 132 кВт имеют стандартное экономичное исполнение IP54 (модели от 160 до 800 кВт также могут быть установлены в специальные компактные корпуса IP54). Обмен данными в ходе процесса осуществляется с помощью Fieldbus (Profibus-DP, DeviceNet, Ethernet), через порты (RS-232, RS-485, Modbus RTU), а также аналоговые и цифровые выходы.
Малогабаритные векторные приводы VSA и VSC специально спроектированы для регулирования скорости трехфазных асинхронных двигателей небольшой мощности: модели с входным напряжением 220 В доступны в диапазоне от 0,18 до 2,2 кВт, а модели 380 В – от 0,75 до 7,5 кВт.
Cемейство ATV61-ATV71
Рынок преобразователей частоты в России развивается стремительными темпами. Не удивительно, что он привлекает многочисленных производителей, причем, как крупных, так и малоизвестных. В настоящий момент российский рынок очень сегментирован. Но вот парадокс: несмотря на то, что на рынке присутствует в настоящий момент более 30 брэндов, существенная доля рынка принадлежит 7 – 8 компаниям, а явных лидеров – не более двух. При этом великолепные технические характеристики оборудования еще не являются гарантией успеха. Лидирующие позиции в России смогли занять компании, инвестирующие существенные средства в развитие бизнеса и бизнес – инфраструктуры.
Компания Schneider Electric, интересы которой в России представляет ЗАО «Шнейдер Электрик», в 2007 году значительно расширилa продуктовое предложение. Теперь семейство ATV61-ATV71 пополнилось модификацией на напряжение 690 В, появилось множество версий со степенью защиты IP54. Появилась также специальная модель для лифтового и кранового привода ATV71*383 с уникальной технологией управления синхронным двигателем. К концу 2008 года в линейке Альтиваров появится аппарат мощностью 2400 кВт на 690В. Altivar 61 теперь может работать в схемах с повышающим трансформатором.
Новая экономичная серия Altivar 21 разработана специально для систем отопления, кондиционирования и вентиляции жилых и общественных зданий. Altivar 21 управляет двигателями 0.75 до 75 кВт на напряжения 380 В и 200 … 240 В.
Altivar 21 имеет множество прикладных функций:
– встроенный ПИ регулятор;
– «подхват налету»;
– функция «сон/пробуждение»;
– управление защитами и сигнализацией;
– устойчивость к сетевым помехам, работа при температуре до + 50°C и просадке напряжения -50%.
С новой безконденсаторной технологией Altivar 21 не требует устройств для снижения гармоник. Суммарный коэффициент – THDI 30%. Отказ от конденсаторов и применение более мощных полупроводников увеличили время наработки.
Лидерство Schneider Electric на рынке преобразовательной техники является результатом серьезной работы по повышению отказоустойчивости преобразователей. Параметр MTTF для некоторых моделей составляет до 640000 часов. Altivar работает при просадке напряжения до -50%, температуре до +50%, в химически агрессивных средах и при импульсных помехах в сети. Это серьезный аргумент для повторной покупки. Доверие покупателя к оборудованию и репутации фирмы трудно переоценить.
Приводоы от SICK
Современное производство требует автоматизации многих ручных операций по настройке различных параметров на различных станках и упаковочных машинах. Зачастую у оператора возникает необходимость в изменении геометрических параметров выпускаемого изделия или других подобных задач. В этом случае приводы позиционирования от SICK-Stegmann – идеальное недорогое устройство для подобной операции.
HIPERDRIVE® – приводы позиционирования етo результат интеграции бесщеточного двигателя постоянного тока, редуктора, абсолютного многооборотного энкодера, силовой и управляющей электроники в одном устройстве. Кроме всего прочего, приводы имеют сетевой интерфейс Profibus или DeviceNet. Данное устройство нацелено на выполнение задач позиционирования «точка – точка» и представляет собой устройствo типа «черный ящик», которым легко управлять.
В настоящее время для подобных задач используются сервоприводы. Но использование подобных систем имеет ряд недостатков. Прежде всего, это экономически не оправдано. Системы на основе сервоприводов, как правило, требуют также инвертора, тормоза, абсолютного энкодера.
Основные преимущества данных приводов:
– Высоко – интегрированное устройство
Уменьшение размера привода
Легкая сборка и настройка
Преобразователи частоты
С конца 1960-х годов преобразователи частоты изменились коренным образом, в основном, как результат разработки микропроцессорных и полупроводниковых технологий, а также благодаря снижению их стоимости.
Однако основополагающие принципы, заложенные в преобразователях частоты, остались прежними.
В состав преобразователей частоты входят четыре основных элемента:
Рис. 1. Блок-схема преобразователя частоты
1.Выпрямитель формирует пульсирующее напряжение постоянного тока при его подключении к одно/трехфазной питающей электросети переменного тока. Выпрямители бывают двух основных типов - управляемые и неуправляемые.
2.Промежуточная цепь одного из трех типов:
a) преобразующая напряжение выпрямителя в постоянный ток.
b) стабилизирующая или сглаживающая пульсирующее напряжение постоянного тока и подающая его на инвертор.
c) преобразующая неизменное напряжение постоянного тока выпрямителя в изменяющееся напряжение переменного тока.
3.Инвертор, который формирует частоту напряжения электродвигателя. Некоторые инверторы могут также конвертировать неизменное напряжение постоянного тока в изменяющееся напряжение переменного тока.
4. Электронная схема управления, которая посылает сигналы в выпрямитель, промежуточную цепь и инвертор и получает сигналы от данных элементов. Построение управляемых элементов зависит от конструкции конкретного преобразователя частоты (см. рис. 2.02).
Общим для всех преобразователей частоты является то, что все цепи управления управляют полупроводниковыми элементами инвертера. Преобразователи частоты различаются по режиму коммутации, используемому для регулирования напряжения питания электродвигателя.
На рис. 2, где показаны различные принципы построения/управления преобразователя, используются следующие обозначения:
1- управляемый выпрямитель,
2- неуправляемый выпрямитель,
3- промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока,
4- промежуточная цепь неизменного напряжения постоянного тока
5- промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока,
6- инвертор с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ)
7- инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)
Инвертор тока (ИТ) (1+3+6)
Преобразователь с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) (1+4+7) (2+5+7)
Преобразователь с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ/VVCplus) (2+4+7)
Рис. 2. Различные принципы построения/управления преобразователей частоты
Для полноты следует упомянуть прямые преобразователи, которые не имеют промежуточной цепи. Такие преобразователи используются в мегаваттном диапазоне мощности для формирования низкочастотного питающего напряжения непосредственно из сети частотой 50 Гц, при этом их максимальная выходная частота составляет около 30 Гц.
Выпрямитель
Питающее напряжение сети является трехфазным или однофазным напряжением переменного тока с фиксированной частотой (например, 3x400 В/50 Гц или 1 х240 В/50 Гц); характеристики этих напряжений иллюстрируются приведенным ниже рисунком.
Рис. 3. Однофазное и трехфазное напряжение переменного тока
На рисунке все три фазы смещены между собой по времени, фазное напряжение постоянно изменяет направление, а частота указывает число периодов в секунду. Частота 50 Гц означает, что на секунду приходится 50 периодов (50 х Т), т.е. один период длится 20 миллисекунд.
Выпрямитель преобразователя частоты строится либо на диодах, либо на тиристорах, либо на их комбинации. Выпрямитель, построенный на диодах, является неуправляемым, а на тиристорах - управляемым. Если используются и диоды, и тиристоры, выпрямитель является полууправляемым.
Неуправляемые выпрямители
Рис. 4. Режим работы диода.
Диоды позволяют току протекать только в одном направлении: от анода (А) к катоду (К). Как и в случае некоторых других полупроводниковых приборов, величину тока диода регулировать невозможно. Напряжение переменного тока преобразуется диодом в пульсирующее напряжение постоянного тока. Если неуправляемый трехфазный выпрямитель питается трехфазным напряжением переменного тока, то и в этом случае напряжение постоянного тока будет пульсировать.
Рис. 5. Неуправляемый выпрямитель
На рис. 5 показан неуправляемый трехфазный выпрямитель, содержащий две группы диодов. Одна группа состоит из диодов D1, D3 и D5. Другая группа состоит из диодов D2, D4 и D6. Каждый диод проводит ток в течение трети времени периода (120°). В обеих группах диоды проводят ток в определенной последовательности. Периоды, в течение которых обе группы работают, смещены между собой на 1 /6 времени периода Т (60°).
Диоды D1,3,5 открыты (проводят), когда к ним приложено положительное напряжение. Если напряжение фазы L достигает положи-тельного пикового значения, то диод D, открыт и клемма А получает напряжение фазы L1 На два других диода будут действовать обратные напряжения величиной U L1-2 и U L1-3
То же происходит и в группе диодов D2,4,6. В этом случае клемма В получает отрицательное фазное напряжение. Если в данный момент фаза L3 достигает предельного отрицательного значения, диод D6 открыт (проводит). На оба других диода действуют обратные напряжения величиной U L3-1 и U L3-2
Выходное напряжение неуправляемого выпрямителя равно разности напряжений этих двух диодных групп. Среднее значение пульсирующего напряжения постоянного тока равно 1,35 х напряжение сети.
Рис. 6. Выходное напряжение неуправляемого трехфазного выпрямителя
Управляемые выпрямители
В управляемых выпрямителях диоды заменены тиристорами. Подобно диоду тиристор пропускает ток только в одном направлении - от анода (А) к катоду (К). Однако в противоположность диоду тиристор имеет третий электрод, называемый «затвором» (G). Чтобы тиристор открылся, на затвор должен быть подан сигнал. Если через тиристор течет ток, тиристор будет пропускать его до тех пор, пока ток не станет равным нулю.
Ток не может быть прерван подачей сигнала на затвор. Тиристоры используются как в выпрямителях, так и в инверторах.
На затвор тиристора подается управляющий сигнал а, который характеризуется задержкой, выражаемой в градусах. Эти градусы оказывают запаздывание между моментом перехода напряжения через нуль и временем, когда тиристор открыт.
Рис. 7. Режим работы тиристора
Если угол а находится в пределах от 0° до 90°, то тиристорная схема используется в качестве выпрямителя, а если в пределах от 90° до 300° - то в качестве инвертора.
Рис. 8. Управляемый трехфазный выпрямитель
Управляемый выпрямитель в своей основе не отличается от неуправляемого за исключением того, что тиристор управляется сигналом а и начинает проводить с момента, когда начинает проводить обычный диод, до момента, который находится на 30° позже точки перехода напряжения через нуль.
Регулирование значения а позволяет изменять величину выпрямленного напряжения. Управляемый выпрямитель формирует постоянное напряжение, среднее значение которого равно 1,35 х напряжение сети x cos α
Рис. 9. Выходное напряжение управляемого трехфазного выпрямителя
По сравнению с неуправляемым выпрямителем управляемый имеет более значительные потери и вносит более высокие помехи в сеть питания, поскольку при более коротком времени пропускания тиристоров выпрямитель отбирает от сети больший реактивный ток.
Преимуществом управляемых выпрямителей является их способность возвращать энергию в питающую сеть.
Промежуточная цепь
Промежуточную цепь можно рассматривать как хранилище, из которого электродвигатель может получать энергию через инвертор. В зависимости от выпрямителя и инвертора, возможны три принципа построения промежуточной цепи.
Инверторы - источники тока (1-преобразователи)
Рис. 10. Промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока
В случае инверторов - источников тока промежуточная цепь содержит катушку большой индуктивности и сопрягается только с управляемым выпрямителем. Катушка индуктивности преобразует изменяющееся напряжение выпрямителя в изменяющийся постоянный ток. Величину напряжения электродвигателя определяет нагрузка.
Инверторы - источники напряжения (U-преобразователи)
Рис. 11. Промежуточная цепь постоянного напряжения
В случае инверторов - источников напряжения промежуточная цепь представляет собой фильтр, содержащий конденсатор, и может сопрягаться с выпрямителем любого из двух типов. Фильтр сглаживает пульсирующее постоянное напряжение (U21) выпрямителя.
В управляемом выпрямителе напряжение на данной частоте постоянно и подается на инвертор в качестве истинного постоянного напряжения (U22)c изменяющейся амплитудой.
В неуправляемых выпрямителях напряжение на входе инвертора представляет собой постоянное напряжение с неизменной амплитудой.
Промежуточная цепь изменяющегося постоянного напряжения
Рис. 12. Промежуточная цепь изменяющегося напряжения
В промежуточных цепях изменяющегося постоянного напряжения можно перед фильтром включить прерыватель, как это показано на рис. 12.
Прерыватель содержит транзистор, который действует как переключатель, включая и выключая напряжение выпрямителя. Система регулирования управляет прерывателем путем сравнения изменяющегося напряжения после фильтра (U v) с входным сигналом. Если существует разность, соотношение регулируется путем изменения времени, в течение которого транзистор открыт, и времени, когда он закрыт. Тем самым изменяется эффективное значение и величина постоянного напряжения, что может быть выражено формулой
U v = U х t on / (t on + t off)
Когда транзистор прерывателя размыкает цепь тока, катушка индуктивности фильтра делает напряжение на транзисторе бесконечно большим. Чтобы избежать этого прерыватель защищен быстропереключающимся диодом. Когда транзистор открывается и закрывается, как показано на рис. 13, напряжение будет наибольшим в режиме 2.
Рис. 13. Транзистор-прерыватель управляет напряжением промежуточной цепи
Фильтр промежуточной цепи сглаживает прямоугольное напряжение после прерывателя. Конденсатор и катушка индуктивности фильтра поддерживают постоянство напряжения на данной частоте.
В зависимости от построения промежуточная цепь может также выполнять дополнительные функции, в число которых входят:
Развязка выпрямителя от инвертора
Уменьшение уровня гармоник
Накопление энергии с целью ограничения скачков прерывистой нагрузки.
Инвертор
Инвертор - последнее звено в преобразователе частоты перед электродвигателем и место, где происходит окончательная адаптация выходного напряжения.
Преобразователь частоты обеспечивает штатные рабочие условия во всем диапазоне регулирования путем адаптации выходного напряжения к режиму нагрузки. Это позволяет поддерживать оптимальное намагничивание электродвигателя.
Из промежуточной цепи инвертор получает
Изменяющийся постоянный ток,
Изменяющееся напряжение постоянного тока или
Неизменное напряжение постоянного тока.
Благодаря инвертору, в каждом из этих случаях на электродвигатель подается изменяющаяся величина. Другими словами, в инверторе всегда создается нужная частота напряжения, подаваемого на электродвигатель. Если ток или напряжение являются изменяющимися, инвертор создает только нужную частоту. Если напряжение неизменно, инвертор создает для электродвигателя как нужную частоту, так и нужное напряжение.
Даже если инверторы работают различным образом, их основная структура всегда одинакова. Основными элементами инверторов являются управляемые полупроводниковые приборы, включенные попарно в трех ветвях.
В настоящее время тиристоры в большинстве случаев заменены высокочастотными транзисторами, которые способны открываться и закрываться очень быстро. Частота коммутации обычно находится в пределах от 300 Гц до 20 кГц и зависит от используемых полупроводниковых приборов.
Полупроводниковые приборы в инверторе открываются и закрываются сигналами, формируемыми схемой управления. Сигналы могут формироваться несколькими различными способами.
Рис. 14. Обычный инвертор тока промежуточной цепи изменяющегося напряжения.
Обычные инверторы, коммутирующие, главным образом, ток промежуточной цепи изменяющегося напряжения, содержат шесть тиристоров и шесть конденсаторов.
Конденсаторы позволяют тиристорам открываться и закрываться таким образом, что ток в фазных обмотках сдвигается на 120 градусов и должен быть адаптирован к типоразмеру электродвигателя. Когда на клеммы электродвигателя периодически подается ток в последовательности U-V, V-W, W-U, U-V..., возникает прерывистое вращающееся магнитное поле требуемой частоты. Даже если ток электродвигателя при этом имеет почти прямоугольную форму, напряжение электродвигателя будет практически синусоидальным. Однако при включении или выключении тока всегда возникают броски напряжения.
Конденсаторы отделяются от нагрузочного тока электродвигателя диодами.
Рис. 15. Инвертор для изменяющегося или неизменного напряжения промежуточной цепи и зависимость выходного тока от частоты коммутации инвертора
Инверторы с изменяющимся или неизменным напряжением промежуточной цепи содержат шесть коммутационных элементов и вне зависимости от вида используемых полупроводниковых приборов работают почти одинаково. Схема управления открывает и закрывает полупроводниковые приборы с помощью нескольких различных способов модуляции, изменяя тем самым выходную частоту преобразователя частоты.
Первый способ предназначен для изменяющегося напряжения или тока в промежуточной цепи.
Интервалы, в течение которых отдельные полупроводниковые приборы открыты, расположены в последовательности, используемой для получения требуемой выходной частоты.
Эта последовательность коммутации полупроводниковых приборов управляется величиной изменяющегося напряжения или тока промежуточной цепи. Благодаря использованию генератора колебаний, управляемого напряжением, частота всегда отслеживает амплитуду напряжения. Такой вид управления инвертором называется амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).
Для фиксированного напряжения промежуточной цепи используется другой основной способ. Напряжение электродвигателя становится изменяющимся благодаря подаче напряжения промежуточной цепи на обмотки электродвигателя в течение более длинных или более коротких интервалов времени.
Рис. 16 Модуляция амплитуды и длительности импульсов
Частота изменяется путем изменения импульсов напряжения вдоль оси времени - положительно в течение одного полупериода и отрицательно - в течение другого.
Поскольку при этом способе происходит изменение длительности (ширины) импульсов напряжения, его называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). ШИМ-модуляция (и связанные с ней способы, например синусоидально-управляемая ШИМ) является наиболее распространенным способом управления инвертора.
При ШИМ-модуляции схема управления определяет моменты коммутации полупроводниковых приборов при пересечении пилообразного напряжения и наложенного синусоидального опорного напряжения (синусоидально-управляемая ШИМ). Другими перспективными способами ШИМ-модуляции являются модифицированные методы широтно-импульсной модуляции, такие как WC и WC plus , разработанные корпорацией Danfoss.
Транзисторы
Поскольку транзисторы могут коммутироваться с высокими скоростями, электромагнитные помехи, возникающие при «импульсном» (намагничивании электродвигателя, уменьшаются.
Другим преимуществом высокой частоты коммутации является гибкость модуляции выходного напряжения преобразователя частоты, что позволяет вырабатывать синусоидальный ток электродвигателя, в то время как схема управления должна просто открывать и закрывать транзисторы инвертора.
Частота коммутации инвертора - это «палка о двух концах», поскольку высокие частоты могут привести к нагреву электродвигателя и появлению больших пиковых напряжений. Чем выше частота коммутации, тем выше потери.
С другой стороны, низкая частота коммутации может привести с сильному акустическому шуму.
Высокочастотные транзисторы можно разделить на три основные группы:
Биполярные транзисторы (LTR)
Униполярные полевые МОП-транзисторы (MOS-FET)
Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)
В настоящее время наиболее широко используются транзисторы IGBT, поскольку в них управляющие свойства транзисторов MOS-FET сочетаются с выходными свойствами транзисторов LTR; кроме того, они имеют надлежащий диапазон мощностей, подходящую проводимость и частоту коммутации, что позволяет значительно упростить управление современными преобразователями частоты.
В случае транзисторов IGBT как элементы инвертора, так и средства управления инвертором помещаются в опрессованный модуль, называемый "интеллектуальным силовым модулем" (IPM).
Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)
Амплитудно-импульсная модуляция используется для преобразователей частоты с изменяющимся напряжением промежуточной цепи.
В преобразователях частоты с неуправляемыми выпрямителями амплитуда выходного напряжения формируется прерывателем промежуточной цепи, а если выпрямитель является управляемым, амплитуда получается непосредственно.
Рис. 20. Формирование напряжения в преобразователях частоты с прерывателем в промежуточной цепи
Транзистор (прерыватель) на рис. 20 отпирается или запирается схемой управления и регулирования. Значения времени коммутации зависит от номинального значения (входного сигнала) и измеренного сигнала напряжения (фактического значения). Фактическое значение измеряется на конденсаторе.
Катушка индуктивности и конденсатор действуют как фильтр, который сглаживает пульсации напряжения. Пик напряжения зависит от времени открывания транзистора, и если номинальное и фактическое значения различаются между собой, прерыватель работает до тех пор, пока не будет достигнут требуемый уровень напряжения.
Регулирование частоты
Частота выходного напряжения изменяется инвертором в течение периода, при этом полупроводниковые коммутационные устройства срабатывают в течение периода много раз.
Длительность периода можно регулировать двумя способами:
1.непосредственно входным сигналом или
2.с помощью изменяющегося постоянного напряжения, которое пропорционально входному сигналу.
Рис. 21а. Регулирование частоты с помощью напряжения промежуточной цепи
Широтно-импульсная модуляция является наиболее распространенным способом формирования трехфазного напряжения с соответствующей частотой.
При широтно-импульсной модуляции формирование полного напряжения промежуточной цепи (≈ √2 х U mains) определяется длительностью и частотой коммутации силовых элементов. Частота повторения ШИМ-импульсов между моментами включения и выключения является переменной и позволяет осуществлять регулировку напряжения.
Имеются три основных варианта задания режимов коммутации в инверторе с управлением посредством широтно-импульсной модуляции.
1.Синусоидально-управляемая ШИМ
2.Синхронная ШИМ
3.Асинхронная ШИМ
Каждая ветвь трехфазного ШИМ-инвертора может иметь два различных состояния (включено и выключено).
Три переключателя образуют восемь возможных коммутационных комбинаций (2 3), и, следовательно, восемь цифровых векторов напряжения на выходе инвертора или на обмотке статора подключенного электродвигателя. Как показано на рис. 21b, эти векторы 100, 110, 010, 011, 001, 101 находятся в углах описанного шестиугольника, используя в качестве нулевых векторы 000 и 111.
В случае коммутационных комбинаций 000 и 111 создается один и тот же потенциал на всех трех выходных клеммах инвертора - либо положительный, либо отрицательный относительно промежуточной цепи (см. рис. 21с). Для электродвигателя это означает эффект, близкий к короткому замыканию клемм; к обмоткам электродвигателя также приложено напряжение О В.
Синусоидально-управляемая ШИМ
При синусоидально-управляемой ШИМ для управления каждым инверторным выходом используется синусоидальное опорное напряжение (Us) Длительность периода синусоидального напряжения соответствует требуемой основной частоте выходного напряжения. На три опорных напряжения накладывается пилообразное напряжение (U D) см. рис. 22.
Рис. 22. Принцип действия синусоидально-управляемой ШИМ (с двумя опорными напряжениями)
При пересечении пилообразного напряжения и синусоидальных опорных напряжений полупроводниковые приборы инверторов либо открываются, либо закрываются.
Пересечения определяются электронными элементами платы управления. Если пилообразное напряжения больше синусоидального, то при уменьшении пилообразного напряжения выходные импульсы изменяются от положительного значения до отрицательного (или от отрицательного до положительного), так что выходное напряжение преобразователя частоты определяется напряжением промежуточной цепи.
Выходное напряжение изменяется с помощью отношения между длительностью открытого и закрытого состояния, причем для получения требуемого напряжения это отношение можно менять. Таким образом, амплитуда отрицательных и положительных импульсов напряжения всегда соответствует половине напряжения промежуточной цепи.
Рис. 23. Выходное напряжение синусоидально-управляемой ШИМ
При низких частотах статора время в закрытом состоянии увеличивается и может оказаться настолько большим, что окажется невозможным поддерживать частоту пилообразного напряжения.
Это увеличивает период отсутствия напряжения, и электродвигатель будет работать неравномерно. Чтобы избежать этого, на низких частотах можно удвоить частоту пилообразного напряжения.
Фазное напряжение на выходных клеммах преобразователя частоты соответствует половине напряжения промежуточной цепи, деленной на √ 2, т.е. равно половине напряжения питающей сети. Линейное напряжение на выходных клеммах в √ 3 раз больше фазного напряжения, т.е. равно напряжению питающей сети, умноженному на 0,866.
Инверторе ШИМ-управлением, который работает исключительно с модуляцией опорным синусоидальным напряжением, может подавать напряжение, равное 86,6 % номинального напряжения (см. рис. 23).
При использовании чисто синусоидальной модуляции выходное напряжение преобразователя частоты не может достигнуть напряжения электродвигателя, поскольку выходное напряжение также будет меньше на 13 %.
Однако требуемое дополнительное напряжение можно получить путем уменьшения числа импульсов, когда частота превышает примерно 45 Гц, но этот способ имеет некоторые недостатки. В частности, он вызывает ступенчатое изменение напряжения, что приводит к неустойчивой работе электродвигателя. Если число импульсов уменьшается, возрастают высшие гармоники на выходе преобразователя частоты, что увеличивает потери в электродвигателе.
Иной способ решения данной проблемы связан с использованием других опорных напряжений вместо трех синусоидальных. Эти напряжения могут быть любой формы (например, трапецеидальной или ступенчатой).
Например, одно общее опорное напряжение использует третью гармонику синусоидального опорного напряжения. Получить такой режим коммутации полупроводниковых приборов инвертора, который увеличит выходное напряжение преобразователя частоты, можно путем увеличения амплитуды синусоидального опорного напряжения на 15,5% и добавления к нему третьей гармоники.
Синхронная ШИМ
Основная трудность использования метода синусоидально-управляемой ШИМ заключается в необходимости определения оптимальных значений времени коммутации и угла для напряжения в течение заданного периода. Эти значения времени коммутации должны устанавливаться таким образом, чтобы допускать только минимум высших гармоник. Такой режим коммутации сохраняется только в течение заданного (ограниченного) диапазона частот. Работа за пределами этого диапазона требует использования другого метода коммутации.
Асинхронная ШИМ
Необходимость ориентации на поле и обеспечения быстродействия системы в отношении крутящего момента и регулирования скорости трехфазных приводов переменного тока (включая сервоприводы) требует ступенчатого изменения амплитуды и угла напряжения инвертора. Использование режима коммутации «обычной» или синхронной» ШИМ не позволяет производить ступенчатое изменение амплитуды и угла напряжения инвертора.
Одним из способов выполнения этого требования является асинхронная ШИМ, при которой вместо синхронизации модуляции выходного напряжения с выходной частотой, как это обычно делается для уменьшения гармоник в электродвигателе, производится модуляция цикла векторного регулирования напряжения, что приводит к синхронной связи с выходной частотой.
Существуют два основных варианта асинхронной ШИМ:
SFAVM (Stator Flow-oriented Asynchronous Vector Modulation = (синхронная векторная модуляция, ориентированная на магнитный поток статора)
60° AVM (Asynchronous Vector Modulation = асинхронная векторная модуляция).
SFAVM - пространственно-векторный способ модуляции, который позволяет случайным образом, но скачкообразно изменять напряжение, амплитуду и угол инвертора в течение времени коммутации. Этим достигаются повышенные динамические свойства.
Главной целью применения такой модуляции является оптимизация магнитного потока статора с помощью напряжения статора с одновременным уменьшением пульсаций крутящего момента, поскольку отклонение угла зависит от последовательности коммутации и может вызвать увеличение пульсаций момента. Поэтому последовательность коммутации должна вычисляться таким образом, чтобы с вести к минимуму отклонение угла вектора. Переключение между векторами напряжения основано на вычислении желательной траектории магнитного потока в статоре электродвигателя, которая, в свою очередь, определяет крутящий момент.
Недостатком прежних, обычных ШИМ-систем питания были отклонения амплитуды вектора магнитного потока статора и угла магнитного потока. Эти отклонения неблагоприятно влияли на вращающееся поле (крутящий момент) в воздушном зазоре электродвигателя и вызывали пульсацию крутящего момента. Влияние отклонения U амплитуды пренебрежимо мало и может быть дополнительно уменьшено путем увеличения частоты коммутации.
Формирование напряжения электродвигателя
Стабильная работа соответствует регулированию вектора напряжения машины U wt таким образом, чтобы он описывал окружность (см. рис. 24).
Вектор напряжения характеризуется величиной напряжения электродвигателя и скорости вращения, что соответствует рабочей частоте в рассматриваемый момент времени. Напряжение электродвигателя формируется путем создания средних значений с помощью коротких импульсов из соседних векторов.
Способ SFAVM, разработанный корпорацией Danfoss, наряду с прочими обладает следующими свойствами:
Вектор напряжения можно регулировать по амплитуде и фазе без отклонения от установленного задания.
Последовательность коммутации всегда начинается с 000 или 111. Это позволяет вектору напряжения иметь три режима коммутации.
Среднее значение вектора напряжения получается с помощью коротких импульсов соседних векторов, а также нулевых векторов 000 и 111.
Схема управления
Схема управления, или плата управления - четвертый главный элемент преобразователя частоты, который предназначен для решения четырех важных задач:
Управление полупроводниковыми элементами преобразователя частоты.
Обмен данными между преобразователями частоты и периферийными устройствами.
Сбор данных и формирование сообщений о неисправностях.
Выполнение функций защиты преобразователя частоты и электродвигателя.
Микропроцессоры увеличили быстродействие схемы управления, существенно расширили область применения приводов и уменьшили количество необходимых вычислений.
Микропроцессор встраивается в преобразователь частоты и всегда способен определять оптимальную импульсную комбинацию для каждого рабочего состояния.
Схема управления для АИМ-преобразователя частоты
Рис. 25 Принцип действия схемы управления для промежуточной цепи, управляемой прерывателем.
На рис. 25 показан преобразователь частоты с АИМ-управлением и прерывателем промежуточной цепи. Схема управления управляет преобразователем (2) и инвертором (3).
Управление производится по мгновенному значению напряжения промежуточной цепи.
Напряжение промежуточной цепи управляет схемой, которая действует как счетчик адреса в памяти для хранения данных. Память хранит выходные последовательности для импульсной комбинации инвертора. Когда напряжение промежуточной цепи увеличивается, счет происходит быстрее, последовательность заканчивается скорее, а выходная частота возрастает.
Что касается управления прерывателем, то напряжение промежуточной цепи сначала сравнивается с номинальным значением опорного сигнала-сигнала напряжения. Ожидается, что этот сигнал напряжения дает правильные значения выходного напряжения и частоты. Если изменяют опорный сигнал и сигнал промежуточной цепи, ПИ-регулятор информирует схему о том, что необходимо изменить время цикла. Это вызывает подстройку напряжения промежуточной цепи по опорному сигналу.
Обычным методом модуляции для управления преобразователем 1астоты является амплитудно-импульсная модуляция (АИМ). Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) является более современным методом.
Управление по полю (векторное управление)
Векторное управление может быть организовано несколькими способами. Основным различием способов являются критерии, которые используются при вычислении значений активного тока, тока намагничивания (магнитного потока) и крутящего момента.
При сравнении между собой двигателей постоянного тока и трехфазных асинхронных двигателей (рис. 26) выявляются определенные проблемы. На постоянном токе параметры, которые важны для создания крутящего момента, - магнитный поток (Ф) и ток якоря - фиксированы по отношению к размеру и расположению фазы и определяются ориентацией обмоток возбуждения и положением угольных щеток (рис. 26а).
В двигателе постоянного тока ток якоря и ток, создающий магнитный поток, расположены под прямым углом друг к другу и их значения не очень велики. В асинхронном электродвигателе положение магнитного потока (Ф) и тока ротора (I,) зависит от нагрузки. Кроме того, в противоположность двигателю постоянного тока, фазовые углы и ток не могут быть непосредственно определены по размеру статора.
Рис. 26. Сравнение машины постоянного тока и асинхронной машины переменного тока
Однако с помощью математической модели можно вычислить крутящий момент по зависимости между магнитным потоком и током статора.
Из измеренного тока статора (l s) выделяется составляющая (l w), которая создает крутящий момент с магнитным потоком (Ф) при прямых углах между двумя этими переменными (l в). Тем самым создается магнитный поток электродвигателя (рис. 27).
Рис. 27. Расчет составляющих тока для регулирования по полю
С помощью этих двух составляющих тока можно независимо влиять на крутящий момент и магнитный поток. Однако ввиду определенной сложности вычислений на основе динамической модели электродвигателя, такие вычисления рентабельны только в цифровых приводах.
Поскольку по такому методу регулирование возбуждения, которое не зависит от нагрузки, отделено от регулирования крутящего момента, то можно динамически управлять асинхронным двигателем так же, как и двигателем постоянного тока - при условии, что имеется сигнал обратной связи. Этот способ управления трехфазным двигателем переменного тока обладает следующими преимуществами:
Хорошая реакция на изменения нагрузки
Точное регулирование мощности
Полный крутящий момент при нулевой скорости
Рабочие характеристики сравнимы с характеристиками приводов постоянного тока.
Регулирование V/f-характеристик и вектора магнитного потока
В последние годы разработаны системы регулирования скорости трехфазных двигателей переменного тока на основе двух разных принципов управления:
нормального V/f-регулирования, или СКАЛЯРНОГО управления, и регулирования вектора магнитного потока.
Оба метода имеют свои преимущества, зависящие от конкретных требований к рабочим характеристикам привода (динамике) и точности.
Регулирование V/f-характеристик имеет ограниченный диапазон регулирования скорости (приблизительно 1:20), и на малой скорости требуется другой принцип регулирования (компенсация). При использовании этого метода относительно просто адаптировать преобразователь частоты к электродвигателю, причем регулирование невосприимчиво к мгновенным изменениям нагрузки во всем диапазоне скоростей.
В приводах с регулированием магнитного потока преобразователь частоты должен точно конфигурироваться под электродвигатель, что требует детального знания его параметров. Также необходимы дополнительные компоненты для получения сигнала обратной связи.
Некоторые преимущества этого типа управления:
Быстрая реакция на изменения скорости и широкий диапазон скоростей
Лучшая динамическая реакция на изменения направления
Обеспечивается единый принцип управления во всем диапазоне скоростей.
Для пользователя оптимальным решением было бы сочетание наилучших свойств обоих принципов. Очевидно, что одновременно необходимы и такое свойство, как устойчивость к ступенчатой нагрузке/разгрузке во всем диапазоне скоростей, что обычно является сильной стороной V/f-регулирования, и быстрая реакция на изменения задания скорости (как при управлении по полю).
