Разомкнутый частотно-регулируемый привод

 

М

Рис.1.45. Схема инвертора. И – трехфазный мостовой инвертор; В - трехфазный мостовой выпрямитель; Сф – конденсатор фильтра

Частотно-регулируемый привод

 

Частотно-регулируемый привод (частотно-управляемый привод, ЧУП, Variable Frequency Drive, VFD) — система управления частотой вращения ротора асинхронного (или 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 транзисторы IGBT обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя. Для исключения перегрузки преобразователя при большой длине фидера между преобразователем и фидером ставят дроссели, а для уменьшения электромагнитных помех — EMC-фильтр.

При скалярном управлении формируются гармонические токи фаз двигателя. Векторное управление — метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора (моментом на валу двигателя).

ЧРП применяются в:

• судовом электроприводе большой мощности
• прокатных станах (синхронная работа клетей)
• высокооборотном приводе вакуумных турбомолекулярных насосов (до 100.000 об/мин.)
• конвейерных системах
• резательных автоматах
• станках сЧПУ — синхронизация движения сразу нескольких осей (до 32 — например в полиграфическом или упаковывающем оборудовании) (сервоприводы)
• автоматически открывающихся дверях
• мешалках, насосах, вентиляторах, компрессорах
• стиральных машинах
• бытовых инверторных сплит-системах
• на электротранспорте: электровозах, электропоездах, трамваях и троллейбусах

Наибольший экономический эффект даёт применение ЧРП в системах вентиляции, кондиционирования и водоснабжения, где применение ЧРП стало фактически стандартом

Преимущества применения ЧРП

• Высокая точность регулирования
• Экономия электроэнергии в случае переменной нагрузки (то есть работы эл. двигателя с неполной нагрузкой).
• Равный максимальному пусковой момент.
• Возможность удалённой диагностики привода по промышленной сети
• распознавание выпадения фазы для входной и выходной цепей
• учёт моточасов
• старение конденсаторов главной цепи
• неисправность вентилятора
• Повышенный ресурс оборудования
• Уменьшение гидравлического сопротивления трубопровода из-за отсутствия регулирующего клапана
• Плавный пуск двигателя, что значительно уменьшает его износ
• ЧРП как правило содержит в себе ПИД-регулятори может подключатся напрямую к датчику регулируемой величины (например, давления).
• Управляемое торможение и автоматический перезапуск при пропадании сетевого напряжения
• Подхват вращающегося электродвигателя
• Стабилизация скорости вращения при изменении нагрузки
• Значительное снижение акустического шума электродвигателя, (при использовании функции «Мягкая ШИМ»)
• Дополнительная экономия электроэнергии от оптимизации возбуждения эл. двигателя
• Позволяют заменить собой автоматический выключатель

Недостатки применения ЧРП

• Большинство моделей ЧРП являются источником помех
• Сравнительно высокая стоимость для ЧРП большой мощности (окупаемость минимум 1-2 года)

Разомкнутый частотно-регулируемый привод

Обобщенная функциональная схема привода представлена на рис. 5.1, где обозначено: РЧ – регулятор частоты; РН – регулятор напряжения; БП – блок преобразователей частоты и напряжения; ДН – датчик напряжения; ФП – функциональный преобразователь; U0 – напряжение задания скорости; Uс – напряжение первичного источника.

Рис. 5.1. Функциональная схема разомкнутого частотно-регулируемого привода

Указанная схема реализует алгоритм частотного управления приводом, описанный в п. 3.1.5, в соответствии с которым одновременно с частотой меняется напряжение, например, по уравнению (3.25). Требуемый закон изменения напряжения в зависимости от частоты реализуется функциональным преобразователем. С помощью такой схемы можно реализовать электропривод с семейством параллельных механических характеристик так же, как в электроприводе постоянного тока при якорном управлении. Однако при низких частотах вращения трудно обеспечить параллельность характеристик из-за влияния активного сопротивления обмотки статора.

Имеются различные модификации описанной схемы. В частности, нашла применение схема с токовым управлением, функциональная схема которой представлена на рис. 5.2, где обозначено: ДТ – датчик тока; РТ – регулятор тока; Uзт – напряжение задания тока; Uзч – напряжение задания частоты.

Рис. 5.2. Функциональная схема привода с токовым управлением

Из теории электрических машин известно, что при стабилизированном токе критический момент двигателя (Mki) и критическое скольжение (Ski) не зависят от частоты. При этом Mki больше, чем критический момент двигателя, работающего на естественной характеристике от источника напряжения. Характеристики привода, построенного по такой схеме, аналогичны характеристикам привода постоянного тока с отрицательной обратной связью по току, т.е. значительно мягче естественных, поэтому рассмотренная схема может быть рекомендована в системах регулирования момента. Практическая реализация такой схемы возможна только при строгом задании критического скольжения, что возможно в системах с обратной связью по скорости.

В основе построения таких систем лежит принудительное формирование скольжения асинхронного двигателя по сигналам датчиков частоты вращения. При этом используется тот же датчик, который устанавливается в канале главной обратной связи привода. Функциональная схема привода представлена на рис. 5.1, где знаком «+» обозначено устройство суммирования частоты обратной связи, т.е. частоты вращения f=ωp/(2π) и частоты задания скольжения f2=Sfн. С помощью этого устройства формируется заданное скольжение. Так как по мере роста скорости растет и частота так, что скольжение остается постоянным.

Рис. 5.3. Функциональная схема частотно-управляемого привода с обратной связью

В зависимости от положения переключателя К будут меняться и характеристики привода. При введении обратной связи по напряжению характеристики становятся более жесткими, а при введении обратной связи по току они становятся более мягкими.