Частотно-регулируемый привод - Variable-frequency drive

Малый частотно-регулируемый привод

Шасси вышеуказанного ЧРП (крышка снята)

Переменной частоты ( ПЧ ) или регулируемой частоты ( ФАР ), с переменным напряжением / переменной частоты ( VVVF ) привода , привод с регулируемой скоростью ( VSD ), привод переменного тока , микро - диска или приводной преобразователь представляет собой тип привода двигателя используется в электромеханических приводных системах для управления электродвигателем переменного тока , скорости и крутящего момента путем изменения входного двигателя частоты и напряжения .

ЧРП используются в самых разных приложениях, от небольших бытовых приборов до больших компрессоров. Около 25% мировой электроэнергии потребляется электродвигателями в промышленных приложениях. Системы, использующие частотно-регулируемые приводы, могут быть более эффективными, чем системы, использующие дросселирование потока жидкости, например, в системах с насосами и регулировкой заслонки для вентиляторов. Однако проникновение на глобальный рынок всех применений частотно-регулируемых приводов относительно невелико.

За последние четыре десятилетия технология силовой электроники позволила снизить стоимость и размер частотно-регулируемого привода и повысила производительность за счет достижений в области полупроводниковых коммутационных устройств, топологий приводов, методов моделирования и управления, а также аппаратного и программного обеспечения управления.

ЧРП изготавливаются в различных топологиях низкого и среднего напряжения AC-AC и DC-AC .

Описание и работа системы

Система ЧРП

Частотно-регулируемый привод - это устройство, используемое в системе привода, состоящей из следующих трех основных подсистем: двигатель переменного тока, узел контроллера главного привода и интерфейс привод / оператор.

Двигатель переменного тока

Электродвигатель переменного тока, используемый в системе частотно - регулируемого привода, обычно представляет собой трехфазный асинхронный двигатель . Некоторые типы однофазных двигателей или синхронных двигателей могут быть полезными в некоторых ситуациях, но обычно трехфазные асинхронные двигатели являются наиболее экономичными. Часто используются двигатели, предназначенные для работы с фиксированной скоростью. Повышенное напряжение, налагаемое на асинхронные двигатели, которые питаются от частотно-регулируемых приводов, требует, чтобы такие двигатели были спроектированы для работы с инверторным питанием определенного назначения в соответствии с такими требованиями, как часть 31 стандарта NEMA MG-1.

Контроллер

Контроллер VFD представляет собой твердотельную систему преобразования силовой электроники, состоящую из трех отдельных подсистем: выпрямительного мостового преобразователя, звена постоянного тока (DC) и инвертора. Приводы с инвертором источника напряжения (VSI) (см. Подраздел «Общие топологии» ниже) являются наиболее распространенным типом приводов. Большинство приводов являются приводами переменного и переменного тока в том смысле, что они преобразуют линейный вход переменного тока в выходной сигнал инвертора переменного тока. Однако в некоторых приложениях, таких как обычные шины постоянного тока или солнечные батареи , приводы конфигурируются как приводы постоянного и переменного тока. Самый простой выпрямительный преобразователь для привода VSI сконфигурирован как трехфазный шестиимпульсный двухполупериодный диодный мост . В приводе VSI звено постоянного тока состоит из конденсатора, который сглаживает пульсации постоянного тока на выходе преобразователя и обеспечивает жесткий вход для инвертора. Это фильтруется напряжение постоянного тока преобразуется в квази- синусоидального выходного напряжения переменного тока с использованием активных переключающих элементов инвертора. VSI диски обеспечивают более высокий коэффициент мощности и снизить гармонические искажения , чем фазы контролируемого источника тока инвертора (CSI) и нагрузки коммутируемый инвертора (LCI) дисков (см подраздел «Generic топологий» ниже). Контроллер привода также может быть сконфигурирован как фазовый преобразователь, имеющий вход однофазного преобразователя и выход трехфазного преобразователя.

Достижения в области контроллеров привели к резкому увеличению номинальных значений напряжения и тока, а также частоты коммутации твердотельных силовых устройств за последние шесть десятилетий. Представленный в 1983 году биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) за последние два десятилетия стал доминировать в частотно-регулируемых приводах в качестве переключающего устройства инвертора.

В приложениях с переменным крутящим моментом, подходящих для управления приводом вольт-на-герц (В / Гц), характеристики двигателя переменного тока требуют, чтобы величина напряжения на выходе инвертора на двигатель была отрегулирована для соответствия требуемому моменту нагрузки в линейном соотношении В / Гц. . Например, для двигателей 460 В, 60 Гц это линейное соотношение В / Гц составляет 460/60 = 7,67 В / Гц. Хотя управление В / Гц подходит для широкого диапазона приложений, оно не является оптимальным для высокопроизводительных приложений, включающих требования к низкой скорости или требовательной динамической регулировке скорости, позиционированию и реверсивной нагрузке. Некоторые управляющие приводы В / Гц также могут работать в квадратичном режиме В / Гц или даже могут быть запрограммированы для соответствия специальным многоточечным трактам В / Гц.

Две другие платформы управления приводом, векторное управление и прямое управление крутящим моментом (DTC), регулируют величину напряжения двигателя, угол от задания и частоту, чтобы точно контролировать магнитный поток двигателя и механический крутящий момент.

Хотя пространственно-векторная широтно-импульсная модуляция (SVPWM) становится все более популярной, синусоидальная PWM (SPWM) является наиболее простым методом, используемым для изменения напряжения (или тока) и частоты двигателя привода. При управлении SPWM (см. Рис.1) квазисинусоидальный выход с переменной шириной импульса создается из пересечений пилообразного несущего сигнала с модулирующим синусоидальным сигналом, который может изменяться по рабочей частоте, а также по напряжению (или току). ).

Эксплуатация двигателей со скоростью, превышающей номинальную скорость, указанную на паспортной табличке (базовая скорость), возможна, но ограничена условиями, которые не требуют большей мощности, чем номинальная мощность двигателя, указанная на паспортной табличке. Иногда это называется «ослаблением поля» и для двигателей переменного тока означает работу при менее номинальной скорости В / Гц и выше номинальной скорости, указанной на паспортной табличке. Постоянный магнит синхронные двигатели имеют довольно ограниченный диапазон скорости ослабления поля из - за постоянный магнит Потокосцепление . Синхронные двигатели с фазным ротором и асинхронные двигатели имеют гораздо более широкий диапазон скоростей. Например, асинхронный двигатель мощностью 100 л.с., 460 В, 60 Гц, 1775  об / мин (4-полюсный), питаемый от 460 В, 75 Гц (6,134 В / Гц), будет ограничен до 60/75 = 80% крутящего момента при 125%. скорость (2218,75 об / мин) = 100% мощности. На более высоких скоростях необходимо дополнительно ограничить крутящий момент асинхронного двигателя из-за снижения пускового момента двигателя. Таким образом, номинальная мощность обычно может достигать лишь 130–150% от номинальной скорости, указанной на паспортной табличке. Синхронные двигатели с фазным ротором могут работать на еще более высоких скоростях. В приводах прокатных станов часто используется частота вращения 200–300% от базовой. Механическая прочность ротора ограничивает максимальную скорость двигателя.

Рис.1: Входной сигнал несущей синусоиды SPWM и выход 2-уровневой PWM

Встроен микропроцессор управляет всей работой контроллера VFD. Базовое программирование микропроцессора осуществляется в виде встроенного программного обеспечения, недоступного для пользователя . Пользовательское программирование параметров дисплея , переменных и функциональных блоков предназначено для управления, защиты и мониторинга частотно-регулируемого привода, двигателя и приводимого в действие оборудования.

Базовый контроллер привода может быть сконфигурирован для выборочного включения таких дополнительных силовых компонентов и принадлежностей, как показано ниже:

• Подключены перед преобразователем - автоматический выключатель или предохранители , изолирующий контактор , фильтр ЭМС , сетевой дроссель , пассивный фильтр
• Подключен к промежуточному контуру - тормозной прерыватель , тормозной резистор
• Подключается после инвертора - выходной дроссель, синусоидальный фильтр, фильтр du / dt.

Интерфейс оператора

Интерфейс оператора позволяет оператору запускать и останавливать двигатель, а также регулировать рабочую скорость. ЧРП также может управляться программируемым логическим контроллером через Modbus или другой аналогичный интерфейс. Дополнительные функции управления оператором могут включать в себя реверсирование и переключение между ручной регулировкой скорости и автоматическим управлением с помощью внешнего сигнала управления процессом . Интерфейс оператора часто включает в себя буквенно-цифровой дисплей или световые индикаторы и измерители для предоставления информации о работе привода. Клавиатура интерфейса оператора и дисплей часто предоставляются на передней панели контроллера VFD, как показано на фотографии выше. Дисплей клавиатуры часто можно подключить с помощью кабеля и установить на небольшом расстоянии от контроллера VFD. Большинство из них также снабжены клеммами ввода и вывода (I / O) для подключения кнопок, переключателей и других устройств интерфейса оператора или сигналов управления. Последовательной связи порт также часто доступны , чтобы позволить частотно - регулируемого привода , чтобы быть сконфигурирован, регулировать, контролировать, и управляется с помощью компьютера.

Контроль скорости

Есть два основных способа управления скоростью VFD; сетевой или проводной. Сетевой включает передачу заданной скорости по протоколу связи, например Modbus , Modbus / TCP , EtherNet / IP , или через клавиатуру с использованием последовательного интерфейса дисплея, в то время как проводное подключение подразумевает чисто электрические средства связи. Типичные способы проводной связи: 4–20 мА , 0–10 В постоянного тока или использование внутреннего источника питания 24 В постоянного тока с потенциометром . Скорость также можно контролировать удаленно и локально. Дистанционное управление дает указание VFD игнорировать команды скорости с клавиатуры, в то время как местное управление дает VFD команду игнорировать внешнее управление и подчиняться только клавиатуре. На некоторых приводах одни и те же контакты используются как для 0-10 В постоянного тока, так и для 4-20 мА и выбираются через

Программирование ЧРП

В зависимости от модели рабочие параметры частотно-регулируемого привода могут быть запрограммированы с помощью специального программного обеспечения для программирования, внутренней клавиатуры, внешней клавиатуры или SD-карты. ЧРП часто блокируют большинство программных изменений во время работы. Типичные параметры, которые необходимо установить, включают: информацию с паспортной таблички двигателя, источник задания скорости, источник управления включением / выключением и управление торможением. Для частотно-регулируемых приводов также характерно предоставление отладочной информации, такой как коды неисправностей и состояния входных сигналов.

Запуск и поведение программного обеспечения

Большинство частотно-регулируемых приводов позволяют включить автоматический запуск. Что будет приводить выход к заданной частоте после цикла включения питания, или после устранения неисправности, или после восстановления сигнала аварийной остановки (обычно аварийные остановки имеют активную низкую логику). Один из популярных способов управления частотно-регулируемым приводом - включить автоматический запуск и поместить L1, L2 и L3 в контактор. Таким образом, включение контактора включает привод и его выходную скорость на заданной скорости. В зависимости от сложности привода может быть реализовано несколько вариантов автоматического запуска, например, привод автоматически запускается при включении питания, но не запускается автоматически после сброса аварийного останова до тех пор, пока не будет выполнен цикл сброса.

Работа привода

Диаграмма скорости-момента электродвигателя

Ссылаясь на прилагаемую таблицу, приводные приложения можно разделить на одноквадрантные, двухквадрантные или четырехквадрантные; четыре квадранта диаграммы определены следующим образом:

• Квадрант I - Движение или движение, квадрант ускорения вперед с положительной скоростью и крутящим моментом
• Квадрант II - Генерация или торможение, прямое торможение - квадрант замедления с положительной скоростью и отрицательным крутящим моментом
• Квадрант III - Движение или движение, квадрант обратного ускорения с отрицательной скоростью и крутящим моментом
• Квадрант IV - Квадрант генерирования или торможения, обратного торможения-замедления с отрицательной скоростью и положительным крутящим моментом.

В большинстве приложений используются одноквадрантные нагрузки, работающие в квадранте I, такие как нагрузки с переменным крутящим моментом (например, центробежные насосы или вентиляторы) и определенные нагрузки с постоянным крутящим моментом (например, экструдеры).

В некоторых приложениях используются двухквадрантные нагрузки, работающие в квадрантах I и II, где скорость положительная, но крутящий момент меняет полярность, как в случае замедления вентилятора быстрее, чем естественные механические потери. Некоторые источники определяют двухквадрантные приводы как нагрузки, работающие в квадрантах I и III, где скорость и крутящий момент имеют одинаковую (положительную или отрицательную) полярность в обоих направлениях.

Некоторые высокопроизводительные приложения включают четырехквадрантные нагрузки (квадранты с I по IV), где скорость и крутящий момент могут быть в любом направлении, например, в подъемниках, лифтах и ​​холмистых конвейерах. Регенерация может происходить только в шине промежуточного контура привода, когда напряжение инвертора меньше по величине, чем обратная ЭДС двигателя, напряжение инвертора и обратная ЭДС имеют одинаковую полярность.

При запуске двигателя частотно-регулируемый привод сначала подает низкую частоту и напряжение, что позволяет избежать высокого пускового тока, связанного с прямым пуском от сети . После запуска частотно-регулируемого привода прикладываемая частота и напряжение увеличиваются с контролируемой скоростью или нарастают для ускорения нагрузки. Этот метод пуска обычно позволяет двигателю развивать 150% своего номинального крутящего момента, в то время как частотно-регулируемый привод потребляет менее 50% своего номинального тока из сети в низкоскоростном диапазоне. Частотно-регулируемый привод можно отрегулировать для создания стабильного 150% пускового крутящего момента от состояния покоя вплоть до полной скорости. Однако охлаждение двигателя ухудшается и может привести к перегреву при снижении скорости, так что длительная работа на низкой скорости со значительным крутящим моментом обычно невозможна без отдельно моторизованной вентиляции с вентилятором.

При использовании частотно-регулируемого привода последовательность остановки прямо противоположна последовательности запуска. Частота и напряжение, подаваемые на двигатель, снижаются с контролируемой скоростью. Когда частота приближается к нулю, двигатель отключается. Доступен небольшой тормозной момент, чтобы помочь замедлить нагрузку немного быстрее, чем она остановилась бы, если бы двигатель просто выключили и позволили двигаться по инерции. Дополнительный тормозной момент можно получить, добавив тормозную цепь (резистор, управляемый транзистором) для рассеивания энергии торможения. С четырехквадрантным выпрямителем (активный входной каскад) частотно-регулируемый привод может тормозить нагрузку, прикладывая обратный крутящий момент и возвращая энергию в линию переменного тока.

Преимущества

Экономия энергии

ВВВФ используется в поезде метро Гуанчжоу

Многие приложения с нагрузкой на двигатели с фиксированной скоростью, которые питаются напрямую от сети переменного тока, могут экономить энергию, когда они работают с переменной скоростью с помощью частотно-регулируемого привода. Такая экономия затрат на энергию особенно заметна в центробежных вентиляторах и насосах с регулируемым крутящим моментом, где крутящий момент и мощность нагрузки изменяются соответственно квадрату и кубу скорости. Это изменение приводит к значительному снижению мощности по сравнению с режимом работы с фиксированной скоростью при относительно небольшом снижении скорости. Например, при скорости 63% нагрузка двигателя потребляет только 25% своей мощности на полной скорости. Это уменьшение происходит в соответствии с законами сродства, которые определяют взаимосвязь между различными переменными центробежной нагрузки.

В Соединенных Штатах примерно 60-65% электроэнергии используется для питания двигателей, 75% из которых приходится на вентилятор, насос и компрессор с регулируемым крутящим моментом. Восемнадцать процентов энергии, используемой в 40 миллионах двигателей в США, можно сэкономить с помощью эффективных технологий повышения энергоэффективности, таких как частотно-регулируемые приводы.

Только около 3% от общей установленной базы двигателей переменного тока имеют приводы переменного тока. Однако, по оценкам, приводная техника применяется в 30-40% всех вновь устанавливаемых двигателей.

Распределение энергопотребления по всему миру установок с двигателями переменного тока показано в следующей таблице:

Производительность контроля

Приводы переменного тока используются для улучшения процессов и качества в промышленных и коммерческих приложениях, таких как ускорение, поток, мониторинг, давление, скорость, температура, напряжение и крутящий момент.

Нагрузки с фиксированной скоростью подвергают двигатель воздействию высокого пускового момента и скачков тока, которые до восьми раз превышают ток полной нагрузки. Вместо этого приводы переменного тока постепенно увеличивают скорость двигателя до рабочей, чтобы снизить механические и электрические нагрузки, снизить затраты на техническое обслуживание и ремонт и продлить срок службы двигателя и приводимого в действие оборудования.

Приводы с регулируемой скоростью также могут запускать двигатель по специальным схемам, чтобы дополнительно минимизировать механические и электрические нагрузки. Например, шаблон S-образной кривой может быть применен к приложению конвейера для более плавного управления замедлением и ускорением, что уменьшает люфт, который может возникать при ускорении или замедлении конвейера.

Факторы производительности, благоприятствующие использованию приводов постоянного тока по сравнению с приводами переменного тока, включают такие требования, как непрерывная работа на низкой скорости, четырехквадрантная работа с регенерацией, частые процедуры ускорения и замедления, а также необходимость защиты двигателя во взрывоопасных зонах. В следующей таблице сравниваются приводы переменного и постоянного тока по определенным ключевым параметрам:

^ Высокочастотный впрыск

Типы и номиналы частотно-регулируемых приводов

Общие топологии

Топология накопителя VSI

Топология привода CSI

Формы сигнала шестиступенчатого привода

Топология прямого матричного преобразователя

Приводы переменного тока можно классифицировать по следующим типовым топологиям:

• Топологии привода инвертора с источником напряжения (VSI) (см. Изображение): В приводе VSI выход постоянного тока диодно- мостового преобразователя накапливает энергию в шине конденсатора для подачи жесткого входного напряжения на инвертор. Подавляющее большинство приводов относятся к типу VSI с выходным напряжением ШИМ.
• Топологии привода инвертора с источником тока (CSI) (см. Изображение): В приводе CSI выход постоянного тока мостового преобразователя SCR накапливает энергию в последовательном соединении с индуктором для подачи жесткого токового входа на инвертор. Приводы CSI могут работать как с ШИМ, так и с шестиступенчатым выходным сигналом.
• Топологии шестиступенчатого инверторного привода (см. Изображение): в настоящее время в значительной степени устаревшие шестиступенчатые приводы могут быть либо типа VSI, либо CSI и также называются приводами инвертора с регулируемым напряжением, приводами с амплитудно-импульсной модуляцией (PAM), прямоугольными сигналами. приводы или инверторные приводы постоянного тока. В шестиступенчатом приводе постоянный ток на выходе SCR-мостового преобразователя сглаживается через конденсаторную шину и последовательное соединение реактора для подачи питания через пару Дарлингтона или квазисинусоидальный шестиступенчатый вход напряжения или тока инвертора IGBT на асинхронный двигатель.
• Топологии привода инвертора с коммутацией нагрузки (LCI) : в приводе LCI (особый случай CSI) выход постоянного тока мостового преобразователя SCR накапливает энергию через цепь индуктивности промежуточного контура для обеспечения жесткого квазисинусоидального шестиступенчатого токового выхода секунды. Инвертор SCR-моста и синхронная машина с перегрузкой.
• Топологии циклоконвертера или матричного преобразователя (MC) (см. Изображение): Циклоконверторы и MC - это преобразователи переменного тока в переменный , которые не имеют промежуточного звена постоянного тока для хранения энергии. Циклоконвертер работает как источник трехфазного тока через три встречно-параллельно соединенных моста SCR в шестиимпульсной конфигурации, причем каждая фаза циклоконвертера действует избирательно для преобразования переменного напряжения фиксированной частоты сети в переменное напряжение при переменной частоте нагрузки. Приводы MC основаны на IGBT.
• Вдвойне кормили скольжения система восстановления топологий : A дважды кормили скольжения система восстановления корма выпрямляется мощности скольжения к сглаживающего реактора к источнику питания к сети переменного тока через инвертор, скорость двигателя управляется посредством регулирования постоянного тока.

Платформы управления

Большинство приводов используют одну или несколько из следующих платформ управления:

• Скалярное управление ШИМ В / Гц
• ШИМ -управление по полю (FOC) или векторное управление
• Прямой контроль крутящего момента (DTC).

Момент нагрузки и силовые характеристики

Преобразователи частоты также классифицируются по следующим характеристикам момента нагрузки и мощности:

• Переменный крутящий момент, например, в центробежных вентиляторах, насосах и воздуходувках
• Постоянный крутящий момент, например, в конвейерных и объемных насосах.
• Постоянная мощность, например, в станках и тяговых устройствах.

Доступные номинальные мощности

Доступны частотно-регулируемые приводы с номинальными значениями напряжения и тока, охватывающими широкий спектр однофазных и многофазных двигателей переменного тока. Низковольтные приводы предназначены для работы при выходном напряжении, равном или меньшем 690 В. Хотя низковольтные приводы для электродвигателей доступны с номинальной мощностью до 5 или 6 МВт, по экономическим соображениям, как правило, предпочтение отдается среднему напряжению. (MV) приводы с гораздо более низкой номинальной мощностью. Различные топологии приводов среднего напряжения (см. Таблицу 2) конфигурируются в соответствии с номинальными значениями комбинации напряжения / тока, используемыми в коммутационных устройствах различных контроллеров привода, так что любое заданное номинальное напряжение больше или равно одному из следующих стандартных номинальных значений напряжения двигателя : обычно либо 2+3 / 4 0,16 кВ (60 Гц) или 3+3 / 6 0,6 кВ (50 Гц), с одним тиристорным производителем номинальной для переключения до 12 кВ. В некоторых случаях повышающий трансформатор размещается между приводом низкого напряжения и нагрузкой двигателя среднего напряжения. Приводы среднего напряжения обычно рассчитаны на применение в двигателях мощностью от 375 до 750 кВт (от 503 до 1006 л.с.). Приводы среднего напряжения исторически требовали значительно больше усилий при разработке приложений, чем требуется для приложений приводов низкого напряжения. Номинальная мощность приводов среднего напряжения может достигать 100 МВт (130 000 л.с.), при этом используется ряд различных топологий приводов для различных требований к номинальной мощности, производительности, качеству электроэнергии и надежности.

Диски по машинам и подробные топологии

Наконец, полезно связать VFD с точки зрения следующих двух классификаций:

• Что касается различных машин переменного тока, как показано в Таблице 1 ниже
• С точки зрения различных подробных топологий преобразователей переменного тока в переменный, показанных в таблицах 2 и 3 ниже.

Рекомендации по применению

Гармоники сети переменного тока

Примечание пояснения :.

В то время как гармоники на выходе ШИМ могут быть легко отфильтрованы индуктивностью фильтра, зависящей от несущей частоты, для подачи почти синусоидальных токов на нагрузку двигателя, диодно-мостовой выпрямитель частотно-регулируемого привода преобразует линейное напряжение переменного тока в выходное напряжение постоянного тока за счет наложения нелинейных сигналов. импульсы тока половинной фазы, тем самым создавая гармонические искажения тока и, следовательно, искажения напряжения на входе линии переменного тока. Когда нагрузки частотно-регулируемого привода относительно малы по сравнению с большой жесткой энергосистемой, предоставляемой электроэнергетической компанией , эффекты гармонических искажений частотно-регулируемого привода в сети переменного тока часто могут находиться в приемлемых пределах. Кроме того, в низковольтных сетях гармоники, вызванные однофазным оборудованием, таким как компьютеры и телевизоры, частично подавляются гармониками трехфазного диодного моста, поскольку их 5-я и 7-я гармоники находятся в противофазе. Однако, когда доля частотно-регулируемого привода и другой нелинейной нагрузки по сравнению с общей нагрузкой или нелинейной нагрузки по сравнению с жесткостью источника питания переменного тока или и того, и другого достаточно велика, нагрузка может отрицательно повлиять на Форма волны переменного тока, доступная другим потребителям энергокомпании в той же сети.

Когда напряжение энергокомпании искажается из-за гармоник, потери в других нагрузках, таких как обычные двигатели переменного тока с фиксированной скоростью, увеличиваются. Это может привести к перегреву и сокращению срока службы. Также отрицательно сказываются трансформаторы подстанции и компенсационные конденсаторы. В частности, конденсаторы могут вызывать условия резонанса, которые могут недопустимо увеличивать уровни гармоник. Чтобы ограничить искажение напряжения, от владельцев нагрузки VFD может потребоваться установка фильтрующего оборудования для уменьшения гармонических искажений ниже допустимых пределов. В качестве альтернативы, коммунальное предприятие может принять решение, установив собственное фильтрующее оборудование на подстанциях, на которые влияет большое количество используемого оборудования с частотно-регулируемым приводом. В установках большой мощности гармонические искажения могут быть уменьшены за счет питания многоимпульсных частотно-регулируемых преобразователей с выпрямительным мостом от трансформаторов с несколькими сдвинутыми по фазе обмотками.

Также можно заменить стандартный диодно-мостовой выпрямитель на двунаправленный мост переключающего устройства IGBT, дублирующий стандартный инвертор, который использует выход переключающего устройства IGBT на двигатель. Такие выпрямители имеют различные обозначения, включая активный преобразователь питания (AIC), активный выпрямитель , блок питания IGBT (ISU), активный входной каскад (AFE) или четырехквадрантный режим работы. При ШИМ-управлении и подходящем входном дросселе форма кривой переменного тока в линии AFE может быть почти синусоидальной. AFE по своей сути регенерирует энергию в четырехквадрантном режиме со стороны постоянного тока в сеть переменного тока. Таким образом, тормозной резистор не требуется, и эффективность привода повышается, если привод часто требуется для торможения двигателя.

Два других метода подавления гармоник используют пассивные или активные фильтры, подключенные к общей шине, по крайней мере, с одной ответвленной нагрузкой ЧРП на шине. Пассивные фильтры включают конструкцию одной или нескольких ловушек низкочастотного LC-фильтра, каждая ловушка настраивается в соответствии с требованиями на частоту гармоник (5-я, 7-я, 11-я, 13-я, ... kq +/- 1, где k = целое число, q = количество импульсов преобразователя).

Энергетические компании или их клиенты очень часто устанавливают пределы гармонических искажений на основе стандартов IEC или IEEE . Например, ограничения стандарта IEEE 519 в точке подключения потребителя требуют, чтобы максимальная гармоника напряжения отдельной частоты составляла не более 3% от основной гармоники, а общее гармоническое искажение напряжения (THD) не должно превышать 5% для общая система электропитания переменного тока.

Кратковременное переключение частоты

Один привод использует настройку частоты коммутации по умолчанию 4 кГц. Уменьшение частоты коммутации привода (несущей частоты) снижает тепло, выделяемое IGBT .

Несущая частота, по крайней мере, в десять раз превышающая желаемую выходную частоту, используется для установления интервалов переключения ШИМ. Несущая частота в диапазоне от 2 000 до 16 000 Гц является обычной для частотно-регулируемых приводов LV [низкого напряжения, менее 600 В переменного тока]. Более высокая несущая частота дает лучшее приближение синусоидальной волны, но вызывает более высокие потери переключения в IGBT, снижая общую эффективность преобразования мощности.

Сглаживание шума

Некоторые приводы имеют функцию сглаживания шума, которую можно включить для внесения случайных изменений в частоту переключения. Это распределяет акустический шум по диапазону частот, чтобы снизить пиковую интенсивность шума.

Эффекты с длительным отведением

Импульсное выходное напряжение несущей частоты ЧРП с ШИМ вызывает быстрое нарастание этих импульсов, влияние которых необходимо учитывать в линии передачи. Поскольку импеданс линии передачи кабеля и двигателя различается, импульсы имеют тенденцию отражаться от клемм двигателя в кабель. Возникающие в результате отражения могут вызывать перенапряжения, равные удвоенному напряжению на шине постоянного тока или до 3,1 раз превышающему номинальное линейное напряжение для длинных кабелей, создавая высокие нагрузки на кабель и обмотки двигателя и, в конечном итоге, нарушая изоляцию. Стандарты изоляции для трехфазных двигателей с номинальным напряжением 230 В или менее обеспечивают адекватную защиту от таких длительных перенапряжений. В системах на 460 или 575 В и инверторах с IGBT 3-го поколения с временем нарастания 0,1 микросекунды максимальное рекомендуемое расстояние кабеля между частотно-регулируемым приводом и двигателем составляет около 50 м или 150 футов. Для новых приводов с питанием от SiC MOSFET наблюдались значительные перенапряжения при длине кабеля всего 3 метра. Решения по устранению перенапряжений, вызванных большими длинами проводов, включают минимизацию длины кабеля, снижение несущей частоты, установку фильтров du / dt, использование двигателей с номинальной нагрузкой на инвертор (которые рассчитаны на 600 В, чтобы выдерживать последовательности импульсов со временем нарастания менее или равным 0,1 микросекунды). пиковой амплитудой 1600 В), а также установку синусоидальных фильтров нижних частот LCR. Выбор оптимальной несущей частоты ШИМ для приводов переменного тока включает уравновешивание шума, нагрева, напряжения изоляции двигателя, повреждения подшипников двигателя, вызванного синфазным напряжением, плавной работы двигателя и других факторов. Дополнительное ослабление гармоник может быть получено с помощью синусоидального фильтра нижних частот LCR или фильтра du / dt.

Токи подшипников двигателя

Несущие частоты выше 5 кГц могут вызвать повреждение подшипников, если не будут приняты защитные меры.

Приводы с ШИМ по своей природе связаны с высокочастотными синфазными напряжениями и токами, которые могут вызвать проблемы с подшипниками двигателя. Когда эти высокочастотные напряжения попадают на землю через подшипник, между шариком подшипника и его дорожкой возникает искра при электроэрозионной обработке (EDM). Со временем искрение, вызванное электроэрозионным электродвигателем, вызывает эрозию обоймы подшипника, что можно увидеть как рисунок канавки. В больших двигателях паразитная емкость обмоток создает пути для высокочастотных токов, которые проходят через концы вала двигателя, что приводит к циркулирующему типу тока в подшипниках. Плохое заземление статоров двигателя может привести к возникновению токов между валом и землей в подшипниках. Небольшие двигатели с плохо заземленным приводным оборудованием чувствительны к высокочастотным токам в подшипниках.

Для предотвращения повреждения высокочастотных токов подшипников используются три подхода: надлежащая прокладка кабелей и заземление, прерывание токов в подшипниках и фильтрация или демпфирование синфазных токов, например, с помощью магнитомягких сердечников, так называемых индуктивных поглотителей. Надлежащие методы прокладки кабелей и заземления могут включать использование экранированного силового кабеля симметричной геометрии для питания двигателя, установку щеток заземления вала и токопроводящей смазки для подшипников. Подшипниковые токи могут быть прерваны путем установки изолированных подшипников и специально разработанных асинхронных двигателей с электростатическим экраном. Фильтрация и демпфирование высокочастотных подшипников могут быть выполнены путем введения мягких магнитных сердечников по трем фазам, обеспечивающих высокочастотный импеданс по отношению к синфазным токам или токам подшипников двигателя. Другой подход - использовать вместо стандартных двухуровневых инверторных приводов либо трехуровневые инверторные приводы, либо матричные преобразователи.

Поскольку высокочастотные всплески тока в кабелях двигателей с питанием от инвертора могут создавать помехи для других кабелей на объектах, такие кабели двигателей с питанием от инвертора должны иметь не только экранированную конструкцию с симметричной геометрией, но и прокладывать их на расстоянии не менее 50 см от сигнальных кабелей. .

Динамическое торможение

Крутящий момент, создаваемый приводом, заставляет асинхронный двигатель работать с синхронной скоростью за вычетом скольжения. Если нагрузка приводит в движение двигатель быстрее, чем синхронная скорость, двигатель действует как генератор , преобразуя механическую энергию обратно в электрическую. Эта мощность возвращается в элемент промежуточного контура привода (конденсатор или реактор). Электронный выключатель питания, подключенный к промежуточному контуру, или тормозной прерыватель постоянного тока контролирует рассеивание этой мощности в виде тепла в наборе резисторов. Для предотвращения перегрева резистора можно использовать охлаждающие вентиляторы.

Динамическое торможение расходует энергию торможения, превращая ее в тепло. Напротив, рекуперативные приводы рекуперируют энергию торможения, подавая эту энергию в линию переменного тока. Однако капитальные затраты на рекуперативные приводы относительно высоки.

Регенеративные двигатели

Линейные регенеративные преобразователи частоты с подключенными конденсаторами (верхние цилиндры) и индукторами, которые фильтруют регенерированную мощность.

Упрощенная схема привода для популярного сверхвысокого напряжения

Рекуперативные приводы переменного тока обладают способностью восстанавливать энергию торможения нагрузки, движущейся со скоростью, превышающей заданную скорость двигателя ( ремонтная нагрузка), и возвращать ее в энергосистему.

Циклоконвертеры, приводы Шербиуса, матрицы, CSI и LCI по своей сути позволяют возвращать энергию от нагрузки в линию, в то время как инверторам с источником напряжения требуется дополнительный преобразователь для возврата энергии к источнику питания.

Регенерация полезна для частотно-регулируемых приводов только там, где значение рекуперированной энергии велико по сравнению с дополнительными затратами на рекуперативную систему, и если система требует частого торможения и запуска. Регенеративные частотно-регулируемые приводы широко используются там, где требуется регулирование скорости ремонтных нагрузок.

Некоторые примеры:

• Приводы конвейерных лент для производства, которые останавливаются каждые несколько минут. Пока остановился, детали собраны правильно; как только это будет сделано, ремень продвинется.
• Кран, где двигатель подъемника часто останавливается и реверсирует, и требуется торможение для замедления груза во время опускания.
• Подключаемые и гибридные электромобили всех типов (см. Изображение и Hybrid Synergy Drive ).

Исторические системы

До того, как стали доступны твердотельные устройства, в частотно-регулируемых приводах использовались вращающиеся машины, и компания General Electric получила на них несколько патентов в начале 20 века. Одним из примеров является патент США 0,949,320 от 1910 г., в котором говорится: «Такой генератор находит полезное применение в подаче тока на асинхронные двигатели для приведения в движение автомобилей, локомотивов или других механизмов, которые должны приводиться в движение с регулируемой скоростью». Другой - британский патент 7061 от 1911 г. , выданный Brown, Boveri & Cie ., Ныне известным как ABB .

Смотрите также

Примечания

использованная литература