CC BY
170
Исследование преобразователей частоты. Основные сведения
Иванов В. О.
Иванов Вадим Олегович / Ivanov Vadim Olegovich - студент, кафедра систем автоматического управления и контроля, факультет интеллектуальных технических систем,
Национальный исследовательский университет Московский институт электронной техники, г. Зеленоград
Аннотация: в статье рассматривается современное устройство преобразователей частоты, виды и недостатки их использования в промышленных целях, особые экономические эффекты использования частотных преобразователей и виды управления этими устройствами.
Ключевые слова: частотный преобразователь, векторный алгоритм, частотный алгоритм, транзисторы, тиристоры, фильтры.
Частотный преобразователь — это устройство, состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный и инвертора (преобразователя), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты и амплитуды.
Выходные тиристоры GTO - запираемые тиристоры, полностью управляемые полупроводниковые приборы, в основе которых классическая четырёхслойная структура, они включают и выключают его подачей положительного и отрицательного импульсов тока на электрод управления.
Транзисторы IGBT - биполярные транзисторы с изолированным затвором (их входные характеристики подобны входным характеристикам полевого транзистора, а выходные - выходным характеристикам биполярного) обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя.
Для улучшения формы выходного напряжения между преобразователем и двигателем иногда ставят дроссель, а для уменьшения электромагнитных помех — EMC-фильтр [1].
Особый экономический эффект от использования ЧП дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. Самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, альтернативой может стать частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора, в нашем случае дверей Метрополитена.
Назначение ЧП - регулирование скорости вращения асинхронного электродвигателя частотным преобразователем производится путем изменения частоты и величины напряжения питания двигателя. КПД такого преобразования составляет около 98 %, из сети потребляется практически только активная составляющая тока нагрузки, микропроцессорная система управления обеспечивает высокое качество управления электродвигателем и контролирует множество его параметров, предотвращая возможность развития аварийных ситуаций.
Управление частотным преобразователем
Для управления частотными преобразователями используются следующие алгоритмы управления:
- Частотный алгоритм управления рекомендуется применять в случаях, когда зависимость момента нагрузки двигателя известна, и нагрузка практически не меняется при одном и том же значении частоты, а также нижняя граница регулирования частоты не ниже 5...10 Гц при независимом от частоты моменте. При работе на центробежный насос или вентилятор (это типичные нагрузки с моментом, зависящим от скорости вращения) диапазон регулирования частоты - от 5 до 50 Гц и выше. При работе с двумя и более двигателями.
- Частотный алгоритм управления с обратной связью по скорости рекомендуется применять для прецизионного регулирования (необходимо использовать инкрементальный энкодер) с известной зависимостью момента от скорости вращения.
- Векторный алгоритм управления - этот алгоритм рекомендуется применять для случаев, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте. То есть, нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения. Кроме того, этот алгоритм эффективен, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах, например, 0.50 Гц для момента 100 % или даже кратковременно 150-200 % от номинального момента. Векторный метод управления частотным преобразователем реализуется путем сложных расчетов в реальном времени, производимых процессором преобразователя на основе информации о выходном токе, частоте и напряжении. Процессором используется также информация о паспортных характеристиках двигателя, которые вводит пользователь. Время реакции преобразователя на изменение выходного тока (момента нагрузки) составляет 50.200 мсек. Векторный метод позволяет минимизировать реактивный ток двигателя при уменьшении нагрузки путем адекватного снижения напряжения на двигателе. Если нагрузка на валу двигателя увеличивается, то преобразователь адекватно увеличивает напряжение на двигателе.
- Векторный алгоритм управления с обратной связью по скорости рекомендуется применять для прецизионного регулирования (необходимо использовать инкрементальный энкодер) скорости, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т. е. нет четкой зависимости
между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходим максимальный диапазон регулирования частоты [2].
Преимущества использования ЧП
Можно выделить следующие преимущества регулирования частотным преобразователем:
В первую очередь - экономичность — в том случае, если двигатель, управляемый ЧП, используется в регулирующих режимах на мощностях, меньших от максимальной.
Достаточно высокая точность регулирования (особенно для векторного принципа).
Повышения ресурса мотора - за счет контроля пусковых токов, момента на валу, тепловой защиты, обрыва фазы и т. д.
Удаленная диагностика и управление приводом по промышленной сети.
Автономный контур регулирования - ЧП имеют функцию встроенного ПИД-регулятора.
Недостатки регулирования ЧП
Данный тип устройств - источник электромагнитных помех. На самом деле выходная частота преобразователя в 400 Гц не имеет ничего общего с гармониками высших порядков по току, которые достигают частоты в десятки килогерц.
Существенное увеличение стоимости с мощностью.
Выбор частотного преобразователя выполняется по току. Он должен превышать (для асинхронного двигателя — существенно) максимальный ток привода.
Для подключения частотного преобразователя к мотору необходимо применять экранированный кабель как можно меньшей длины. При этом на фазу ЧП вешать питание; кроме того следует учитывать фазность при подключении питания и двигателя.
Корпуса одно и трехфазных приводов ничем не отличаются, и на них всех стоит универсальная маркировка для подключения одной или трёх фаз. Если к трёхфазному устройству подключить фазу и нейтраль 230V, то он просто не включится. Если же сделать наоборот и подключить три фазы к однофазному приводу - придется, как минимум, поменять предохранитель.
Если трёхфазный двигатель работает в комплекте с однофазным ЧП, стоит учитывать тот факт, что выходное напряжение - 3х230V, поэтому обмотки двигателя следует обязательно подключить по схеме «треугольник».
При этом на фазу частотника вешать питание контрольного оборудования крайне нежелательно. Также рекомендуется прокладывать контрольные линии как можно дальше от силовых линий частотного преобразователя.
Литература
1. Лурье Б., Энрайт П. Д. Классические методы автоматического управления: Изд-во БХВ-Петербург, 2004 г., 628 стр.
2. Дунаев В. Косилов А. Автоматизированное проектирование систем управления: Изд-во Машиностроение, 1989 г., 344 стр.
