ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯМИ

Практически невозможно представить себе современную жизнь без электропривода. Миллионы электродвигателей в буквальном смысле оживляют и приводят в движение бесконечное число машин и механизмов современного производства. При этом задача управления электроприводом состоит не только в осуществлении пуска/останова, в изменении направления вращения, но и в регулировании скорости вращения или связанной с ней производительности электропривода.

Для регулирования скорости вращения двигателей широко используются три основных типа устройств: механические вариаторы, гидравлические и электромагнитные муфты скольжения и электронные регуляторы. Основным недостатком первых двух типов устройств является наличие механически изнашиваемых элементов, которые затрудняют эксплуатацию и обслуживание приводов, особенно в загрязненных и взрывоопасных средах, а также необходимость компоновки регулирующего устройства в один агрегат вместе с двигателем и нагрузкой. Электронные регуляторы свободны от этих недостатков и поэтому находят все более широкое применение.

Электропривод включает в себя электрический двигатель, преобразователь электрической энергии и систему управления. В промышленности и быту применяются двигатели переменного и постоянного тока. Исторически сложилось, что для регулирования скорости вращения чаще использовали двигатели постоянного тока. Преобразователь в данном случае регулировал только уровень напряжения питания двигателя, был прост и дешев. Однако двигатели постоянного тока имеют сложную конструкцию, критичный в эксплуатации щеточный аппарат и сравнительно дорогие. Асинхронные двигатели широко распространены, надежны, имеют относительно невысокую стоимость, хорошие эксплуатационные качества. Регулировка  скорости их вращения осуществляется за счет изменения частоты питающего напряжения. Системы электронного регулирования частоты питающего напряжения долгое время стоили дорого и были весь не надежны. Однако благодаря развитию электроники появились полупроводниковые преобразователи частоты, обладающие качествами, необходимыми для широкого внедрения в индустрию, стало возможным регулирование скорости вращения асинхронных двигателей в широких масштабах.

Существует два основных типа преобразователей частоты: с непосредственной связью и с промежуточным контуром постоянного тока. В первом случае выходное напряжение синусоидальной формы формируется из участков синусоид преобразуемого входного напряжения. При этом максимальное значение выходной частоты принципиально не может быть выше частоты питающей сети. Частота на выходе преобразователя этого типа обычно лежит в диапазоне от 0 до 25 - 33 Гц. Наибольшее распространение получили преобразователи частоты с промежуточным контуром постоянного тока, выполненные на базе инверторов напряжения. Структурная схема такого преобразователя приведена на рис. 2.51.

Переменное напряжение сети преобразуется с помощью диодного выпрямителя, а затем сглаживается в промежуточной цепи индуктивно-емкостным фильтром. И, наконец, осуществляет обратное преобразование из постоянного тока в переменный, обеспечивая формирование выходного сигнала с необходимыми значениями напряжения и частоты. Выходной каскад инвертора обычно выполняется на основе IGBT-модулей (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor – биполярный транзистор с изолированным затвором, рассчитанный на токи до нескольких килоампер, напряжение до нескольких киловольт и имеющий частоту коммутации 30 кГц и выше).

Р и с. 2.51. Структурная схема преобразователя частоты с промежуточным контуром постоянного тока

Наиболее часто в инверторах применяется метод высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В этом случае выходной сигнал преобразователя представляет собой последовательность импульсов напряжения постоянной амплитуды и изменяющейся длительности, которая на индуктивной нагрузке, каковой является обмотка статора, формирует токи синусоидальной формы (рис. 2.52). Возможный диапазон регулирования частоты – от 0 до нескольких тысяч герц.

Р и с. 2.52. Выходной сигнал преобразователя частоты

Требования к электроприводу определяются диапазоном требуемых скоростей и типом нагрузки. Зависимость между скоростью вращения и моментом сопротивления неодинакова для нагрузок разного типа (рис. 2.53).

Многие нагрузки могут рассматриваться как имеющие постоянный момент во всем диапазоне изменения скорости. К ним относятся, например, конвейеры, компрессоры и поршневые насосы.

Некоторые виды нагрузки имеют переменную механическую характеристику, для которой момент нагрузки возрастает с увеличением скорости вращения. Типичным примером устройств с такой нагрузкой являются центробежные насосы и вентиляторы, чья механическая характеристика описывается уравнением квадратичной параболы, а значит, потребляемая мощность пропорциональна кубу скорости вращения. Из этого следует, что даже небольшое снижение скорости электропривода может дать значительный выигрыш в мощности – вот почему экономия электроэнергии является главным преимуществом использования управляемого электропривода для насосов и вентиляторов. Теоретически снижение скорости на 10% дает тридцатипроцентную экономию потребляемой мощности.

Есть класс устройств (экструдеры, промышленные миксеры), у которых механическая характеристика близка к характеристике насосов и вентиляторов. Но особенность нагрузок такого типа состоит в наличии высокого пускового момента, который с увеличением скорости снижается, а затем, начиная с некоторого значения, характеристика становится квадратичной.

Рис. 2.53. Механические характеристики типичных нагрузок

Кроме того, существует и большое число нагрузок с совершенно уникальными механическими характеристиками.

Таким образом, выбору электродвигателя и преобразователя частоты должен предшествовать этап анализа характера нагрузки и ее механической характеристики. В зависимости от характера нагрузки преобразователь частоты должен обеспечивать различные режимы управления электродвигателем, реализуя ту или иную зависимость между скоростью вращения электродвигателя и выходным напряжением.

Режим с линейной зависимостью между напряжением и частотой (U/f = const) реализуется простейшими преобразователями частоты для обеспечения постоянного момента нагрузки и используется для управления синхронными двигателями или двигателями, подключенными параллельно. Вместе с тем при уменьшении частоты, начиная с некоторого значения, максимальный момент двигателя начинает падать. Для повышения момента на низких частотах в преобразователях предусматривается функция повышения начального значения выходного напряжения, которая используется для компенсации падения момента для нагрузок с постоянным моментом или увеличения начального момента для нагрузок с высоким пусковым моментом, таких, например, как промышленный миксер. Для регулирования электроприводов насосов и вентиляторов используется квадратичная зависимость напряжение/частота   (U/f² = const). Этот режим, так же как и предыдущий, можно использовать для управления параллельно подключенными двигателями.

Перечисленные режимы управления достаточны для большинства применений. Вместе с тем для повышения качества управления приводом требуется использование других, более совершенных методов управления. К ним относятся метод управления потокосцеплением (Flux Current Control – FCC) и метод бессенсорного векторного управления (Sensorless Vector Control – SVC). Оба метода базируются на использовании адаптивной модели электродвигателя, которая строится с помощью специализированного вычислительного устройства, входящего в состав системы управления преобразователя.

Важной функцией преобразователя является обеспечения заданного режима останова. Самый простой способ останова – выбег электродвигателя. Двигатель отключается от питающей сети и останавливается по инерции. При этом время до полного останова не регулируется и определяется инерционными свойствами двигателя и его нагрузки.

Регулируемое время торможения обеспечивает генераторный способ, заключающийся в том, что преобразователь с необходимой скоростью уменьшает выходную частоту до требуемого значения. При этом двигатель превращается в генератор, преобразуя кинетическую энергию вращения в электрическую. В зависимости от типа выпрямляющего устройства энергия возвращается в первичную сеть либо накапливается в контуре постоянного тока преобразователя частоты. Во втором случае и в случае нагрузки с большим моментом инерции для рассеивания энергии может потребоваться применение внешнего тормозного сопротивления, подключение которого при возникновении опасного перенапряжения в промежуточном контуре преобразователя осуществляет специальная контролирующая схема. Таким образом, преимуществом генераторного торможения является предсказуемое время и плавность останова, высокий тормозной момент. Недостаток же заключается в том, что энергия выделяется в преобразователе, и в случае быстрого останова или большого момента инерции нагрузки для избежания перегрева встроенного резистора контура постоянного тока преобразователя необходимо использование внешнего сопротивления.

Для того чтобы осуществить торможение постоянным током, или, иными словами, динамическое торможение, с обмотки статора двигателя снимают переменное напряжение и на одну или две фазы подают постоянное напряжение. При этом магнитное поле будет вызывать вначале замедление, а затем и удержание ротора в неподвижном состоянии. Преимуществом динамического торможения является выделение электрической энергии в роторе двигателя, что делает ненужным использование тормозного сопротивления, и плавный останов. Но поскольку выходная частота преобразователем не контролируется, то время торможения становится величиной неопределенной. Эффективность торможения в этом случае по сравнению с генераторным методом составляет 30-40%.

При комбинированном способе торможения используется комбинация двух описанных способов, то есть на переменную составляющую выходного напряжения преобразователя накладывается постоянная составляющая. Этот способ торможения сочетает в себе преимущества обоих электрических способов торможения и позволяет эффективно тормозить электродвигатель за короткое время без выделения тепла в преобразователе.

Как всегда детальное ознакомление с характеристиками современных преобразователей, с подходами и возможностями их использования будем проводить на примере выпускаемых в настоящее время устройств.

Широчайшую гамму двигателей постоянного и переменного тока и устройств управления для них производит фирма Siemens. Постоянно развивая это направление и разрабатывая новые изделия, фирма Siemens предлагает несколько серий преобразователей частоты для частотно-регулируемых приводов, отличающихся диапазоном мощностей, возможностями системы управления и конструктивным исполнением.

Преобразователи частоты серии MICROMASTER применяются для изменения и регулирования скорости вращения низковольтных двигателей переменного тока с постоянным или квадратичным моментом нагрузки. Существуют различные модели – от компактного однофазного MICROMASTER мощностью 120 Вт до MICRO-MASTER с трехфазным входом мощностью 7,5 кВт.

Отличительными особенностями преобразователей этих серий являются:

·  совместимость со всеми типами асинхронных и синхронных двигателей российского и зарубежного производства;

· высокая перегрузочная способность;

· встроенный ПИД-регулятор (ПИ-регулятор для серии MICROMASTER);

· возможность динамического торможения;

· программируемое время разгона/торможения с регулируемой плавностью;

· функция быстрого ограничения тока для надежной и безопасной работы;

· тихая работа двигателя за счет частоты модуляции преобразователя в сверхзвуковом диапазоне;

· тепловая и электрическая защита преобразователя частоты и двигателя;

· возможность подключения к промышленной шине PROFIBUS-DP (12Мбод).

Преобразователи серии MICRO/MIDIMASTER Vector отличаются наличием режима векторного управления, что позволяет использовать их в составе приводов для процессов с повышенными требованиями к динамике и повышенными требованиями к стартовому моменту и перегрузке, например, для лифтов, упаковочных машин и т.п. Кроме того, эти преобразователи совместно с асинхронными двигателями во многих случаях позволяют заменить более дорогой привод постоянного тока. Диапазон мощностей от 120 Вт до 75 кВт (95 кВт для квадратичной нагрузки).

На рис. 2.54 показан внешний вид, а в таблице 2.17 представлены основные технические параметры преобразователей серии MICROMASTER и MICRO/MIDIMASTER Vector.

Р и с. 2.54. Преобразователи серии MICROMASTER и MICRO/MIDIMASTER Vector

Т а б л и ц а 2.17.