Структура частотного преобразователя

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Структура частотного преобразователя

Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.

Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.

Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.

В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями.

2. Принцип работы преобразователя частоты

Преобразователь частоты состоит из неуправляемого диодного силового выпрямителя В, автономного инвертора , системы управления ШИМ, системы автоматического регулирования, дросселя Lв и конденсатора фильтра Cв (рис.2). Регулирование выходной частоты fвых. и напряжения Uвых осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления.

Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя.

Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи.

Таким образом, форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов (рис. 3). Частота импульсов определяется частотой ШИМ, длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН промодули-рована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока (тока в обмотках асинхронного электродвигателя) практически синусоидальна.

Регулирование выходного напряжения инвертора можно осуществить двумя способами: амплитудным (АР) за счет изменения входного напряжения Uв и широтно-импульсным (ШИМ) за счет изменения программы переключения вентилей V1-V6 при Uв = const.

Второй способ получил распространение в современных преобразователях частоты благодаря развитию современной элементной базы (микропроцессоры, IBGT-транзисторы). При широтно-импульсной модуляции форма токов в обмотках статора асинхронного двигателя получается близкой к синусоидальной благодаря фильтрующим свойствам самих обмоток.

Такое управление позволяет получить высокий КПД преобразователя и эквивалентно аналоговому управлению с помощью частоты и амплитуды напряжения.

Современные инверторы выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов - запираемых GTO - тиристоров, либо биполярных IGBT-транзисторов с изолированным затвором. На рис. 2.45 представлена 3-х фазная мостовая схема автономного инвертора на IGBT-транзисторах.

Она состоит из входного емкостного фильтра Cф и шести IGBT-транзисторов V1-V6 включенными встречно-параллельно диодами обратного тока D1-D6.

За счет поочередного переключения вентилей V1-V6 по алгоритму, заданному системой управления, постоянное входной напряжение Uв преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение. Через управляемые ключи V1-V6 протекает активная составляющая тока асинхронного электродвигателя, через диоды D1-D6 - реактивная составляющая тока.

И - трехфазный мостовой инвертор;

В - трехфазный мостовой выпрямитель;

Сф - конденсатор фильтра;

Частотные преобразователи: критерии выбора

Преобразователи частоты активно завоевывают рынок, поэтому сейчас крайне актуально "повышение квалификации" инженерно-технического персонала. Автор статьи не ставит перед собой цель изложить тему полностью, однако постарается помочь разработчикам машиностроительного оборудования лучше сориентироваться в вопросах выбора и применения преобразователей в повседневной практике.

Зачем это нужно?

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором на сегодняшний день является одним из самых дешевых и надежных и поэтому активно применяется в промышленности. Однако нет в мире ничего идеального, и этот двигатель - не исключение. Недостатков у него два. Во-первых, не удается простым способом регулировать скорость двигателя и, как следствие, производительность механизма. Проблема, конечно, решается: в насосах применяются задвижки, ограничивающие поток жидкости, в вентиляторах - шибера и заслонки, в промышленных механизмах - разного рода редукторы. Однако все эти варианты имеют свои минусы: одни неэкономичны, другие ненадежны, третьи обеспечивают лишь конечный набор скоростей и необходимость остановки механизма для переключения и т.д. Вторая проблема - очень большой пусковой ток (в 5-7 раз превышающий номинальный) и момент, приводящий к ударным механическим нагрузкам при пуске. Соответственно необходимо использование более устойчивой коммутационной аппаратуры и применение тех или иных демпфирующих устройств.

В результате многолетних попыток решить эти проблемы родился прибор, оптимальный по своим функциям и обеспечивающий возможность плавного запуска и непрерывного регулирования скорости электронным способом, по определению являющимся более надежным, чем механический. Прибор более надежным, чем механический. Прибор этот получил название преобразователь частоты.

Что это дает?

Рассмотрим применения частотных преобразователей по степени популярности:

Насосы. Потребляемая насосом мощность пропорциональна кубу скорости вращения, поэтому использование частотного преобразователя дает экономию электроэнергии до 30% и даже больше по сравнению со способом регулирования мощности заслонками на трубе. Эта экономия позволяет окупить частотный преобразователь примерно за год. Попутно решается проблема гидравлических ударов: при работе преобразователя частоты пуск и останов насоса происходят плавно. Современные преобразователи ведущих фирм имеют систему управления, позволяющую управлять группой насосов, то есть практически построить насосную станцию без привлечения дополнительного контроллера.

Вентиляторы. Все, что было сказано для насосов, относится и к вентиляторам. Экономия электроэнергии здесь обычно еще больше, поскольку для обеспечения прямого пуска тяжелых вентиляторов часто применяются двигатели повышенной мощности. При проектировании новых установок можно использовать с преобразователем двигатель м двигатель меньшей мощности, а при модернизации существующих установок дополнительная экономия получается за счет снижения потерь холостого хода.

Транспортеры. Здесь регулирование позволяет адаптировать скорость перемещения к скорости всего технологического процесса, которая в общем случае не является постоянной. Плавный пуск резко увеличивает ресурс механизмов за счет отсутствия ударных нагрузок в процессе выбора люфтов в момент пуска.

Как это работает?

Взгляните на рисунок 1: переменное напряжение сети выпрямляется, сглаживается конденсаторами, а затем из полученного постоянного напряжения выходной генератор формирует напряжение необходимой частоты и амплитуды.

Формирование это схематически показано на рис. 2 и происходит довольно забавно: по существу генератор просто открывает и закрывает нужные выходные ключи, формируя последовательность импульсов различной ширины; результат отнюдь не похож на синусоиду. Однако в работе участвует и двигатель, индуктивность которого приводит к сглаживанию кривой тока, который оказывается пропорциональным среднему значению напряжения (собственно, поэтому от преобразователя частоты без специальных мер нельзя питать другие нагрузки).

По такой силовой схеме собрано подавляющее большинство представленных на рынке преобразователей частоты. Все отличия кроются в функциях системы управления, которые можно разделить на три группы:

· управление силовыми ключами выходного генератора;

· обеспечение защиты двигателя, сети и самого преобразователя частоты;

· система обмена информацией с внешним миром.

3. Критерии выбора

Раз уж мы заговорили о рынке, то нужно понимать, что задача каждого производителя - продать свое детище. Поэтому из имеющегося набора возможностей он включает в свой прибор только те, за которые, по его мнению, пользователь готов заплатить. Еще некоторое количество функций можно реализовать в виде опций, которые можно добавить при заказе. Здесь появляется первый компромисс: чем больше функций имеется в базовой версии, тем дешевле стоит каждая из них, но тем дороже весь прибор. И наоборот, чем больше функций предлагается в виде опций, тем дешевле базовая версия, но тем дороже каждая возможность и ниже надежность прибора в целом (сказывается наличие разъемов, проводов, усложнение охлаждения и т.п.). Кроме того, количество одновременно подключаемых опций также ограничено. Поэтому стоит выбрать тот прибор, который большинство нужных функций имеет в базовом варианте, а одну-две опции можно заказать дополнительно.

В конце статьи приведена таблица, в которую сведены основные параметры преобразователей частоты, представленных на российском рынке.

Итак, на что стоит обратить внимание при выборе? Как говорится, вот с этого места поподробнее… Во-первых, оговоримся, что выбирать мы будем только из технических соображений; стоит выбрать несколько моделей, отвечающих техническим требованиям, а уже потом из них выбирать ту, что соответствует другим критериям: цене, надежности, срокам поставки, уровню сервиса и т.д.

Сначала следует отбросить те линейки преобразователей, которые явно не подходят, например, из-за отсутствия моделей нужной мощности, из-за открытого исполнения, предназначенного для встраивания, и т.п.

По типу механизма нужно определить способ управления - скалярное или векторное. Большинство современных преобразователей реализуют тот или иной вариант векторного управления двигателем (раздельное управление векторными переменными двигателя - подробнее см. соответствующую литературу); при необходимости эти преобразователи могут работать и в более простом скалярном режиме (поддержание постоянного отношения выходного напряжения к выходной частоте). Этот режим вполне достаточен для несложных приводов - насосов, вентиляторов, конвейеров, транспортеров и т.п., а его преимуществом является возможность управлять более мощными двигателями при использовании тех же силовых элементов.

Нужно отметить, что на рынке почти не осталось моделей, не имеющих векторного управления, поэтому большое значение наличию «ненужного» векторного управления придавать не стоит - его можно будет просто отключить.

Мощностной ряд. Если требуемое количество преобразователей определено, то желательно, чтобы в ряду были модели всех нужных мощностей - так проще обеспечить унификацию в самом широком смысле этого слова - от запчастей и опциональных компонентов до упрощения жизни обслуживающего персонала. Если же процесс перехода на регулируемый привод видимых ограничений не имеет, то желательно выбрать ряд с наиболее широким диапазоном мощностей - соображения те же. преобразователь асинхронный двигатель электротехнический

Входное напряжение. Этот параметр определяет, при каком напряжении в сети преобразователь частоты сохраняет работоспособность. Узнайте, какое напряжение может быть в питающей сети (именно какое может быть, а не какое должно быть), и постарайтесь, чтобы преобразователь его пережил. Причем если пониженное напряжение приведет просто к остановке (а у хороших моделей - только к пропорциональному снижению скорости), то увеличение напряжения выше допустимого может привести к выходу прибора из строя.

Диапазон регулирования частоты. Верхний предел важен при использовании двигателей с высокими номинальными частотами 200…1000 Гц.

Обычно это механизмы с очень большими скоростями - шлифовальные машины, центрифуги и т.п.

Убедитесь, что преобразователь может дать ту частоту, на которую рассчитаны двигатель и механизм.

Нижний предел определяет диапазон регулирования скорости; если большой диапазон (больше 1:10) Вам не нужен, то и не обращайте на это внимания. А если нужен, то даже заявленный диапазон частот от 0 Гц не гарантирует устойчивую работу, и этот вопрос нужно прояснять с производителем особо. Кстати, в этом случае, скорее всего, потребуется векторное управление.

Количество входов управления. Дискретные входы нужны для ввода различных команд (пуск, стоп, выбор фиксированной скорости, реверс, аварийное торможение, изменение задания и т.п. - входы обычно программируются пользователем), аналоговые - для ввода сигналов задания и обратной связи (обычно 0-10В или 4-20мА). Цифровые (не путать с дискретными!) входы нужны для ввода высокочастотных сигналов от энкодеров (цифровых датчиков скорости и положения). Большое количество входов нужно тогда, когда планируется построение сложной системы управления со множеством управляющих сигналов. Сказать заранее хватит входов или не хватит сложно, поэтому чем больше входов, тем лучше, но отвергать модель только из-за малого количества входов не стоит.

Количество выходных сигналов. Дискретные выходы также используются для построения сложных систем (например, уже упоминавшихся насосных станций) и для вывода сигналов о различных событиях, а аналоговые - для питания показывающих приборов и опять же для построения систем управления. Рекомендации по выбору - те же, что и для входов.

Управление. Речь в данном случае идет об оперативном управлении, то есть о том, как будет осуществляться управление приводом в рабочем режиме. Может осуществляться через входы управления (см. выше), со встроенного или выносного пульта, а также по шине последовательной связи (от контроллера или компьютера). Часто допустимо комбинированное или переключаемое управление. Выбирайте то, чем будете пользоваться.

Срок гарантии. Косвенно позволяет судить о надежности техники, особенно импортной, поскольку организация сервисной службы в России - дело хлопотное и дорогое. Правда, по опыту автора, в России подавляющее количество выходов преобразователей частоты из строя происходит либо из-за некачественного электроснабжения, либо из-за пресловутого «человеческого фактора»; понятно, что эти случаи под гарантию не подпадают. Тем не менее, более длинный срок гарантии греет душу…

Если нет каких-либо специальных требований, то на этом выбор серии можно считать за-конченным. Теперь нужно выбрать конкретную модель в линейке. Будем исходить из того, что двигатель уже выбран (чаще он уже и установлен). В первом приближении преобразователь подбирается по мощности двигателя: мощность преобразователя должна быть равна или больше мощности ?двигателя. На этом большинство проектировщиков и, к сожалению, большинство поставщиков и останавливаются, поскольку здесь особо думать не надо, и подобрать прибор по единственному параметру сможет каждый. Но не исключены досадные ошибки, приводящие либо к невозможности реализации нужных алгоритмов работы, либо к периодическим ?отказам, либо даже к выходу прибора из строя. Поэтому рассмотрим второе приближение - выбор по токовым характеристикам. Во-первых, номинальный ток преобразователя должен быть больше или равен номинальному току двигателя.

Не измеренному, а именно номинальному, указанному в паспорте или на шильдике! Большинство двигателей приводит в действие насосы и вентиляторы, и для этих применений на этом можно и остановиться, поскольку перегрузки этих приводов минимальны.

Для других приводов пойдем дальше: учтем уровень перегрузок. Преобразователь частоты должен допускать токи перегрузок, допустимые для двигателя и механизма. Здесь уже придется почитать документацию. В описании механизма обычно указываются токи перегрузок и длительность их протекания; если этого нет (плохая документация или ее отсутствие), то можно честно померить ток во всех режимах работы механизма (кроме пуска, здесь разговор особый и выходящий за рамки этой статьи; к счастью, на выбор преобразователя этот режим влияет очень редко). Если уж совсем лень, то по таблицам применений, предоставляемым серьезными поставщиками, можно подобрать аналогичный механизм и узнать его уровень перегрузок. В данных на преобразователь обычно указывается максимальный ток, который может дать преобразователь в течение 1-2 минут. Этот ток должен превышать ток перегрузок механизма, а допустимое время его протекания - время действия перегрузок.

Если для проектируемого привода возможны ударные нагрузки, то необходимо подобрать преобразователь еще и по пиковому току. Преобразователь частоты должен допускать токи пиковых нагрузок, допустимые для двигателя и механизма.

Пиковые нагрузки - это нагрузки, действующие в течение 2-3 секунд, например, ток привода ковша экскаватора, попавшего на камень. Если этот режим не учесть, то привод в этот момент просто остановится - двигатель мог бы справиться с препятствием, но ему для этого буквально на мгновение нужен очень большой ток, а преобразователь его дать не может. Обидно! Сложность выбора заключается еще и в том, что не все преобразователи частоты могут реализовать короткие броски тока выше максимального значения, а если и могут, то не все производители указывают этот параметр. В этом случае необходимо выбирать преобразователь, максимальный ток которого превосходит пиковый ток нагрузки.

Внимание! При выборе преобразователя по токовым характеристикам нужно, чтобы он отвечал всем трем требованиям, а вот мощностными характеристиками можно и пренебречь.

Это далеко не полный перечень функций и характеристик, их сотни (это не шутка!). Однако формат журнальной статьи не позволяет рассмотреть их все. Последний совет, который автор хотел бы дать потенциальному пользователю преобразователя частоты: обратите внимание на сервис!

Технические консультации по «горячей линии», пуско-наладка, обучение персонала, условия, срок и место возможного ремонта и т.д. Если с Вами не хотят обсуждать Ваши проблемы до продажи, то после получения Ваших денег вы рискуете остаться один на один с головной болью, преобразователем частоты и большим количеством желающих Вам помочь… опять за деньги.

Светлое будущее.

Прогнозы, как известно, дело неблагодарное, но все же попытаемся заглянуть в завтрашний день преобразователей частоты.

Во внутреннем устройстве преобразователей основные усилия разработчиков направлены на обеспечение «неубиваемости» приборов, минимизации их влияния на питающую сеть и окружающее оборудование, повышение линейности выходных параметров и создание систем, способных по быстродействию заменить привод постоянного тока.

С точки зрения пользователя, намечается разделение преобразователей частоты на две группы: в первую будут входить приборы, ориентированные на пользователя дилетанта и имеющие минимум пользовательских настроек и максимум автоматических, а во вторую - приборы, имеющие максимальное количество настроек и возможностей и рассчитанные на применение специалистами, способными все эти возможности использовать.

4. Частотный преобразователь - эффективный способ экономии

Частотный преобразователь (или частотно-регулируемый электропривод) - это статическое преобразовательное устройство, предназначенное для изменения скорости вращения асинхронных электродвигателей переменного тока.

Асинхронные электродвигатели просты по своей конструкции и удобны в обслуживании, поэтому имеют значительное преимущество перед электродвигателями постоянного тока. Этот факт обуславливает их однозначное преобладание и повсеместное применение практически во всех отраслях промышленности, энергетики и т.д.

Регулирование скорости вращения исполнительного механизма можно производить посредством различных по своему составу и принципу действия устройств. Так, например, наиболее известными и распространенными устройствами являются следующие:

1. Гидравлическое устройство - гидравлическая муфта.

2. Механическое устройство - механический вариатор.

3. Электрические устройства:

· электромеханический преобразователь частоты (системы Генератор-Двигатель)

· дополнительно вводимые в статор или фазный ротор сопротивления и др.

· статический преобразователь частоты

При использовании частотных преобразователей отсутствуют все недостатки, присутствующие при использовании остальных устройств, а именно:

· низкое качество регулирования

· малый диапазон регулирования

· низкая экономичность

· сложности в применении

· сложность эксплуатации и обслуживания

Регулирование скорости вращения асинхронного электродвигателя в этом случае производится путем изменения частоты и величины напряжения питания двигателя.

КПД такого преобразования очень высокое и составляет порядка 98 %. При этом из сети потребляется практически только активная составляющая тока нагрузки.

Микропроцессорная управляющая система обеспечивает высокое качество управления электродвигателем и контролирует множество его параметров, предотвращая тем самым возможность возникновения аварийных ситуаций.

Состав силовой части такого преобразователя приведён на рис. 1.

· входной неуправляемый выпрямитель

· звено постоянного тока с LC-фильтром

· автономный инвертор напряжения с ШИМ

Частотный преобразователь необходим для решения стандартных проблем практически любого предприятия или организации, например таких как:

· экономия энергоресурсов

· снижение затрат на плановые ремонтные работы и капитальный ремонт

· увеличение срока службы технологического оборудования

· обеспечение оперативного управления и достоверного контроля за ходом выполнения технологических процессов

Значительная экономия электроэнергии достигается при одном условии - приводной механизм должен что-либо регулировать (поддерживать какой-либо технологический параметр):

· если используется насос, то необходимо регулировать расход воды, давление в сети или температуру чего-либо охлаждаемого или нагреваемого

· если используется вентилятор или дымосос, то регулировать нужно температуру или давление воздуха, разрежение газов

· если используется конвейер, то часто бывает нужно регулировать его производительность

· если используется станок, то нужно регулировать скорости подачи или главного движения

Можно выделить типовые механизмы, эксплуатационная и экономическая эффективность которых значительно увеличивается при внедрении частотных преобразователей и систем автоматизации на их базе:

· насосы, вентиляторы, дымососы;

· конвейеры, транспортеры;

· подъемники, краны, лифты и др.

Особый экономический эффект от использования частотных преобразователей дает применение принципа частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей.

До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня абсолютно доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора. Перспективность частотного регулирования наглядно видна на рис.2.

Для дросселирования - в точке Q=0(Pmin) задвижка закрыта, а в точке Q=1(Pmax) задвижка открыта.

Можно заметить, что при дросселировании энергия потока вещества, сдерживаемого задвижкой или клапаном, просто теряется, не совершая никакой полезной работы. Применение частотного преобразователя в составе насосного агрегата или вентилятора позволяет просто задать необходимое давление или расход, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снижение потерь транспортируемого вещества.

В промышленно развитых странах уже практически невозможно найти асинхронный электродвигатель без преобразователя частоты.

Экономическая и техническая эффективность частотно регулируемого привода

Несмотря на кажущуюся значительную стоимость современных преобразователей, окупаемость вложенных средств за счёт экономии энергоресурсов и других составляющих эффективности не превышает в среднем 1,5 лет. Это вполне реальные сроки, а учитывая многолетний ресурс подобной техники, можно подсчитать ожидаемую экономию на длительный период и принять правильное решение.

Самая привлекательная особенность этого оборудования заключается в том, что оно представляет из себя один из наиболее выгодных объектов для инвестирования средств предприятия.

С одной стороны, инвестируя средства в преобразователи частоты для своего производства, предприятие гарантированно возвращает эти средства за период срока окупаемости, а в последующие 15-20 лет предприятие просто получает чистую прибыль. С другой стороны, сделанные инвестиции ни на минуту не покидают пределов вашего предприятия.

Обоснование технической эффективности внедрения частотного привода

При использовании преобразователя частоты появляются следующие технические возможности:

· регулирование скорости от нуля до номинальной и выше номинальной

· плавный разгон и торможение

· ограничение тока на уровне номинального в пусковых, рабочих и аварийных режимах

· увеличение срока службы механической и электрической частей оборудования

· высвобождается некоторое оборудование

· монтаж частотного преобразователя возможен в стандартной ячейке распредустройства на месте высвобождаемого оборудования

Обоснование экономической эффективности внедрения частотного привода - расчет окупаемости:

Оценим величину экономического эффекта от применения преобразователя частоты Lenze SMD ESMD223L4TXA (цена со склада в Петербурге 37 000 р. с НДС) на насосном агрегате мощностью 22 кВт.

Величина экономии электроэнергии при внедрении преобразователей частоты может составлять до 45 %. Мы в своих расчетах примем экономию за 20% хотя на практике она может составлять и 40%. Таким образом, для насосного агрегата мощностью 22 кВт и работающего, к примеру, 9 месяцев в году, величина экономии электроэнергии за 1 год составит:

Е(1 год, кВт*ч) = 90 кВт * 0,2 * 24 часа * 22 дней * 12 месяцев = 27 878,4 кВт*ч.

В денежном выражении при стоимости 1 кВт*ч = 106,85 коп. (тариф на электроэнергию для промышленных и приравненных к ним потребителей с присоединенной мощностью > 750 кВА, 2007 г.) величина экономии составит:

Е(1 год, руб.) = 27 878,4 кВт*ч * 1,0685 руб. = 29 788,07 руб.

Таким образом, срок окупаемости в этом случае составляет 37 000/ 29 788,07 = 1,24 года, дальше будем экономить более 9 000 руб. ежемес

Размещено на Allbest.ru