/
Автор: Радимов С.Н.
Теги: электроника электротехника электрооборудование электропривод электромеханика
Год: 2007
Текст
Одесский национальный политехнический университет
Институт электромеханики и энергоменеджмента
Кафедра "Энергетический менеджмент"
Авторизованный учебный центр
компании "Шнейдер Электрик"
ЧАСТОТНО-РЕГУ ЛИРУЕМЫЙ
АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД
Учебное пособие для слушателей курсов повышения квалификации,
студентов направлений подготовки "Электротехника и электротехнологии",
"Электромеханика'’
Подготовил профессор, д.т.н.
Радимов С.Н.
Одесса
2007
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
ПРЕДИСЛОВИЕ
При подготовке настоящего учебного пособия, предназначенного для слушателей
Центра обучения "Шнейдер Электрик" при Одесском национальном политехническом
университете, использованы:
• Методические материалы Центра обучения "Шнейдер Электрик" (Россия, г. Санкт-
Петербург);
• Результаты научных исследований, выполненных:
в Одесском государственном политехническом университете на кафедре
"Электромеханические системы с компьютерным управлением" в период с 1996 по 1999 г.г.;
- в Одесском государственном (ОГМУ), с 2002 г. - национальном (ОНМУ) морском
университете на кафедре "Электротехника и электрооборудование судов" в период с
2000 по 2005 г.г.;
- в Одесском национальном политехническом университете (ОППУ) на кафедре
"Энергетический менеджмент" с 2006 г. - по настоящее время.
« Практический опыт, накопленный автором:
- при проведении энергоаудита на ряде предприятий различных отраслей промышленности и
коммунального хозяйства Украины и Молдовы;
- при модернизации механизмов подъемно-транспортных машин на промышленных
предприятиях и портах Украины, Латвии, Молдовы и Эстонии;
- при вводе в эксплуатацию и техническом обслуживании большого числа преобразователей
частоты, произведенных ведущими фирмами, начиная с 1993 г.;
при проведении занятий в ОГМУ(ОНМУ) и учебном центре технологий управления
"Квантум" (г. Мариуполь) с электротехническим персоналом металлургических комбинатов
и морского торгового порта по электроприводу с частотным управлением.
Следует отметить существенную помощь, оказанную ООО "Шнейдер Электрик
Украина", его отделением в Южном регионе (г. Николаев) и электротехническим концерном
"Ксимекс" (г. Одесса) при оснащении лаборатории частотного электропривода
Авторизованного Центра обучения современными образцами преобразовательной и
управляющей техники.
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
СОДЕРЖАНИЕ
ЧАСТЬ 1- ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПРИНЦИПЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ
АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ.....................................................3
1 Введение...................................................................3
2 Общие вопросы регулирования скорости асинхронных двигателей ..............4
2.1 Математическая модели асинхронного двигателя в виде схемы замещения....4
2.2 Выбор двигателей для частотно-регулируемых электроприводов.............8
2.2.1 Способы охлаждения................................................ 9
2.2.2 Классы нагревостойкости.............................................9
2.2.3 Номинальные режимы работы электрических машин......................10
2.3 Способы ретуширования скорости асинхронных двигателей..................11
3 Частотное ретуширование скорости асинхронных двигателей...................13
4 Типы преобразователей частоты............................................18
5 Современные преобразователи частоты в асинхронном электроприводе..........21
5.1 Элементная база..................................................... 21
5.2 Технические характеристики............................................22
5.2.1 Основные технические характеристики и конструктивные особенности...22
5.2.2 Состав оборудования................................................23
5.3 Функциональные возможности......................................... 24
5.3.1 Формирование закона U/f............................................24
5.3.2 Компенсация скольжения.............................................26
5.3.3 Поддержка напряжения...............................................26
5.3.4 Стабилизация магнитного потока (IR-компенсация)....................26
6 Семейство преобразователей частоты ALTIVAR...............................27
7 Коммутационные процессы в трехфазных АИН при формировании выходного
напряжения по методу ШИМ.................................................. 31
ЛИТЕРАТУРА.
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
ЧАСТЬ 1 - ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И
ПРИНЦИПЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ
АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
1 ВВЕДЕНИЕ
Одной из наиболее характерных черт развития
современного автоматизированного электропривода является
переход от систем регулируемого электропривода на базе
двигателей постоянного тока к регулируемым электроприводам
переменного тока, среди которых преимущественное
распространение имеют:
• асинхронный частотно-регулируемый привод на базе
асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и
полупроводникового преобразователя частоты (ПЧ)
инверторного типа;
• синхронный регулируемый привод на базе
вентильного двигателя, синхронной машины с возбуждением от
постоянных магнитов или с электромагнитным возбуждением
(для более мощных приводов), с электронным коммутатором и
датчиком положения ротора.
Данные системы, построенные на основе надежных в
эксплуатации, дешевых и простых в конструктивном отношении
двигателей, становятся по своим возможностям все более
конкурентоспособными с электроприводом постоянного тока.
Первая система электропривода более универсальна и
находит применение практически во всех областях. Вторая
применяется главным образом в двух случаях: для прецизионных
электроприводов, работающих в режиме позиционирования, при
котором производится управление процессом отработки
заданного положения рабочего органа, и для высокоскоростных
электроприводов, в том числе большой мощности.
Целесообразность использования вентильных двигателей для
систем позиционирования обусловлена их высокой
перегрузочной способностью, что обеспечивает хорошую
динамику процесса управления. Для высокоскоростных
механизмов (свыше 3000 об/мин) она обусловлена
конструктивными особенностями синхронных машин, которые
могут быть выполнены на большие частоты вращения. В
остальных случаях предпочтение чаще всего отдается частотно-
регулируемым асинхронным приводам, которые заняли ведущие
позиции в автоматизации производства по таким соображениям:
• плавному и экономичному регулированию скорости в
широком диапазоне;
• высокой точности поддержания скорости;
• легкости перенастройки параметров под конкретные
условия эксплуатации;
• высоким эксплуатационным качествам;
• значительному снижению шума и вибрации двигателя;
- хорошей электромагнитной совместимости.
4
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
2 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
СКОРОСТИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
2.1 Математическая модель асинхронного двигателя
в виде схемы замещения
Асинхронные двигатели, имеющие большую надежность,
меньшие габариты и меньшую себестоимость во всем диапазоне
общепромышленных мощностей, чем двигатели постоянного
тока, обладают следующими преимуществами:
• способны развивать большую скорость, чем
эквивалентные по мощности двигатели постоянного тока;
• обеспечивают более легкие условия работы узла
контактного токосъема (двигатели с фазным ротором) либо не
имеют его (двигатели с короткозамкнутым ротором);
• не требуют системы возбуждения, необходимой в
двигателе постоянного тока и синхронном двигателе.
Асинхронные двигатели делятся на два основных типа:
двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным
ротором. Наибольшее распространение во всех областях техники
имеют дешевые в производстве и надежные в эксплуатации
двигатели с короткозамкнутым ротором.
Трехфазная статорная обмотка двигателя создает
магнитное поле, вращающееся в пространстве с угловой
скоростью, называемой синхронной,
где //- частота напряжения питания, рп - число пар
полюсов статорной обмотки.
Поток, созданный вращающейся в пространстве МДС
обмотки статора, индуктирует в обмотке ротора ЭДС, частота
которой сор=со0-(орп зависит от скольжения, т.е. относительной
разности угловых скоростей поля статора а>о и ротора со:
s=(co0-a>)/co0.
Под действием этой ЭДС в обмотке ротора протекает ток,
при взаимодействии которого с вращающимся магнитным
потоком возникает вращающий электромагнитный момент М.
Исследование основных характеристик двигателя удобно
производить с помощью эквивалентной схемы замещения,
составленной на основании физически существующей связи
первичной и вторичной цепей (рис.1,а), которая обычно,
вследствие симметрии двигателя, строится для одной фазы.
Следует отметить, что данная схема замещения пригодна лишь
для анализа установившихся или медленно меняющихся
переходных процессов, в которых пренебрегают
электромагнитными процессами, а учитывают лишь
механическую инерционность электропривода.
Частотно- регулируемый асинхронный электропривод
5
Рисунок 1- Схемы замещения асинхронного двигателя:
а) эквивалентная схема при неподвижном роторе;
б) с приведенными параметрами вторичной цепи к
первичной;
в) с вынесенным намагничивающим контуром.
Результирующий магнитный поток машины Ф является
носителем энергии, передаваемой со статора на ротор.
Индуктивные сопротивления х/ и Ху обусловлены тем, что не весь
поток проходит через воздушный зазор, а часть его замыкается
по локальным контурам, образуя потоки рассеяния статора и
ротора 025- Частота тока в роторе связана с частотой тока в
статоре fi соотношением f2=fis- Активные сопротивления фазы
статора Rj и ротора R2 зависят от конструктивного исполнения
двигателя.
В обмотке ротора при вращении индуцируется ЭДС £25,
вызывающая протекание тока во вторичной цепи
Данное выражение отражает физический смысл замены
вращающегося ротора неподвижным: во вторичной цепи вместо
E2S имеет место ЭДС £2, а вместо индуктивного сопротивления
л'2х - сопротивление Х2- Поэтому для создания того же тока Д в
роторную цепь вводится добавочное сопротивление так, чтобы
R2! s = R2+ RJ( = R2 + R2 (1 — 5) / 5
ОЙ Частотно-регулируемый асинхронный электропривод 6
Тогда мощность, развиваемая двигателем на вал)' при
вращении, эквивалентна мощности, которая потребляется на
добавочном сопротивлении. Для приведения схемы замещения
двигателя к виду рис. 1,6 необходимо по общим правилам
привести параметры вторичной цепи к первичной. Штрихами на
схеме отмечены приведенные величины. После приведения ЭДС
Е'2 становится равной Ej, что позволяет объединить общие
эквивалентные точки обеих цепей. Намагничивающая цепь при
пренебрежении активным сопротивлением, обусловленным
потерями в стали от полезного потока, представлена
индуктивным сопротивлением х/;.
На практике часто используют более удобную для
рассмотрения схему замещения с вынесенным контуром
намагничивания (рис.1, в), пренебрегая зависимостью тока
намагничивания от падения напряжения в R] и х;.
Тогда можно определить приведенный ток ротора:
/;=________Л___________=_______£_______
2 п п
(А1+-^) + (х,+х2)2 (7?1+^)2+х2
5 Л
где xk=xi+x'2 - индуктивное фазное сопротивление
короткого замыкания. Мощность Pi, потребляемая из сети,
расходуется на покрытие потерь в намагничивающем контуре, в
меди статора и преобразуется в электромагнитную мощность,
равную
Р=3(72)2Д2Л]
В свою очередь.
Р = Ма
О 9
откуда выражение для электромагнитного момента,
развиваемого двигателем,
+—)’+>£] (1)
Данное уравнение является одним из основных,
характеризующих работ}' асинхронного двигателя Оно
показывает, что зависимость M=f(s) является достаточно
сложной функцией от скольжения. Момент равен нулю при s-0,
достигает положительного или отрицательного максимумов
(критических значений ±ЛД) при некоторых значениях
скольжения ±.vA-, также называемых критическими, и далее
стремится к нулю при .$•—>оо Найдя экстремум функции M=f(s) и
соответствующие ему Мк и sK, будем иметь:
м= 2Ч(П-<Ю
s/s\ +s\ Is +2ask v 3
где a=R i/R P
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
7
Sk =
(4)
Часто на практике пренебрегают сопротивлением Rj, т.е.
полагают, что а=0, при этом выражения (2) - (4) становятся
более простыми
М ~-----—
Ч 5
(5)
ъи2
2®0ха-
s Л
г
(6)
(7)
Выражение (5) называют формулой Клосса. Формулы (2)
или (5) удобнее для расчетов, чем (1), поскольку7 они не требуют
знания параметров двигателя. В этом случае все расчеты
производятся по данным каталога.
В качестве примера на рис. 2 приведены механическая
to=f(M) и электромеханическая &>=/(!) характеристики
асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, которые
характеризуются рядом опорных точек:
1 - точка идеального холостого хода: М=0; s-О; а>=ао;
2 - точка номинальной нагрузки: М=М„; s=s„; а=<о„-,
3 - критическая точка: М=МК; s=SK;
4 - точка минимального момента: (скольжение
точно не определено);
5 - точка пускового момента: М=Мп; s = l; со=0.
Работа асинхронной машины в двигательном режиме
протекает на рабочем участке 1-3 механической характеристики.
С ростом нагрузки на валу двигателя скольжение увеличивается,
а скорость падает. При увеличении нагрузки до Мк двигатель
останавливается (опрокидывается). При этом уменьшение
момента двигателя при s>st сопровождается увеличением тока.
Это объясняется тем, что электромагнитный момент
определяется не полным током, а его активной составляющей.
которая с ростом скольжения сначала увеличивается, а затем,
достигнув максимума, начинает уменьшаться.
Кратность начального пускового вращающего момента и
кратность максимального (критического) вращающего момента
по отношению к номинальному моменту регламентируются. Для
двигателей общепромышленных серий средней и большой
мощности согласно стандартам они составляют:
Мп/ М„ = 1,0... 2; Мк,/Мп = 1,7 ...2,2.
8
Рисунок 2 - Механическая и электромеханическая
характеристики асинхронного электродвигателя
2.2 Выбор двигателей для частотно-регулируемых
электроприводов
Удовлетворительные характеристики частотно-
регулируемого электропривода возможны при правильном
проектировании системы ПЧ-АД с учетом специфики работы
привода:
• диапазона регулирования скорости;
• нагрузочной диаграммы;
• допустимого длительного момента;
• максимального кратковременного момента в переходных
режимах;
• нагрева двигателя и преобразователя.
При этом первостепенное значение имеют характеристики
самого двигателя, которые должны отвечать общим техническим
требованиям, предъявляемым к электрическим машинам.
Поскольку эти характеристики тесно связаны со способами
охлаждения двигателя, его нагревом и режимами работы, то ниже
приведены основные сведения по этим вопросам.
9
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
2.2.1 Способы охлаждения
В зависимости от наличия или отсутствия вентилятора
различают:
• машины с естественным охлаждением, не имеющие
специальных вентиляторов (применяется обычно для открытых
машин);
* машины с искусственным охлаждением, в которых
движение охлаждающего газа или жидкости обеспечивается
специальным вентилятором. Они подразделяются на группы:
- машины с самовентиляцией, имеющие вентилятор на валу
(защищенные или закрытые);
- машины с независимой вентиляцией, вентилятор которых
приводится во вращение посторонним двигателем (обычно
закрытые). Поскольку при работе на скоростях ниже 0,5а>п
условия охлаждения двигателей с самовентиляцией ухудшаются,
то это приводит к значительному уменьшению допустимого
длительного момента. Поэтому для частотно-регулируемых
приводов с постоянным моментом нагрузки предпочтительнее
использовать двигатели с независимой вентиляцией.
2.2.2 Классы н а г р е в о с т о й кости
Нагрев электродвигателя является основным критерием
выбора его мощности. Электродвигатель считается выбранным
правильно, если он выполняет предназначенные ему функции и
не перегревается, т.е. изоляция его обмоток выдерживает
температуру нагрева, которая не превышает допустимого
предела. Этот предел зависит от срока службы машины и
определяется классом нагревостойкости изоляционных
материалов.
Предельно допустимые превышения температуры обмоток
электрических машин, предназначенных для продолжительных,
повторно-кратковременных и перемежающихся номинальных
режимов работы, при температуре охлаждающего воздуха + 40
°C и высоте над уровнем моря не более 1000 м должны
соответствовать значениям, приведенным в таблице:
Класс нагревостойкости изоляционного материала
А Е В F Н
Предельно допустимые превышения температуры, °C
65 80 90 115 140
Чем выше класс изоляции, тем интенсивнее
использование электродвигателя по нагреву и тем меньше его
размеры при той же мощности. В настоящее время в
электрических машинах применяются изоляционные материалы
классов Е, В и F. Материалы класса И используются значительно
реже.
Как правило, для частотно-регулируемых
электроприводов рекомендуется применять АД с изоляцией
класса нагревостойкости F.
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
10
2.2.3 Номинальные режимы работы
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
При выборе двигателя и проверке его на нагрев
учитывается специфика работы электропривода, определяемая
характером нагрузки. Номинальные режимы работы
электродвигателей (рис. 3) должны соответствовать одному из
следующих основных нормированных режимов работы:
• Продолжительный режим (S1), когда длительность
работы ЭП при постоянной нагрузке такова, что все части
электродвигателя достигают установившейся температуры.
• Кратковременный режим (S2), когда длительность
периода работы при постоянной нагрузке (10, 30, 60 и 90 мин.)
недостаточна для того, чтобы двигатель достиг установившейся
температуры, а за время паузы двигатель успевает охладиться до
температуры окружающей среды.
• Повторно-кратковременный режим (S3), при котором
за время включенного состояния 1р температура не достигает
установившегося значения, а за время паузы to не успевает
понизиться до температуры окружающей среды. Этот режим
характеризуется относительной продолжительностью включения
ПВ% = 100-lp/(tp + to).
Установлены следующие расчетные значения ПВ = 15,
25, 40 и 60 %. Продолжительность цикла принимается равной
til=tp+to=l0 мин.
• Кроме основных номинальных режимов S1— S3 приняты
дополнительные номинальные режимы S4 — S8.
• Повторно-кратковременный режим с частыми
пусками (S4) с продолжительностью включения ПВ = 15,25,40
и 60 %, когда пусковые потери оказывают влияние на нагрев.
• Повторно-кратковременный режим с частыми
пусками и электрическим торможением (S5) с
продолжительностью включения ПВ = 15, 25, 40 и 60 %.
• Перемежающийся режим (S6), когда во время пауз
двигатель не отключается, а работает вхолостую, причем как
рабочие периоды (ф), так и паузы (/лх) не настолько длительны,
чтобы двигатель достиг установившейся температуры.
Этот режим характеризуется относительной
продолжительностью нагрузки ПН%= 100tp/(tp + txх).
Установлены следующие расчетные значения ПН= 15, 25, 40 и
60%. Продолжительность цикла принимается равной
= 10 мин.
• Перемежающийся режим (S7) с частыми реверсами при
электрическом торможении.
• Перемежающийся режим (S8) с двумя или более
скоростями.
В дополнительных номинальных режимах
устанавливаются число включений в час (режимы S4 и S5), число
реверсов в час (режим S7), число циклов в час (режим S8) 30,
Частотно-регулируемый асинхронный электрог ривод
11
60, 120, 240 при коэффициенте инерции FI=1,2; 1,6; 2,0;
2,5; 4,0.
Fl=(Jp+JH)/Jp, где Jp - момент инерции ротора двигателя,
JH - приведенный к валу двигателя момент инерции
нагрузки.
Для обеспечения требуемых статических и динамических
характеристик частотно-регулируемого привода выбор ПЧ, АД, а
также тормозного резистора (в случае необходимости) должен
производиться с учетом нагрузочной диаграммы привода.
S1 - Продолжитсяпный
S2 -Кратковременный
S3 - Повторпо-
кратковрсменпый
S6 - перемежающийся
S4 - S3 с учетом пуск'
SS - S3 с учетом пуска
и торможспия
S7 - перемежающийся
с частымп реверсами
SF - периодические
изменения М и <:>
Рисунок 3- Номинальные режимы работы электрических машин
2.3 Способы регулирования скорости асинхронных
цвигателей
Анализ уравнений асинхронного двигателя позволяет
определить возможные способы регулирования его частоты
вращения.
АД по своей природе обладает ограниченными
регулировочными свойствами. При питании от сети со
стабильной частотой двигатель имеет установившуюся скорость,
близкую к синхронной, которая вследствие высокой жесткости
механической характеристики мало зависит от момента нагрузки.
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод 12
Согласно (1) при постоянном моменте нагрузки Мс изменение
угловой скорости (скольжения) может быть достигнуто за счет
изменения напряжения питания статора, величины активных и
индуктивных сопротивлений, частоты питающего напряжения и
числа пар полюсов машины. Причем изменение синхронной
угловой скорости возможно только при изменении частоты
питающего напряжения или числа пар полюсов. При любом
способе регулирования в роторе выделяется мощность,
пропорциональная скольжению двигателя. Различие заключается
в величине этой мощности и способах ее поглощения.
Перечисленные основные способы обычно
классифицируются следующим образом:
1) параметрическое регулирование, связанное с
изменением активных или активно - индуктивных сопротивлений
в цепи статора;
2) изменение числа пар полюсов двигателя;
3) изменение параметров источника питания двигателя.
Этот способ осуществляется изменением:
• напряжения питания двигателя;
• частоты источника питания двигателя.
На практике нашли применение:
• частотное регулирование скорости асинхронного
двигателя, при котором управляют частотой и формируют
напряжение на статоре;
• частотно-токовое, при котором управляют частотой и
формируют ток статора;
• векторное управление, при котором регулируют частоту7
и формируют вектор основного потокосцепления двигателя.
При введении добавочных симметричных активных
сопротивлений (реостатное регулирование) в статор их величину'
можно изменять плавно только у двигателей малой мощности, а
для двигателей средней и большой мощности необходимо
использовать контактные или бесконтактные ключи. Ввиду
ограниченного числа ступеней невозможно получить
равномерное регулирование скорости. С увеличением
добавочного сопротивления снижаются критический момент Мк
и жесткость механических характеристик, а потери скольжения
полностью выделяются в самой машине.
Этот способ регулирования пригоден только для
двигателей, имеющих повышенное скольжение в номинальном
режиме. Диапазон регулирования скорости таким способом не
превышает 1,15 -1,2.
При введении индуктивных сопротивлений в статор также
уменьшаются и Мк, кроме того, снижается не только КПД
двигателя, но и его коэффициент мощности. Потери энергии
скольжения будут такими же, как и при введении активных
сопротивлений.
Многие механизмы не требуют плавного регулирования
скорости. В этом случае в приводе можно использовать
многоскоростныс асинхронные двигатели. Такие двигатели
имеют два конструктивных исполнения:
Частотно-регулируемый асинхронный электрог ривод
13
• с уложенными в одни пазы статора несколькими
обмотками на различное число пар полюсов;
• с одной обмоткой, допускающей такое переключение ее
секций, что образуется различное число пар полюсов.
Многоскоростные двигатели с несколькими обмотками в
одном пазу статора существенно уступают второй разновидности
по габаритам, массе, КПД, коэффициенту7 мощности. Однако
способ регулирования скорости переключением секций обмотки
малопригоден для автоматизации.
В АД с короткозамкнутым ротором имеются два входных
независимых управляющих воздействия - амплитуда и частота
напряжения, подводимого к статору. Применение тиристорных
преобразователей напряжения (регуляторов напряжения),
обеспечивающих регулирование амплитуды первой гармоники
напряжения при постоянной частоте сети, позволяет обеспечить
плавный пуск и оптимизировать энергетические показатели
(потери, потребляемую мощность, коэффициент мощности) при
изменении нагрузки. Однако, наиболее эффективным и
экономичным является частотное регулирование.
3 ЧАСТОТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ
АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Наиболее рациональным способом плавного
регулирования угловой скорости является частотный способ,
возможность которого базируется на линейной зависимости
утловой скорости магнитного поля статора от частоты
напряжения питания: соо 2л//р„.
По этому принципу возможно осуществление широко
регулируемых электроприводов с жесткими механическими
характеристиками. Важным преимуществом частотного привода
являются благоприятные энергетические показатели. Это
объясняется тем, что двигатель работает при малых скольжениях,
что обусловливает малые потери и высокий КПД во всем
диапазоне регулирования скорости. Однако при изменении
частоты возникает необходимость одновременного
регулирования напряжения, подводимого к статору.
Действительно, ЭДС обмотки статора АД определяется как
Е^сФ/i.
Если пренебречь падением напряжения в статорной
обмотке, положив U~Ei, то т.е. при неизменном
напряжении и регулировании его частоты изменяется магнитный
поток машины. В частности, уменьшение // вызовет увеличение
потока, что приведет к насыщению магнитопровода двигателя и
вызовет резкое возрастание намагничивающего тока, и
недопустимый нагрев как стали, так и обмоток статора.
С другой стороны, увеличение /) приводит к уменьшению
потока, что при постоянстве момента сопротивления вызывает
увеличение тока в роторе, т.е. перегрев ротора при
недоиспользовании стали. Таким образом, для наилучшего
14
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
использования двигателя необходимо регулировать напряжение
одновременно в функции частоты, а иногда и в функции момента
сопротивления.
Для того чтобы реализовать принцип частотного
управления, необходимо взаимосвязанно управлять напряжением
(током) в статоре асинхронной машины при изменении частоты
питания. Поэтому в разомкнутых системах ПЧ - АД не удается
достичь большого диапазона регулирования скорости, так как в
сильной степени проявляется статизм (влияние изменений
момента нагрузки) на механические характеристики привода.
Кроме того, при снижении скорости может возникать область
статической неустойчивости, которая затрудняет практическое
использование таких приводов.
Существует несколько алгоритмов одновременного
изменения частоты и напряжения статора в статическом режиме.
Чаще всего стремятся сохранить постоянной перегрузочную
способность двигателя, т.е. сделать так, чтобы при всех режимах
отношение максимального момента к моменту сил
сопротивления оставалось постоянным:
Л = ---= const
Мс
Таким образом, напряжение необходимо регулировать не
только в функции частоты, но и в функции нагрузки.
Критический момент трехфазного АД:
где соо — синхронная скорость; Л/ - активное фазное
сопротивление обмотки статора: х^=х/+хЧ - индуктивное
фазное сопротивление к.з.
Пренебрегая величиной Rj по сравнению с х* и учитывая,
что Хк=2тс/]LK, можно полущить
Следовательно, критический момент прямо
пропорционален квадрату напряжения и обратно
пропорционален квадрату7 частоты, поэтому
X = —- = const ( * )
ч 1 7
Таким образом, для сохранения постоянной
перегрузочной способности необходимо изменять напряжение
пропорционально частоте и корню квадратному7 от момента
нагрузки. Этот общий принцип ршулирования может быть
уточнен для конкретных режимов работы механизма:
Частотно-регулируемо1й асинхронный электропривод 15
а) При моменте нагрузки, не зависящем от скорости,
Mc-const, и по выражению (*) следует, что напряжение надо
изменять пропорционально частоте
— = const
f\
Такой способ с точностью до принятого допущения Ri~0
обеспечивает постоянную перегрузочную способность двигателя
на малой скорости. Поскольку справедливо предположение, что
Ui~Ei, такой способ регулирования соответствует <£>=const.
Фактически же, при увеличении нагрузки, ЭДС при постоянном
напряжении на статоре уменьшается, что сопровождается
уменьшением ЛД. Критический момент, а следовательно, и
перегрузочная способность двигателя возрастает, если
использовать способ регулирования с поддержанием Ф=сопя1 во
всем диапазоне скоростей и нагрузок.
б) При моменте нагрузки, требующем постоянства
мощности на всех скоростях, т.е. при изменении момента
нагрузки обратно пропорционально скорости Мс=Р/а), считая,
что скорость двигателя пропорциональна частоте, из (*) следует,
что напряжение необходимо изменять пропорционально корню
квадратному из частоты
.-- = const
в) При вентиляторной характеристике механизма, т.е.
при Л/С=ссо2 из (*) следз'ет, что напряжение необходимо
изменять пропорционально квадрату' частоты
И,
--Z- = const
ft
Благодаря своей простоте, данные зависимости широко
распространены на практике, однако они являются
приближенными. При малых частотах и малых напряжениях на
двигателе возрастает роль падения напряжения на активном
сопротивлении статора. Если снижать напряжение строго
пропорционально частоте при Mc=const, то это приведет к
уменьшению магнитного потока. Поэтому в частотном приводе
напряжение должно снижаться в меньшей степени. Для этого
применяют систему IR-компенсации, в которой закон
регулирования Uj/fi=const заменен соотношением
|Ц = const
В приводах, в которых производится компенсация
падения напряжения на сопротивлении статора, поддерживается
постоянное соотношение между частотой и напряжением | U]-
I/Д/|, которое отличается от напряжения сети на величину
падения напряжения на-активпом сопротивлении статора.
Оптимальный закон частотного управления при
постоянстве перегрузки является не единственным,
используемым на практике. Например, часто реализуются другие
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
16
законы: постоянства магнитного потока машины, минимума
потерь и другие. Частотное регулирование с поддержанием
постоянства потока практически тождественно управлению с
компенсацией падения напряжения в статорных цепях. При этом
асинхронный привод приобретает следующие свойства:
1. Токи статора, ротора и поток (кроме потерь в стали)
остаются неизменными.
2. При работе с максимальным потоком двигатель имеет
более жесткую рабочую часть механической характеристики и
больший критический момент на естественной характеристике.
3. При уменьшении нагрузки поток становится
избыточным, что приводит к завышению потерь и нарушению
оптимальности этого закона регулирования при переменном
моменте нагрузки.
При управлении по минимуму потерь создание
необходимого момента, пропорционального произведению тока
ротора на поток, осуществляется при равенстве переменных и
постоянных потерь, связанных с возбуждением машины (ее
магнитным потоком). Такое управление обеспечивает минимум
потерь и оптимальность КПД привода.
Наглядное представление о перечисленных выше законах
частотного регулирования скорости АД дает схема замещения
(рис. 1, б), представленная в относительных единицах на рис. 4.
На схеме обозначено:
о.-о)о/а)п относительная частота;
о=(у/(у„ - относительная скорость ротора;
[3=а-и=(а)0-о))/а)п - абсолютное скольжение, значение
которого не зависит от о. (со0).
Рассмотрим механические характеристики co=f(M)
асинхронного двигателя при различных законах изменения
напряжения на зажимах статора при частотном регулировании.
1. Характеристика co=f(M) при законе регулирования
скорости Ui/o.=consl (кривая 1 на рис.4). Из схемы видно, что
поскольку R i не зависит от а, то по мере снижения частоты доля
падения напряжения на активном сопротивлении растет и
напряжение за активным сопротивлением £/« уменьшается. ЭДС
двигателя E’ia, которая должна была бы уменьшаться
пропорционально о, уменьшается в большей степени, что
вызывает снижение жесткости и критического момента по мере
уменьшения частоты.
17
Рисунок 4 - Схема замещения в относительных единицах
и механические характеристики при различных законах
частотного управления
2. Регулирование напряжения с компенсацией падения
напряжения в активном сопротивлении обмотки статора. Если
напряжение на зажимах двигателя менять таким образом, что
Eu/a=const, то величина потока не зависит от частоты
питающего напряжения, а зависит от тока двигателя.
Механические характеристики при таком способе регулирования
скорости будут обладать требуемой перегрузочной способностью
и высокой жесткостью во всем диапазоне регулирования
скорости. При номинальной частоте характеристика a>=f(M)
практически совпадает с характеристикой при законе
U i/a.=const.
3. Характеристика co=f(M) при Ф=const или
E^/o=const (кривая 2). При Ф=сош1 максимальный момент
двигателя получается значительно больше, чем максимальный
момент, развиваемый двигателем при регулировании по закону
Ea/o.=const.
4. Характеристика co=f(M) при законе поддержания
постоянства потокосцепления ротора, который обеспечивается
путем изменения напряжения на зажимах статора в функции
частоты о. и абсолютного скольжения /?, причем эти функции
нелинейны. В этом случае механическая характеристика
представляет собой прямую, подобную характеристике двигателя
постоянного тока с независимым возбуждением (кривая 3 на
рис. 4). Данный способ регулирования скорости реализуется в
системах векторного управления.
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод 18
4 ТИПЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ
D электроприводах переменного тока находят применение
преобразователи частоты следующих типов:
• преобразователи частоты с промежуточным звеном
постоянного тока и автономным инвертором напряжения (АИН)
или тока (АИТ);
• преобразователи с непосредственной связью с сетью -
непосредственные преобразователи частоты (НПЧ).
Автономные инверторы позволяют регулировать частоту'
выходного напряжения как вверх, так и вниз от номинального
значения частоты сети. В НПЧ частота регулируется только вниз
от номинала.
Преобразователи частоты с АИН. В таких
преобразователях напряжение сети сначала выпрямляется, а
затем инвертируется в переменное напряжение необходимой
частоты, т.е. происходит двухступенчатое преобразование
энергии по схеме переменный ток - постоянный ток -
переменный ток. Преобразователь частоты представляет собой
комбинацию выпрямителя и автономного инвертора с
промежуточным звеном постоянного тока.
На практике нашли применение два основных
структурных варианта преобразователей частоты с АИН,
отличающихся методом регулирования напряжения:
1) амплитудное регулирование напряжения с помощью
управляемого выпрямителя (рис. 5, а);
2) широтно-импульсная модуляция, осуществляемая в
АИН, который в этом случае выполняет функции регулятора
напряжения и частоты (рис. 5, б).
При амплитудном регулировании напряжения
преобразователь частоты состоит из управляемого выпрямителя,
фильтра и автономного инвертора (регулирование напряжения и
частоты осуществляется раздельно). Управляемый выпрямитель в
приводе с частотным управлением работает точно так же, как и в
приводе постоянного тока.
Автономный инвертор представляет собой реверсивный
переключатель, формирующий периодические прямоугольные
разнополярные импульсы, аппроксимирующие синусоиду
напряжения из выпрямленного напряжения.
По второму варианту' структуры преобразователя
частоты с АИН осуществляется формирование выходного
напряжения по методу широтно-импульсной модуляции (ШИМ)
напряжения в самом инверторе (рис.5,6). При этом инвертор не
только изменяет частоту выходного напряжения, но и регулирует
его среднее значение, что позволяет отказаться от регулируемого
выпрямителя в звене постоянного тока и использовать более
простой нерегулируемый диодный выпрямитель.
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
19
Рис.б. Выходное напряжение инвестора с ШИМ
Принцип действия инвертора с И [ИМ—иллюстрирует
рис. 6. Период синусоидального сигнала разбивается на большое
число (не менее 24) малых интервалов длительностью А/. На
каждом интервале создаются два разнополярных импульса
длительностью А// и А/?. Если длительность положительного и
отрицательного импульсов одинакова, то среднее значение
напряжения на интервале А/ равно нулю. В противном случае
получают положительное или отрицательное выходное
Частстно-регулируемый асинхронный электропривод 20
напряжение, пропорциональное модулю разности длительностей
этих импульсов, ± |А//
Когда один из импульсов имеет нулевую длительность,
получают максимальное среднее напряжение, равное Uj. ШИМ
позволяет уменьшить высшие гармонические составляющие в
выходном токе инвертора и приблизить его к точной синусоиде.
Точность аппроксимации синусоиды повышается по мере
увеличения частоты коммутации, которая определяется, в первую
очередь, динамическими возможностями силовых ключей.
Поэтому в преобразователях частоты с ШИМ применяют
транзисторные ключи (IGBT, MOSFET).
Преобразователь частоты с АИТ обеспечивает
постоянство тока нагрузки независимо от режима работы, т.е.
обладает свойствами источника тока. Идеальный источник тока
должен иметь бесконечно большое внутреннее сопротивление. В
реальных преобразователях частоты принимают меры по
увеличению внутреннего сопротивления.
Преобразователь частоты с АИТ состоит из управляемого
выпрямителя, фильтра в промежуточном звене постоянного тока
и автономного инвертора, т.е. структура АИТ совпадает со
структурой АИН. Отличие заключается в том, что фильтр состоит
из дросселя L с большой индуктивностью и, следовательно,
большим индуктивным сопротивлением, что увеличивает полное
внутреннее сопротивление источника. Кроме того, управляемый
выпрямитель охвачен обратной связью по току,
стабилизирующей величину' тока нагрузки. Важным
преимуществом преобразователей частоты с АИТ является
возможность рекуперации энергии в сеть при торможении. Для
этого нереверсивный управляемый выпрямитель переводят в
режим инвертора, ведомого сетью.
НПЧ осуществляет однократное преобразование
электрической энергии, поэтому' в нем нет промежуточного звена
постоянного тока, и силовой преобразователь питается
синусоидальным напряжением сети, изменяя его амплитуду и
частоту'. Такие преобразователи часто называют инверторами,
ведомыми сетью. По своей структуре НПЧ является реверсивным
управляемым выпрямителем, на который подается
синусоидальное управляющее напряжение.
Из принципа действия НПЧ вытекает его особенность -
однозонное регулирование частоты только в сторону' уменьшения
относительно частоты сети. При этом, хотя теоретически
максимальная частота выходного напряжения совпадает с
частотой сети, но на практике это значение примерно вдвое
меньше. Из этого следует, что НПЧ выгодно применять в
тихоходном электроприводе. Так же, как и автономные
инверторы, НПЧ могут работать в режиме источников
напряжения или тока. В последнем случае преобразователь
должен быть охвачен быстродействующей обратной связью по
ТОКУ.
Частотно-регулируемый асинхронный злектропризод
21
5 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ЧАСТОТЫ В АСИНХРОННОМ
ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ
5.1 Элементная база
В истории развития преобразовательной техники для
электроприводов переменного тока можно выделить три этапа.
До начала 80-х годов частотно-регулируемые приводы строились
на базе тиристорных ПЧ с аналоговым управлением, которые
несмотря на высокую стоимость, обладали низкой надежностью,
а регулирование скорости двигателя сопровождалось снижением
коэффициента мощности.
Появление на рынке мощных биполярных транзисторов и
цифровых микроконтроллеров открыло к концу 80-х годов
дорогу второму поколению ПЧ. В этом поколении, наряду с
увеличением надежности, были значительно расширены
функциональные возможности ПЧ.
С начала 90-х годов ведущие зарубежные
электротехнические фирмы, среди которых ABB INDUSTRY OY
(Финляндия), HITACHI, OMRON (Япония), SIEMENS, SEW
EURODRJVE (Германия), TELEMECANIQUE (Франция) и др.
выпускают на мировой рынок ПЧ третьего поколения,
охватывающие диапазон мощностей от 0,1 кВт до 8 МВт.
.Достижения в области разработки и выпуска третьего
поколения ПЧ связаны, в первую очередь, с созданием
современных, полностью управляемых, элементов силовой
электроники и микропроцессорных средств управления.
ПЧ третьего поколения производятся с использованием
силовых модулей и силовых гибридных интегральных
(интеллектуальных) модулей на основе полевых и биполярных
транзисторов с изолированным затвором типа IGBT, с обратными
быстро восстанавливающимися диодами. Модули относятся к
классу полностью управляемых ключей с высоким уровнем
коммутируемого напряжения и силы тока при малых потерях,
небольших значениях мощности управления и времени
переключения. Предел коммутирующих напряжений достигает
3,5 кВ, а сила тока до 4 кА.
По сравнению с запираемыми тиристорами (GTO)
силовые транзисторные модули типа IGBT имеют лучшие
статические и динамические характеристики при одинаковых
максимальных параметрах.
Силовой модуль содержит в пластиковом корпусе на
электрически изолированном теплопроводящем основании
несколько ключей в конфигурации моста (или секции моста).
Интеллектуальный модуль объединяет не только силовые
ключи с обратными диодами, но и компоненты для защиты
транзисторов, измерения тока и управления транзисторами.
Зарубежные ПЧ третьего поколения оснащают, как
правило, 16-разрядными микропроцессорными контроллерами, с
несколькими типами памяти, которые, кроме главной функции
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
22
управления силовыми модулями, имеют широкие
функциональные и сервисные возможности, включая настройку
параметров, защиту' двигателя и ПЧ, диагностику.
Микропроцессорные системы управления адаптированы к
задачам управления в реальном времени и имеют
интегрированные в кристалл периферийные устройства:
мультиплексоры, АЦП, широтно-импульсные модуляторы,
быстродействующие дискретные и импульсные устройства
ввода/вывода как параллельного, так и последовательного типа и
др-
Таким образом, реализация рациональных технических
решений на базе современной элементной базы силовой
электроники и микроэлектроники позволила значительно
улучшить массо габаритные показатели и потребительские
характеристики ПЧ третьего поколения.
5.2 Технические характеристики
5.2.1 Основные технические
ХАРА К Т Е В И С Т И К И И КОНСТРУКТИВН Ы Е
ОСОБЕННОСТИ
Среди преобразователей третьего поколения наиболее
значительной является группа ПЧ на базе трехфазных
автономных инверторов напряжения (АИН) в диапазоне
мощностей от 0,18 кВт до нескольких сот кВт. В инверторе, как
правило, применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
при формировании выходного напряжения, что, как известно,
позволяет улучшить характеристики электропривода. Благодаря
использованию в силовой цепи ПЧ неуправляемого выпрямителя
в качестве входного блока промежуточного звена постоянного
тока, коэффициент мощности ПЧ сохраняется на высоком уровне
при любом виде нагрузки. Именно такой тип ПЧ является
предметом дальнейшего рассмотрения.
ПЧ выпускаются в нескольких конструктивных
исполнениях - от миниатюрных, встраиваемых в двигатель, и
портативных, навесного исполнения, до крупногабаритных. Они
пригодны для использования в любом диапазоне сетевых
напряжений: однофазная сеть 1 х220 В, трехфазная сеть от 3x200
до 3x600 В, при частоте сети 50 или 60 Гц.
Определяющими факторами при выборе ПЧ являются его
соответствие заданному режиму работы исполнительного
механизма и обеспечение требуемых статических и
динамических характеристик. Выбор ПЧ, в принципе, может
осуществляться по номинальной мощности двигателя с
уточнением по величине номинального тока при обеспечении
требуемой перегрузочной способности по моменту (току)
двигателя. Как правило, в паспортных данных ПЧ указывается
рекомендуемая мощность двигателя, допустимый длительный
момент (ток) и максимальный кратковременный момент (ток) в
переходных режимах. Начальная (заводская) установка
параметров обычно ориентирована па стандартный
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
23
четырехполюсный АД рекомендуемой мощности. ПЧ может
питать любой двигатель меньшей мощности. Такое сочетание
используется, например, в электроприводах механизмов с
перемежающимся S6 характером нагрузки при
1,5М„<М<2,2Мп.
Применение двигателя мощностью больше
рекомендуемой возможно в случае, если потребляемый им ток
будет меньше или равен номинальному току ПЧ. При этом можно
использовать двигатель с принудительной вентиляцией во всем
диапазоне скоростей в продолжительном S1 режиме работы.
При питании нескольких двигателей, подключенных
параллельно к одному ПЧ, номинальный ток ПЧ должен быть
больше или равен сумме номинальных токов приводных
двигателей.
5.2.2 Состав оборудования
Подавляющее большинство современных ПЧ имеет
блочно-модульное исполнение, что дает возможность для
конкретного объекта управления выбрать нужную
конфигурацию, которая наиболее адекватно отвечает
техническим требованиям. Основу ПЧ составляет базовый блок
(модуль), с помощью которого возможно создание простейших
электроприводов, построенных по принципу разомкнутой
системы управления. Подключение к этому блоку'
дополнительных сервисных модулей (карт) значительно
расширяет функциональные возможности ПЧ, позволяя
существенно повысить диапазон регулирования скорости и
точность ее поддержания за счет построения замкнутых систем
электропривода. К их числу относятся:
< модули расширения входных/ выходных сигналов;
< модули связи с системами промышленных коммуникаций;
< сетевые дроссели, защищающие ПЧ от сетевых бросков тока
и перенапряжений;
♦ сетевые фильтры, подавляющие электромагнитные помехи,
улучшая тем самым электромагнитную совместимость ПЧ;
< выходные фильтры, уменьшающие шумы двигателя и
высокочастотные помехи, обусловленные ШИМ при
формировании выходного напряжения ПЧ;
* тормозные резисторы, рассеивающие получаемую
промежуточным звеном постоянного тока энергию при
интенсивном торможении привода с большим моментом
инерции (кинетическая энергия), либо при работе с активным
моментом сопротивления (потенциальная энергия - опускание
груза, движение под действием силы ветра).
Кроме того, микропроцессорные системы управления
подавляющего большинства ПЧ включают в себя встроенные
специализированные модули, предназначенные для:
• определенного типа электроприводов (подъемно-
транспортных, насосно-вентиляторных и др.);
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод 24
• реализации ПИ или ПИД закона регулирования;
• векторного управления.
Таким образом, частотно-регулируемые электроприводы
на базе современных ПЧ, благодаря мощной аппаратной и
программной поддержке, обеспечивают широкие возможности
по реализации управляющих функций.
5.3 Функциональные возможности
5.3.1 Формирование закона U/f
Выбор закона управления U/f оказывает решающее
влияние на характеристики момента и мощности
электродвигателя. Большинство современных ПЧ позволяют
задавать требуемую зависимость выходного напряжения от
частоты в аналитической или табличной форме с последующей
линейной интерполяцией в реальном времени. Наиболее часто
используются зависимости, приведенные на рис. 7, а:
• линейная - для момента нагрузки, не зависящего от
скорости (кривая 1);
* квадратичная - для нагрузки типа вентиляторной
(кривая 2).
На рис. 7, а обозначено:
Un — номинальное напряжение двигателя;
jmin — предварительно выбранная минимальная частота,
которуто ПЧ вырабатывает во включенном состоянии даже при
отсутствии входного задающего сигнала;
f„ — номинальная (базовая) частота двигателя (точка
излома U/f характеристики), при которой выходное напряжение
ПЧ достигает своего максимального значения;
fnax — предварительно выбранная максимальная частота,
которую ПЧ вырабатывает при максимальном значении
управляющего сигнала, равного обычно 10 В или 20 мА.
Все ключевые точки характеристик (U„, fmin, fn и fmax)
можно изменять программным путем.
Механические характеристики для рассматриваемых
законов регулирования с постоянным моментом Mc=const и
моментом, зависящим от скорости Mc=var, представлены
соответственно на рис. 7, б и 7, в.
ПЧ предоставляет две возможности управления
двигателем выше его номинальной частоты:
1) с постоянным (номинальным) напряжением на статоре;
2) с напряжением, увеличивающимся пропорционально
частоте.
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
25
Рисунок 7 - Формирование законов управления
а) б)
Рисунок 8 - Регулирование угловой скорости выше
номинальной.
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
26
При первом способе (рис. 8, а) ниже частоты fn двигатель
развивает постоянный момент (U/f=consf). Увеличение выходной
частоты выше f„ происходит при постоянном напряжении, т.е. это
область управления двигателем путем ослабления поля, когда с
увеличением скорости развиваемый им момент падает.
При втором способе (рис. 8,6) область работы с
постоянным моментом U/f=const расширяется, например до 87
Гц (50 Гц.л/З), при соединении обмоток статора по схеме
треугольника. Тогда на частоте 50 Гц напряжение (220 В) и
намагничивание двигателя будут номинальными. На частотах
выше 50 Гц двигатель будет работать в режиме перенапряжения.
Благодаря этому мощность двигателя на частоте 87 Гц
увеличивается в л/3 раз по сравнению с номинальной.
5.3.2 Компенсация скольжения
Компенсацией скольжения называется поддержание
постоянной частоты вращения электродвигателя в соответствии с
заданным значением независимо от нагрузки путем
автоматической коррекции частоты питающего напряжения. С
увеличением нагрузки скорость электродвигателя падает. Для
получения абсолютно жесткой характеристики необходимо
скомпенсировать скольжение путем увеличения частоты на
величину АД пропорциональную частоте скольжения. При
переменном моменте нагрузки эта функция не используется
5.3.3 Поддержка напряжения
Поддержка напряжения означает непропорциональное
частоте увеличение выходного напряжения ПЧ в диапазоне ниже
номинальной частоты с целью увеличения пускового момента.
Величина поддержки Un на нижних частотах обычно
регулируется в пределах от 0 до 30 % от [7„.
Поскольку реактивные сопротивления обмоток статора
АД пропорциональны частоте, то на низких частотах они
уменьшаются и становятся соизмеримыми с их активными
сопротивлениями. За счет увеличения напряжения
компенсируется падение напряжения в двигателе и подводящих
проводах, что увеличивает пусковой момент.
5.3.4 Стабилизация магнитного потока
(IR-компенсация)
IR-компенсация означает автоматическое увеличение
выходного напряжения ПЧ, зависящее от тока нагрузки. В отличие
от функции поддержки напряжения, которая действует, главным
образом, на низких частотах при ненагруженном двигателе, эта
управляющая функция эффективна только под нагрузкой.
Перечисленные выше управляющие функции являются
наиболее общими и они реализованы практически во всех
современных ПЧ. Благодаря этим функциям, даже в разомкнутых
системах электропривода возможно получение характеристик,
удовлетворяющих требованиям подавляющего большинства
промышленных механизмов.
27
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
6 СЕМЕЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ
ALTIVAR
С начала 90-х годов ведущие электротехнические фирмы
выпускают ПЧ третьего поколения, среди которых наиболее
значительной является группа преобразователей со звеном
постоянного тока и автономным инвертором напряжения с
широтно-импульсной модуляцией для электроприводов с
асинхронными двигателями в диапазоне мощностей от 0,18 до
нескольких сот киловатт. Использование новейших технологий, в
частности, силовых интегральных или интеллектуальных
модулей на базе полевых и биполярных транзисторов с
изолированным затвором, а также входящей в состав
преобразователя микропроцессорной системы управления,
контроля, защиты и диагностирования, позволило значительно
улучшить массогабаритные, энергетические и эксплуатационные
показатели. Благодаря чему регулируемые асинхронные
электроприводы на основе таких преобразователей заняли
ведущие позиции в автоматизации производства.
Среди них значительное место занимает семейство
преобразователей Altivar компании Schneider Electric,
выпускаемых в разных модификациях на мощности двигателей
от 0,18 до 630 кВт и предназначенных для широкого класса
механизмов общепромышленного и специального применения. К
числу качеств, обеспечивающих высокие технико-экономические
показатели гаммы преобразователей Altivar, могут быть
отнесены:
♦ высокая надежность, что обеспечивается, в частности
использованием разработанных фирмой Telemecanique (для
некоторых типов ПЧ - совместно с фирмой Toshiba) специальных
микросхем;
* малые габариты преобразователя, что достигается как за
счет использования интегральных модулей и IGBT транзисторов,
так и применением высокоэффективного охлаждения при
малогабаритных радиаторах, а также удачной конструкцией
изделия;
• отличные статические и динамические характеристики,
делающие привод на базе Altivar конкурентоспособным с
приводом постоянного тока, являющиеся результатом
использования новых алгоритмов векторного управления
потоком;
• простота ввода привода в эксплуатацию, благодаря
наличию автоматической подстройки преобразователя к
характеристикам двигателя;
• удобство настройки и обслуживания, чему способствует
наличие пульта с панелью управления и графическим
терминалом. В настоящее время освоено производство новейших
серий ATV 11, ATV 21, ATV 31, ATV 61 и ATV 71. Технические
данные и функциональные возможности ПЧ данных серий
приведены ниже в табл. 1 — табл. 4.
CJJp- Частотно-регулируемый асинхронный электропривод 28
Таблица I - Технические характеристики преобразователей частоты
Характеристики Серия преобразователей частоты
ATV 11 ATV21 ATV 31 ATV 61 ATV71
Диапазон мощностей при параметрах питающей сети, кВт 0,18-2,2 0,75 - 30 0,18 - 15 0,37 - 630 0,37 - 500
Однофазная сеть 100- 120 В 0,18-0,75 - • - -
200 - 240 В 0,18-2,2 - 0,18-2,2 0,37-5,5 0,37-5,5
Трехфазная сеть 200-230 В 0,18-2,2 - - -
200-240 В - 0,75-30 0,18-15 0,75 - 90 0,37-75
380-480 В - 0,75 - 30 - 0,75-630 0,75-500
380 - 500 В - - 0,37-15 - -
525 - 600 В - - 0,75 - 15 - -
Пределы изменения выходной частоты, Гц 0,5-200 0,5 - 200 0,5 - 500 0,5 - 1000 (до 37 кВт), 0,5 - 500 (45 - 630 кВт) 0-1600 (до 37 кВт), 0-500 (45 - 500 кВт)
Области применения Простые механизмы, насосы Насосы, вентиля- торы Машины, насосы Насосные и вентиляторные агрегаты Технолог, компл., высокопроизводи- тельные мех-мы
Перегрузочный момент, о.е. 1,5- 1,7 1,1 1,7-2.0 1,1 - 1,2 1,7 (60 с). 2,2 (2 с)
Диапазон регулирования скор. 1..20 1...10 50 1...100 100 (1000-с о.с.)
Встроенный тормозной МОДУЛЬ Нет нет да до 160 кВт включительно до 160 кВт включительно
Количество функций 26 50 50 > 100 > 150
Число предварит, заданных ск. 4 7 16 8 16
Число входов/ ВЫХОДОВ Аналог, входы 1 2 3 2 2
Дискрета, входы 4 3 6 6 6
Аналог, выходы - 1 1 I 1
Дискрета, выходы ] - - - -
Релейные выходы 1 2 2 2 2
Коммуникац. СВЯЗЬ Встроенная - Modbus Modbus и CANopen
Дополнит. - 4 4 и 7
Таблица 2 - Характеристики карт расширения входов-выходов и встроенного контроллера
Характеристики Тип карты
Дискретных входов-выходов VW3 АЗ 201 Расширенных входов-выходов VW3 АЗ 202 Встроенный контроллер VW3 АЗ 501
Число входов/ выходов Дискретные входы 4 (LI7 - LI10) 4 (Lil I -LI14) 10 (LI51 -LI60)
Импульсный вход - 1 (RP) -
Аналоговые входы - 2 (А13+/А!3-,А14) 2 (AI51, AI52)
Вход для РТС 1 (ТН1+/ТН1-) 1 (ТН2+/ТН2-) -
Аналоговые выходы - 2 2(АО51, АО52)
Дискретные выходы 2(LO1 -LO2) 2(LO3—LO4) 6(LO51 -LO56)
Релейные выходы 1 (R3A-R3B-R3C) 1 -
Коммуника- ционная связь Порт CANopen (ведущий) - - 1 (9-контактный разъем SUB-D)
Порт ПК для программирования в среде PS 1131 - - 1 (разъем RJ45 для подключения ПК по интерфейсу RS 485)
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
29
Таблица 3 - Характеристики интерфейсных карт импульсного датчика
Тип интерфейсной карты импульсного датчика Напряжение питания, В Каталожный номер
С дифференциальными выходами, совместимыми с RS 422 5 VW3 АЗ 401
15 VW3 АЗ 402
С выходами с открытым коллектором 12 VW3 АЗ 403
15 VW3 АЗ 404
С двухтактным выходом 12 VW3 АЗ 405
15 VW3 АЗ 406
24 VW3 АЗ 407
Таблица 4 - Характеристики коммуникационных карт
Тип коммуникационной карты Подключение Каталожный номер
Карта Fipio для замены Используется для замены ATV58 и ATV58F, оснащенных картой VW3 А58 301, на ATV71 VW3 АЗ 301
Modbus Plus Используется для подключения к ответвителю Modbus Plus 990 NAD 230 00 IP20 VW3 АЗ 302
Modbus /Uni-Telway Подключается к соединительной коробке TSX SCA 62 с помощью кабеля VW3 А8 306-2 VW3 АЗ 303
Interbus Использчется для монтажа с помощью кабелей подключения удаленной шины, каталожный номер 170 MCI — 00 VW3 АЗ 304
Profibus DP Используется для подключения с помощью соединителя 490 NAD 91 к кабелю Profibus TSX PBS CA-00 VW3 АЗ 307
DeviceNet Карта оборудована съемной клеммной колодкой для монтажа под винт VW3 АЗ 309
Ethernet Подключается к концентратору или коммутатору с помощью кабеля 490 NTW 000 •• VW3 АЗ 310
Стандартная карта Fipio Подключается с помощью соединителя TSX FP АСС 12 и магистрального кабеля TSX FP СС— или кабеля ответвления TSX FP СА Карта должна использоваться в новых проектах VW3 АЗ 311
Таблица 5 - Основные функциональные возможности ПЧ семейства Altivar
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
30
Прикладные функции ATV 11 ATV 21 ATV 31 ATV 61 ATV 71
Прикладные макросы • •
Автоподстройка • • « •
Автоматическая адаптация частоты модуляции • • • • •
Режим энергосбережения • • • •
Автоматический повторный запуск двигателя • • • • •
Подхват на лету' • • • • •
Задание фиксированных скоростей • • • • •
Переключение двигателей и наборов параметров • • •
Двух- и трех- проводное управление • • • • •
Задание интенсивности разгона и торможения • • • • •
Профиль кривых разгона и торможения • • •
Автоматическая адаптация темпа торможения • • • • •
Шаговый режим • • « •
Запрет работы на резонансных частотах • • •
Управление режимом торможения двигателя • • * •
Управление тормозом • с с
Ограничение момента двигателя • • с «
ПИ(Д) регулирование технологического параметра • « •
Использование внешнего датчика скорости с •
Регулирование момента с с
Быстрее — медленнее « « с •
Хронология неисправностей • * «
Управление при пониженном напряжении о < с •
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
31
7 КОММУТАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В
ТРЕХФАЗНЫХ ДИН ПРИ ФОРМИРОВАНИИ
ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПО МЕТОДУ ШИМ
К одним из наиболее распространенных устройств
современной силовой электроники относятся автономные
инверторы напряжения. В составе преобразователей частоты они
преобразуют постоянное напряжение в переменное напряжение
регулируемой частоты и среднего значения. Они также являются
основными блоками агрегатов бесперебойного питания. Так как
выходное напряжение АИН состоит из прямоугольных
импульсов, то формирование требуемой его частоты и величины
осуществляется за счет модуляции выходных импульсов. В
настоящее время наибольшее применение получила широтно-
импульсная модуляция, выражающаяся в воздействии на
продолжительность импульсов и моменты их появления.
Описание процессов, происходящих за период выходного
напряжения при многократной коммутации быстродействующих
силовых ключей, последовательности работы таких ключей при
формировании напряжения на выходе преобразователя частоты,
приложенного к статору асинхронного двигателя, в учебниках и
учебных пособиях пока отсутствует. Поэтому далее основное
внимание уделено процессам, происходящим в трехфазных АИН,
рассматривая их как основу анализа процессов в частотном
электроприводе.
По этим соображениям рассмотрим процессы,
происходящие при работе трехфазного АИН, собранного по
мостовой схеме и подключенного к симметричной активно-
Рисунок 9 - Схема трехфазного АИН с нагрузкой
В каждом плече моста инвертора встречно-параллельно
включены биполярный транзистор с изолированным затвором
(IGBT - Т1 ...Тб) и быстродействующий образный диод (DI ...D6).
Вместо IGBT транзисторов могут быть применены запираемые
тиристоры (например, GTO или другого типа). Положительные
направления фазных токов /с и ic в R-L нагрузке указаны
стрелками. К проводу с положительной полярностью напряжения
Нс (Uc - напряжение на конденсаторе С звена постоянного тока)
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
32
подсоединены коллекторы трех транзисторов и катоды трех
обратных диодов; эти вентили обычно называют верхними, на
рис. 9 им присвоены нечетные (1, 3 и 5) номера. К проводу с
отрицательной полярностью напряжения Uc подсоединены
эмиттеры (аноды) трех нижних, обозначенных четными (2, 4 и 6)
номерами транзисторов (обратных диодов). Принимаем, что
вентили инвертора являются идеальными ключами,
обладающими нулевым временем переключения и, благодаря
этому, позволяют осуществить многократную коммутацию за
период выходного напряжения инвертора, формируемого по
методу ШИМ.
На рис. 10 изображены графики желаемого напряжения
фазы а иж а(cot) и двухполярной двухсторонней модуляционной
функции FM a(mt), изменяющейся по линейному закону от
напряжения -1 до +1 (напряжения указаны в долях от базовой
величины, равной Uc) и в обратном направлении на интервале
0<а>1<2л.
В моменты равенства мгновенных значений Шж а(а)1) и
функции a(<jot) на ниспадающих ее участках открывается
ключ Т1, а в моменты равенства иж a(cot) и функции а(ю1) на
ее восходящих участках ключ Т1 закрывается. Прямоугольные
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод 33
импульсы, изображенные штрих-пунктирными линиями,
соответствуют открытому состоянию ключа Т1. На рис. 11 и рис.
12 представлены аналогичные построения для фаз b и с,
желаемые напряжения которых отстают от напряжения фазы а,
соответственно, на 2тг/3 и 4п/3. Прямоугольные импульсы на
этих графиках отображают открытые состояния ключей ТЗ и Т5.
Для наглядности графических изображений частота функций
Fv(a>t) принята равной 600 Гц, что в 4 - 20 раз меньше, чем у
промышленных серий транзисторных ПЧ.
Особенность работы трехфазного АИН состоит в том, что
ток протекает в нагрузке лишь в тех случаях, когда одновременно
совпадают условия открытого состояния ключей (вентилей) в
трех фазах. Поэтому функционирование инвертора
характеризуется циклическим чередованием нескольких
комбинаций вентилей, по которым одновременно протекают токи
трехфазной R-L нагрузки: три транзистора, два транзистора и
диод, два диода и транзистор, а также три диода. Комбинации
проводящих ток вентилей инвертора и последовательность их
чередования (всего 21 такт на интервале 0...я) представлены в
табл. 6. Там же указаны направления протекания токов в фазах
нагрузки и вентили инвертора, через которые они замыкаются.
Графики изменения во времени фазных напряжений
(штрих-пунктирные линии) и протекающих в нагрузке токов
(сплошные линии) изображены на рис. 13 — рис. 15; на этих же
графиках отмечены номера тактов, представленные в табл. 6.
На рис. 16 - рис. 21 приведены эквивалентные схемы,
соответствующие тактам 1-7.
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
34
Таблица 6 - Комбинации вентилей и последовательность их работы.
№ п/п Комбинация вентилей иа Ub чс 1а ib ic Т1 T3 T5 T2 T4 T6 DI D3 D5 D2 D4 D6
1 Т1Т4Т5 + — + + — + ia ic -ib
2 D2T4T5 — — + + — + ic -ib ia
3 D2D3D6 0 0 0 + — + -ib ia Ic
4 Т1Т4Т6 + — — + — — ia -ib -ic
5 T1T4D5 + — + + — — ia -ib -ic
6(1) Т1Т4Т5 + — + + — + ia ic -ib
7 D2D3D5 0 0 0 + — — -ib -ic ia
8(1) Т1Т4Т5 + — + + — + ia ic -ib
9 T1T4D6 + — __ + — + ia -ib ic
Ю(4) Т1Т4Т6 + — — + — — ia -ib -ic
11 D2D3D6 0 0 0 + — + -ib ia ic
12(4) Т1Т4Т6 + — — + — — ia -ib -ic
13 T1D3T6 + + — + — — la -ib ic
14(7) D2D3D5 0 0 0 + — — -ib -Ic ia
15 Т1ТЗТ6 + + — + + — la ib “Ic
16 T1D4T6 + — — + + — ia -ic ib
17 D2D4D5 0 0 0 + + — -Ic ia ib
18 Т2ТЗТ6 — + __ — + — ib “la -ic
19 D1T3T6 + + — — + — ib -ic -ia
20(15) Т1ТЗТ6 + + — + + — ia ib “Ic
21 D1D4D5 0 0 0 — + — “la -ic ib
о.е. uc , ice
Рисунок 14 - Напряжения и токи фазы b
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод
35
Рисунок 15 - Напряжения и токи фазы с
Первому такту соответствует открытое состояние трех
транзисторов: Tl, Т4 и Т5 (условно Т1Т4Т5). На схеме рис. 16
показано, что по фазам а и с токи нагрузки протекают в
положительном направлении, а по фазе b - сумма этих токов, но в
обратном направлении.
tT4
Рисунок 16 - Токи, протекающие на первом такте
Уравнения электрического равновесия для первого такта
записываются:
и с = (Я • +d чн /d0 -(R-ih+d V4 М);
'Uc={R-ic+dipc]dt')-~{R-ih+diplildty,
Й = -Ч~'РЧН ^L-ipVH = = Ld-
Переход от первого (T1T4T5) ко второму такту (D2T4T5)
происходит при закрывании транзистора Т1; запасенная в
индуктивности фазы а энергия стремится поддержать прежнее
направление тока и под действием ЭДС самоиндукции
открывается нижний диод D2. Эквивалентная схема изображена
на рис. 17.
Рисунок 17 Токи, протекающие на втором такте.
(gjspj- Частотно-регулируемый асинхронный электропривод 36
Уравнения электрического равновесия для второго такта:
О = (А zu + dipa /t) - (R • i„ + diph /dt);
< t/c=(£-zc +di]/Jdt)-{R-ih+dy/bldtY
z. = -z - i.
b a c
Третий такт (D2D5D6) начинается в момент отключения
транзисторов Т4 и Т5. Под действием запасенной в
индуктивности нагрузки электромагнитной энергии
дополнительно открываются верхний диод D3 и нижний диод
D6. Эквивалентная схема для этого такта изображена на рис. 18.
Рисунок 18 — Токи, протекающие на третьем такте
Уравнения электрического равновесия на третьем такте:
- = (Л • 4 + dy/aldf)-(R-ih + dy/h/dt);
< -Uc -(Rd + dipJdt)-(R-ih+dipbldfy, (]0)
z, = -z - z .
л a C
Одновременно с уравнениями (8) следует учитывать
условия односторонней проводимости диодов:
ia >О, ib <0 и ic >0. (11)
Под действием приложенного напряжения
противоположной полярности ток интенсивно спадает до нуля и
остается на нулевом уровне до конца такта.
Последующие комбинации работающих ключей таковы:
на четвертом такте опять включаются 3 транзистора (Т1Т4Т6 -
рис. 19).
Рисунок 19 — Токи, протекающие на четвертом такте
Частотно-регулируэмый асинхронный электропривод 37
Рисунок 20 — Токи, протекающие на пятом такте
затем 2 транзистора и диод (T1T4D5 - рис, 20) на пятом
такте, три транзистора (Т1Т4Т5 - рис. 16) на шестом такте и три
диода (D2D3D6 - рис. 21) на седьмом такте и т.д.
D2
I т
- J J
Рисунок 21 — Токи, протекающие на седьмом такте.
Представленные на рис 13 - рис. 15 графики получены
при параметрах R-L нагрузки: R = 23,9 Ом. L = 0.106 Гн. Значения
токов на этих графиках указаны в долях от базовой величины, в
качестве которой принят максимальный ток на интервале 0 < col <
л или л < cot < 2л, равный 2,3 А при приведенных параметрах
нагрузки, частоте ШИМ и желаемой частоте выходного
напряжения/ж = 50 Гц.
Приведенные описания свидетельствуют о сложности
протекающих процессов коммутации, их зависимости от частоты
ШИМ, параметров нагрузки. Дальнейшее повышение сложности
процессов происходит при исследовании процессов в частотном
электроприводе, когда к выходу АИН подключен двигатель. Так
как одновременно приходится учитывать состояния ключей,
условия их включения и одностороннюю проводимость,
направление протекания и характер токов (непрерывный,
прерывистый) в нагрузке, то наиболее подходящим
инструментом исследования таких многофакторных процессов
является математическая модель. Графики, представленные на
рис. 10 - рис. 15, получены при помощи математической модели.
Частотно-регулируемый асинхронный электропривод 38
ЛИТЕРАТУРА
1. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод / Schneider Electric, Центр
обучения, Санкт-Петербург, 1999. - 41 с.
2. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов.- М.: Энергоатомиздат,
1985,- 560 с.
3. Лозинський О. Ю., Мююренко В. О. Функцюнальш можливосп та особлив!
налаштовування асинхронних частотно-керованих електроприво/дв Altivar
(Schneider Electric). // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и
практика. Вестник Харьковского государственного политехнического
университета. Выпуск 113. Харьков. - 2000. С. 217 - 218.
4. Радимов С. Н., Букили Хишам. Коммутационные процессы в трехфазных АПН
при формировании выходного напряжения по методу ШИМ. // Автоматика.
Электрические комплексы и системы. - 2000. - №1 (6). - С. 121 - 128.
5. Радимов С. Н., Букили Хишам. Математическая модель, представленная в
естественных трехфазных осях. И Проблемы автоматизированного
электропривода. Теория и практика. Вестник Харьковского государственного
политехнического университета. Выпуск 113. Харьков. -2000. С. 217 - 218.
6. Радимов С.Н., Рябоконь А.В., Ющенко А.В. Энергетика пуско-тормозных
режимов привода механизма поворота портального крана // Проблемы
автоматизированного электропривода. Теория и практика: BiciniK Нацюнального
техничного университету "Харювський полй'ехшчний шетитут". 36ipxa наукових
праць. Тематичний випуск № 10.- Харкав. ПТУ ХП1. 2001. - С. 330-331.
7. Радимов С.Н., Рябоконь А.В., Ющенко А.В. Учебный лабораторный стенд
"Исследование энергетики пуско-тормозных режимов асинхронного
электродвигателя" // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и
практика: BicniiK Нацюнального техшчного ушверситету "Харювський
по.штехючний шетитут". Зб1рка наукових праць. Тематичний випуск № 10.-
Харюв, НТУ ХП1, 2001. - С. 328-329.