Знание принципов работы частотно регулируемого привода (ЧРП) может упростить процесс выбора преобразователя частоты.
Пол Эйвери, Yaskawa America Inc.
Независимо от того, насколько давно и каким образом, уже обыденные частотные преобразователи пришли в Вашу жизнь, где-то есть тот, кто впервые стукнулся с ЧРП или только рассматривает возможность их применения.
Вспомните, когда вы впервые задумались о применении одного из современных частотных преобразователей с широтно-импульсной модуляцией для двигателя переменного тока. Скорее всего, у вас, на тот момент, было не совсем верное представление об их возможностях и назначении.
В этой статье мы рассмотрим и постараемся развеять пять распространенных мифов о частотно регулируемом приводе.
Рис. 1. Частотный преобразователь
Миф № 1: Выходной сигнал частотного преобразователя является синусоидальным
Людям, так или иначе связанные с эксплуатацией электродвигателей в, как правило, знакома работа асинхронных двигателей переменного тока с использованием пускателей.
При пуске электродвигателя, пускатель замыкает контакты обмоток электродвигателя с фазами 3-х фазной питающей сети. Напряжение каждой фаза представляет собой синусоидальную волну.
Приложенное напряжение создает на клеммах электродвигателя тоже синусоидальной формы с той же частотой (можно убедится проверкой напряжения на клеммах электродвигателя). Пока вроде всё просто и понятно.
А вот что происходит на выходе преобразователя частоты, это совсем другая история. Частотный преобразователь обычно выпрямляет входное трехфазное переменное в постоянное напряжение, которое фильтруется и аккумулируется при помощи больших конденсаторов звена постоянного тока.
Напряжение звена постоянного тока затем инвертируется, для получения переменного напряжения, переменной частоты на выходе. Процесс инверсии осуществляется посредством трех изолированных биполярных транзисторов (IGBT) с двумя изолированными затворами — по одной паре на выходную фазу (см. Рис 2).
Поскольку выпрямленное напряжение инвертируется в переменное, выходное звено называют «инвертором». Включение, выключение, а также длительность нахождения IGBT-транзисторов в положении ВКЛ или ВЫКЛ может управляться, что и определяет значение частоты выходного напряжения.
Отношение выходного среднеквадратического напряжения к выходной частоте определяет магнитный поток, развиваемый в электродвигателе переменного тока.
Когда выходная частота увеличивается, выходное напряжение также должно увеличиваться с той же скоростью, чтобы поддерживать постоянство отношения и, следовательно, постоянную скорость вращения двигателя. Обычно соотношение между напряжением и частотой поддерживается по линейному закону, что обеспечивает возможность поддержания постоянного крутящего момента.
Рис. 2. Схема инвертора с IGBT транзисторами.
Результирующий сигнал напряжения, прикладываемый к обмотке двигателя, не является синусоидальным (см. Рис. 3).
Обратите внимание, что иногда отношение напряжения по частоте (V / f) может быть отличным от линейного, что характерно для вентиляторов, насосов или центробежных нагрузок, которые не требуют постоянного крутящего момента, но обеспечивают тем самым возможность экономии электроэнергии.
Рис. 3. Форма сигнала ШИМ напряжения на выходе частотного преобразователя
Как же отразится пилообразная форма питающего напряжения на работе электродвигателя. Асинхронный двигатель является по своей сути большой катушкой индуктивности. А характерной особенностью индукции является ее устойчивость к изменениям тока. Увеличивается или уменьшается сита ток, индукция будет выступать против этого изменения.
Какое же это имеет отношение к форме сигнала напряжения ШИМ на рисунке 3? Вместо того, чтобы позволить импульсу тока увеличиваться в том же порядке, что и приложенный импульс напряжения, ток начнет медленно возрастать. Когда импульс напряжения закончился, ток плавно уменьшается, а не исчезает мгновенно.
В общих чертах это происходит следующим образом: до момента, когда ток снизился до нуля, поступает следующий импульс напряжения, и ток начинает плавно увеличиваться. Если последующий импульс становятся шире, ток плавно достигает большего значения, чем раньше.
В конце концов, текущий сигнал становится синусоидальным, хотя и с некоторыми зубчатыми переходами (см. Рис. 4).
Рис. 4. Форма сигнала тока на выходе частотного преобразователя
Однако не думайте, что вы можете подключить свой соленоид к фазам выходного напряжения ЧРП. Это всё же не совсем переменное напряжение.
Миф № 2: все частотные преобразователи одинаковы
В общем виде частотно-регулируемый привод сегодня является довольно зрелым продуктом.
Большинство коммерчески доступных приводов содержат одни и те же базовые компоненты: мостовой выпрямитель, блок питания, конденсаторный блок постоянного тока и плата выходного инвертора.
Разумеется, существуют различия в алгоритмах управления переключением транзисторов IGBT инвертора, надежности компонентов и эффективности схемы теплового рассеивания. Но основные компоненты остаются прежними.
Есть также исключения. Например, в некоторых ЧРП инвертер имеет три вывода. Такая схема позволяет выходным импульсам варьироваться от половинного до полного импульса сигнала напряжения (см. Рис. 5).
Рис. 5. Трехуровневый выходной сигнал напряжения
Для достижения трехуровневого выходного сигнала звено инвертора должно иметь в два раза больше выходных переключателей, а также запирающих диодов (см. Рис. 6). Преимущества трехуровневой схемы заключается в уменьшении перенапряжения на двигателе из-за гармонических волн, снижении синфазных помех, а также снижении паразитных токов на валах и подшипниках.
Рис. 6. Схема трехуровневого инвертора
Матричный инвертор является еще более нетипичным типом ЧРП. Частотные преобразователи с матричными инверторами не имеют шины постоянного тока или мостового выпрямителя. Вместо этого они используют двунаправленные переключатели, которые могут подключать любое из входящих фазных напряжений к любой из трех выходных фаз (см. Рис. 7).
Преимущество этой схемы заключается в том, что мощность может свободно протекать от сети к двигателю или от двигателя к сети для рекуперативного привода постоянного тока.
Недостатком является то, что на входе необходима установка фильтра, для обеспечения дополнительной индуктивности и фильтрации формы ШИМ, чтобы исключить негативное влияние на питающую сеть.
Рис. 7. Схема матричного ЧРП
Кроме частотных преобразователей с трехуровневыми выходами и инверторами матричного типа существуют также и другие типы частотно-регулируемых приводов. Таким образом миф о том, что все частотные преобразователи одинаковые развеян.
Миф № 3: Частотный преобразователь компенсирует коэффициентом мощности.
Нередко можно увидеть, что производители частотных преобразователей заявляют значение коэффициента мощности, например, равным 0,98 или почти 1.
Действительно коэффициент мощности несколько улучшается после установки ЧРП перед асинхронным двигателем. ЧРП компенсирует реактивную мощность за счет конденсаторного звена.
Однако полностью компенсировать фазовый сдвиг преобразователь частоты не может.
Полный коэффициент мощности должен включать реактивную мощность, вызываемую гармониками, создаваемыми в звене постоянного тока. Причиной является работа диодного моста.
Важно помнить, что диод работает только тогда, когда напряжение на стороне анода выше, чем напряжение на стороне катода (прямое смещение). Это означает, что диоды открыты только на пике каждой временной фазы как положительной, так и отрицательной частей синусоидальной волны.
Это приводит к волнообразной форме волны. Это также приводит к искажению входного тока и прерыванию (см. Рис. 8).
Рис. 7. Форма сигналов после выпрямителя
Чтобы вычислить истинный полный коэффициент мощности (PF), необходимо учесть эффекты гармоник. Следующее уравнение показывает, как гармоники влияют на полный коэффициент мощности:
где THD = суммарное гармоническое искажение
Для прерывистого сигнала входного тока в уравнении THD будет находиться в районе 100% или более. Подставляя это в уравнение, получаем истинный коэффициент мощности PF ближе к 0,71, по сравнению с заявленным 0,98, который не учитывает гармоники.
Но не всё так плохо. В настоящее время существует множество способов гармонические искажения, создаваемые в звене постоянного тока. Они используют как пассивные, так и активные методы подавления искажений входного сигнала. Так, например, вышеупомянутый матричный преобразователь частоты является примером активного метода подавления гармонических искажений.
Миф № 4: С частотным преобразователем Вы можете эксплуатировать двигатель на любой скорости.
Особенность применения частотных преобразователей заключается, что они могут изменять как напряжение, так и частоту выходного сигнала.
Благодаря возможности обеспечения требуемой скорости вращения электродвигателя ЧРП нашли широкое применение во всех сферах экономики и всех отраслях промышленности ЧРП может легко выдавать сигнал любой частоту в пределах предусмотренного изготовителем диапазона регулирования.
Однако необходимо учитывать, что частотный преобразователь работает в составе электродвигателя в реальных условиях. Технологические требования, такие как необходимый крутящий момент, охлаждение, требуемая мощность так или иначе ограничивают фактический диапазон регулирования преобразователя частоты.
Ограничение № 1. С точки зрения охлаждения электродвигателя, низкая скорость вращения — это не очень хорошая идея.
В частности, полностью закрытые вентиляторные (TEFC) двигатели имеют охлаждаются только за счет внутреннего вентилятора, который вращается вместе с валом двигателя.
Чем медленнее скорость вращения двигатель, тем меньше поток воздуха и тем хуже охлаждение. Закрытые двигатели обычно не рекомендуются эксплуатировать с частотой ниже 15 Гц (диапазон скоростей 4:1).
Ограничение № 2: Электродвигатели имеют определенные ограничения диапазона скоростей, связанные с механическими и динамическими ограничениями нагрузок вращающихся частей. Обычно эта скорость называется максимальной безопасной частотой вращения. Данная характеристика не всегда указывается на шильдике мотора.
Ограничение № 3: При достижении максимальной частоты вращения крутящий момент двигателя может снижаться. Это ограничение скорости связано с ограничением мощности, которое включает в себя скорость вращения и крутящий момент. Если быть еще точнее, что будет снижаться напряжения ЧРП.
Обратите внимание, что вращение двигателя также генерирует собственное напряжение, называемое обратной электродвижущей силой (ЭДС), которое увеличивается со скоростью. Обратная ЭДС создается двигателем, чтобы противостоять приложенному напряжению от ПЧ.
На более высоких скоростях ПЧ должен подавать еще большее напряжения, чтобы преодолеть обратную ЭДС, и ток мог протекать по обмоткам двигателя, создавая крутящий момент. После определенного максимального значения преобразователь частоты не может преодолеть обратную ЭДС электродвигателя, и, следовательно, крутящий момент двигателя уменьшается, что, в свою очередь, снижает скорость.
Снижение скорости опять приводит к более низкой обратной ЭДС, которая, в свою очередь, позволяет протекать току в двигатель снова. Существует точка равновесия, в которой двигатель достигает максимальной скорости при максимальном крутящем моменте.
Как упоминалось выше ЧРП может создавать крутящий момент на двигателе, сохраняя постоянство отношения V/f (см. Рис. 9).
Рис. 9. График зависимости напряжения от частоты.
Когда частота выходного сигнала увеличивается, напряжение увеличивается линейно. Проблема возникает, когда частота превышает номинальную частоту двигателя.
Помимо номинальной частоты, не может увеличиваться выходное напряжение, что соответственно приводит к уменьшению отношения V / f. Отношение V / f является мерой напряженности магнитного поля в двигателе и влияет на его крутящий момент.
Следовательно, способность мотора создавать номинальный крутящий момент при частоте выше номинальной должна уменьшаться со скоростью 1 / частота, при этом произведение крутящего момента и частоты, равное мощности, является постоянным.
Область работы над номинальной частотой называется постоянным диапазоном мощности, а работа на скоростях ниже номинальной — диапазоном постоянного крутящего момента (см. Рис. 10).
Рис. 10. Графики зависимости мощности и крутящего момента электродвигателя от частоты.
Миф № 5: Входной ток преобразователя частоты выше выходного тока
Возможно, это не миф, а недоразумение. Некоторые пользователи ПЧ измеряют значение выходного и входного тока с помощью измерительного инструмента или с помощью мониторов ПЧ и обнаруживают, что входной ток намного ниже выходного.
Это похоже не согласуется с идеей о том, что частотный преобразователь должен иметь некоторые потери и поэтому вход всегда должен быть немного выше, чем выход.
Концепция правильная, но она учитывает мощность, а не ток, который следует учитывать:
Входное напряжение всегда находится под напряжением переменного тока. Выходное напряжение изменяется со скоростью по образцу V / f. На самом деле компоненты уравнения немного сложнее.
Но ключом к пониманию данного процесса является знание того, что асинхронный двигатель имеет два токовых компонента: один отвечает за создание магнитного поля в двигателе, которое необходимо для вращения двигателя; а второй — ток, создающий крутящий момент, который, как следует из названия, отвечает за создание крутящего момента.
Привод потребляет входной ток, пропорциональный активному крутящему моменту двигателя. Ток, необходимый для создания магнитного поля, обычно не изменяется со скоростью и обеспечивается основными конденсаторами звена постоянного тока, которые заряжаются при включении питания ПЧ.
При малых значения крутящего момента выходной ток может быть намного выше, чем входной, поскольку входной ток отражает только составляющую, создающую крутящий момент плюс некоторые гармоники, но не включает ток намагничивания. Ток намагничивания циркулирует между конденсаторами шины постоянного тока и двигателем.
Даже при полной нагрузке входной ток обычно будет ниже, чем ток двигателя, поскольку на входе по-прежнему нет составляющей тока намагничивания.
Помните, что в уравнении мы сравниваем входную и выходную мощности. Например, рассмотрим полностью нагруженный двигатель, вращающийся на низких оборотах.
Входное напряжение номинальное, а выходное напряжение будет низким из-за низкой скорости вращения. Выходной ток в данном случае будет высокий из-за полной нагрузки на двигатель.
А чтобы сбалансировать уравнение мощности, входной ток должен быть ниже выходного тока.
Узнать подробную информацию о частотных преобразователях, ознакомиться с производственной линейкой YASKAWA Вы можете у нашего партнера — ООО «КоСПа»
Или в соответствующем разделе преобразователя YASKAWA
Оригинал статьи: https://www.yaskawa.com/about-us/media-center/industry-articles-display?articleId=2167778
27.07.2017
Частотное регулирование асинхронного двигателя — полезная информация от специалистов ООО ПТЦ "Привод"
Частотник или (полностью) частотный преобразователь позволяет осуществлять частотное регулирование электродвигателя. Регулирование скорости (частоты) при эксплуатации данного устройства подразумевает возможности плавного изменения частоты оборотов ротора в большую или в меньшую сторону относительно номинальной.
В отраслях промышленности такая методика важна, поскольку она обеспечивает нормальное функционирование электродвигателя в конкретных условиях его эксплуатации.
Частотные преобразователи современного рынка – надежные технологичные механизмы с широким выбором функций управления асинхронными электродвигателями:
- транспортеров;
- насосного оборудования;
- вентиляторов и другой техники
Преимущества
Главный плюс частотного преобразователя (частотного регулирования скорости) – в том, что в паре с асинхронным электродвигателем он может заменить привод постоянного тока. Именно последний механизм остается слабым звеном довольно простой схемы регулировки оборотов электродвигателя.
Электрический привод постоянного тока не отличается особой надежностью: во время эксплуатации имеет место искрение щеток, что быстро изнашивает коллектор. Во взрывоопасной среде или запыленных помещениях такое устройство использовать нельзя.
К тому же его цена остается довольно внушительной.
Асинхронный электродвигатель же:
- проще в плане конструкции;
- дешевле стоит;
- более надежен, потому что не имеет подвижных контактов;
- меньше по размеру при аналогичной мощности (проще установить, легче спланировать систему);
- легче.
Два важных преимущества асинхронных двигателей – их простое производство и неприхотливость по части обслуживания. Есть, правда, и недостатки, к которым относится сложность организации изменения скоростных характеристик электродвигателя. Здесь не подходят классические решения – изменение напряжения через дополнительные сопротивления в цепи обмоток.
Хотя теория частотного регулирования разработана еще в 30-е годы XX века, реализовать управление асинхронным электродвигателем с помощью регулятора частоты до недавнего времени было сложно. Причина – высокая стоимость производства и (соответственно) продажи преобразователей частоты.
Ситуация изменилась с появлением схем с IGBT-транзисторами (БТИЗ, биполярные транзисторы с изолированным затвором, производительные микропроцессорные системы). На их базе производителям из Японии, Европы и США удалось снизить стоимость изготовления частотного преобразователя, не теряя в его технических характеристиках.
Виды управления скоростями
Существует несколько видов управления асинхронным электродвигателем, среди которых самым распространенным в последние годы стал метод векторного или векторного бездатчивокового регулирования скорости. Он нередко встречается в частотном преобразователе, который изначально применяет скалярное управление без клемм для присоединения датчика скорости.
Собственно, вид регулирования асинхронного двигателя частотным преобразователем, зависит от класса последнего. А делят регуляторы частоты по нескольким признакам.
- По типу управления – на устройства ручного и автоматического регулирования.
- В зависимости от вида выходной нагрузки частотный преобразователь делится по способу исполнения:
- на устройства для электроприводов насосного и вентиляторного оборудования;
- механизмы для привода общепромышленного назначения;
- частотные преобразователи для электродвигателей, которые эксплуатируются в сложных условиях (с перегрузками).
Частотные преобразователи последних поколений, кроме разных по исполнению вариаций, могут иметь еще и разный набор функций. К последним относятся 2 вида управления (ручной и автоматический) скоростью вращения и его направлением, потенциометр на основной панели, система настройки диапазонов выходных частот (0–800 Гц).
Принцип
Задачи частотника в системе частотного регулирования асинхронного электродвигателя:
- изменение показателей электродвигателя в автоматическом режиме через обработку сигналов с датчиков, установленных на периферии;
- приведение привода в действие, согласно настройкам (программируемый алгоритм работы по времени);
- поддержание функции автоматического восстановления первоначальных настроек работы в случаях кратковременных остановок (прерываний питания);
- удаленное управление переходными процессами с пульта;
- защита электродвигателя от перегрузок.
Принцип частотного регулирования асинхронного двигателя выражен в формуле:
Его суть: изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно менять угловую скорость магнитного поля статора при неизменном количестве пар полюсов, обозначенных в формуле p. Такой метод обеспечивает оптимальные характеристики работы асинхронного электродвигателя, но и оптимальные показатели регулирования частоты:
- мягкое (плавное) регулирование скоростей в большом диапазоне частоты;
- повышенная жесткость механических показателей;
- регулирование частоты вращений вала без повышения скольжения электродвигателя (за счет чего потери мощности сводятся к предельному минимуму).
Одним из условий частотного регулирования скорости асинхронного двигателя является одновременное с частотой вращений изменение напряжения, которое к нему подводится. Это нужно для повышения энергетических показателей работы электропривода (КПД, коэффициенты мощности, способности выдерживать перегрузки).
Закон частотного регулирования асинхронного двигателя (закон напряжения) определяется типом момента нагрузки (обозначается как Мс).
- Когда Мс = const, напряжение на статоре регулируется пропорционально частоте вращения, согласно выражению:
- Если характер момента нагрузки – вентиляторный, то применяется выражение:
- Если момент нагрузки обратно пропорционален частоте:
Другими словами, для реализации поставленных перед ним задач (плавное бесступенчатое частотное регулирование частоты оборотов вала асинхронного электродвигателя) частотный преобразователь должен одновременно:
- менять частоту оборотов;
- регулировать на статоре напряжение.
Технические характеристики для учета
Основные характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании, которые влияют на его работу, а потому должны учитываться в обязательном порядке:
- Диапазон изменения – Д. Представляет собой предел, до которого возможно регулирование. Вычисляется как соотношение минимальной и максимальной частоты вращения.
- Степень плавности частотного регулирования. Рассчитывается по минимальному скачку частоты вращения вала электродвигателя при переходе от одной механической характеристики к другой.
- Зона регулирования (направление изменения вращения). Номинальные условия эксплуатации задают естественный набор характеристик электродвигателя, которые при управлении частотой вращения начнут изменяться. На выходе асинхронный электродвигатель получит новые – искусственные – характеристики, которые, как правило, ниже, чем естественные.
Правила регулирования частоты
Максимум новой частоты зависит от ее механических свойств. На более высокой частоте вращения по отношению к номинальной асинхронные электродвигатели выдают лучшие энергетические показатели, чем на более низкой.
Поэтому в системах с редуктором полезно осуществлять регулирование с изменением частоты и вниз, и (особенно) вверх вплоть до максимума, который зависит от механической прочности ротора.
При этом важно учитывать следующее правило.
При повышении количества оборотов вала относительно паспортных данных электродвигателя частота его источника питания не должна увеличиваться более, чем в 1,5–2 раза от номинальной.
Такой метод управления – частотное регулирование асинхронного двигателя – более всего оправдывает себя в механизмах и короткозамкнутым ротором. В случае с ним ввиду отсутствия скольжения потери мощности остаются минимальными, а выходные механические характеристики – с высокой жесткостью.
Плюсы электродвигателя с регулированием скорости
Основной плюс электродвигателя, управляемого с помощью частотного преобразователя, – высокий опрокидывающий момент. Это он обеспечивает стабильную эксплуатацию электропривода и подключенного к нему оборудования в большом диапазоне частот вращения.
Благодаря данному факту применение асинхронных электродвигателей с регулированием скорости позволяет отказаться от ряда механизмов (снижается потеря мощности, к которой приводит их использование), получая высокий КПД.
Преобразователь частоты для асинхронного электродвигателя
Работа трехфазного асинхронного двигателя в неноминальных условиях | Общие сведения об электрических машинах
Подробности Категория: Электрические машины
Работа трехфазного асинхронного двигателя в условиях, отличных от номинальных
Асинхронные двигатели, согласно ГОСТу 183—66, должны отдавать номинальную мощность при отклонениях напряжения сети от номинального значения в пределах от —5 до +10%.
В том случае, когда от номинальных значений одновременно отклоняются напряжение и частота, асинхронные двигатели должны отдавать номинальную мощность, если сумма процентных значений этих отклонений (без учета знака этих отклонений) не превосходит 10%.
В условиях эксплуатации сельских электроустановок часты случаи отклонения напряжения сети от номинального значения; частота сети отличается от номинальной прежде всего при питании от автономных энергетических установок (дизельные электростанции совхозов, отдельных хозяйств, резервные электростанции небольшой мощности).
Рассмотрим влияние на работу трехфазного асинхронного двигателя отклонений напряжения и частоты от их номинальных значений.
Работа двигателя при напряжении, по величине отличном от номинального
Напряжение ниже номинального.
Согласно уравнению (141), без учета падения напряжения U1=E1 = cf1Ф. При понижении напряжения понижается магнитный поток, а следовательно, и ток холостого хода /о.
Если двигатель должен развить тот же момент, что и при номинальном напряжении, причем Имеется в виду момент номинальный или близкий к нему, то, согласно уравнению (182), М=смФ12COSф2, возрастает ток ротора и составляющая тока статора.
Поэтому в зависимости от насыщения двигателя может остаться тем же, уменьшиться (при преобладании влияния) или, как чаще всего бывает, возрасти. При уменьшении напряжения свыше 5% ток, как правило, растет.
Коэффициент мощности при уменьшении напряжения (в оговоренных вначале пределах) обычно увеличивается в соответствии с увеличением активной и уменьшением реактивной составляющих тока статора, скольжение возрастает, коэффициент полезного действия несколько падает, перегрузочная способность двигателя уменьшается.
Напряжение выше номинального.
При повышении напряжения выше номинального все происходит противоположно сказанному выше. В двигателях с большим насыщением стали намагничивающий ток вместе с увеличением напряжения может возрасти непропорционально напряжению и ток статора может увеличиться.
В этом случае двигатель будет перегреваться как из-за нагрева стали, так и вследствие увеличения тока в обмотке статора. Между напряжением на зажимах статора и рабочими характеристиками двигателя (кривыми момента, тока статора) нет простой аналитической зависимости из-за нелинейности кривой намагничивания двигателя и влияния насыщения на параметры машины.
Эти вопросы требуют специального рассмотрения. Переключение обмоток статора слабо нагруженного двигателя с треугольника на звезду. Как показано выше, при нагрузке двигателя, близкой к номинальной, снижение напряжения на его зажимах обычно приводит к перегрузке обмоток по току и влечет за собой уменьшение коэффициента полезного действия и перегрев обмоток.
Но при малых нагрузках двигателя (до 30—35% номинальной) снижение подводимого к двигателю напряжения может улучшить его энергетические показатели. В этом случае, несмотря на увеличение тока ротора, а следовательно, и составляющей тока статора, из-за малой нагрузки ток ротора может не превысить номинального значения.
Между тем уменьшение намагничивающего тока и потерь в стали статора вследствие уменьшения магнитного потока благоприятно скажется на значении энергетических показателей — коэффициенте мощности cos ф1 и коэффициенте полезного действия.
В отдельных случаях асинхронные двигатели в условиях эксплуатации могут оказаться временно недогруженными в оговоренных выше пределах.
Если обмотка статора таких двигателей нормально соединена в треугольник, то для улучшения энергетических показателей при работе двигателя обмотку статора целесообразно переключить на звезду, понижая таким образом фазное напряжение в 3 раз. Перегрузочная способность при малой нагрузке остается обычно достаточной.
Работа двигателя при частоте, отличной от номинальной
Поскольку при уменьшении частоты U1=E1 — cflФ, магнитный поток, а следовательно, и намагничивающий ток двигателя увеличиваются. Если двигатель должен развить тот же момент, что и при номинальной частоте, то активные составляющие тока ротора и тока статора уменьшаются, Снижается и коэффициент мощности cosф1.
Ток статора обычно возрастает из-за преобладающего влияния увеличения намагничивающего тока. Увеличиваются в статоре потери электрические и в стали, охлаждение несколько ухудшается, так как скорость вращения ротора понижается, нагрев двигателя возрастает.
Увеличение частоты и соответствующее ему уменьшение магнитного потока приводят к уменьшению намагничивающего тока. Однако при постоянном моменте растет ток ротора; при определенных условиях ток статора может также возрасти.
Изменение таких показателей, как коэффициент мощности cosф, потери в стали статора, скорость вращения двигателя, будет противоположным тому, как об этом говорилось выше при анализе работы двигателя на пониженной частоте.
Отклонения частоты от номинального значения в Электрических сетях обычно бывают небольшими, не превосходя ±1%. Такие колебания частоты не оказывают сколь-либо заметного влияния на работу асинхронного двигателя. По ГОСТу 183—66 двигатели должны отдавать номинальную мощность при отклонениях частоты от номинального значения до ±5%.
Работа двигателя при несимметричном напряжении сети
Следовательно, для наиболее нагруженной фазы можно увеличить перепад температуры между медью (проводом) и сталью по сравнению с симметричным режимом. Это позволяет установить значение тока наиболее нагруженной фазы выше номинального, чтобы температура обмотки (меди) наиболее нагруженной фазы при несимметрии оказалась равной температуре обмотки (меди) в симметричных условиях при номинальной нагрузке.
Как показали расчеты, проведенные для двигателей серии А, длительная допустимая мощность для двигателей до 7 квт (обмотка однослойная) типа А при а=5% снижается по сравнению с номинальной на 10—15%, при а=10%—на 25—45%, а для двигателей типа АО соответственно на 10—20 и 30—50%.
Для двигателей мощностью от 10 кет и выше с двухслойными обмотками допустимая мощность выше, чем для двигателей с однослойными обмотками, соответственно на 5% при а = 5% и на 10% при а=10%.
При коэффициенте несимметрии напряжений а=1—2% длительная допустимая мощность ниже номинальной на 3—4%; в эксплуатации за счет теплового запаса в двигателях серии А этого снижения можно не делать.
Асинхронный двигатель, работающий в сети с несимметричным напряжением, как вхолостую, так и под нагрузкой создает уравновешивающий эффект, то есть стремится уменьшить несимметрию напряжений.
Это объясняется тем, что токи обратной последовательности двигателя частично компенсируют в линии токи обратной последовательности нагрузки.
Уравновешивающий эффект тем сильнее, чем меньше результирующее сопротивление обратной последовательности двигателя.
Частотное регулирование частоты вращения асинхронных электродвигателей
Сахарнов Ю.В. Частотное регулирование частоты вращения асинхронных электродвигателей. Рассмотрены типы нагрузок электродвигателей, осуществлён обзор возможных способов управления, а также детально рассмотрено частотное регулирование асинхронных двигателей.
Возможность управления частотой вращения короткозамкнутых асинхронных электродвигателей была доказана сразу же после их изобретения. Реализовать эту возможность удалось лишь с появлением силовых полупроводиниковых приборов – сначала тирристоров, а позднее транзисторов IGBT.
В настоящее время во всём мире широко реализуется способ управления асинхронной машиной, которая сегодня рассматривается не только с точки зрения экономии энергии, но и с точки зрения совершенствования управления технологическим процессом. В промышленности и быту применяют двигатели переменного и постоянного тока.
Исторически сложилось, что для регулирования скорости вращения чаще использовали двигатель постоянного тока. Преобразователь в данном случае регулировал только напряжение, был прост и дешёв. Однако двигатели постоянного тока имеют сложную конструкцию, критичный в эксплуатации щёточный аппарат и сравнительно дороги.
- Асинхронные двигатели широко распространены, надёжны, имеют относительно невысокую стоимость, хорошие эксплуатационные качества, но регуляторы скорости их вращения из-за сложности систем электронного регулирования частоты питающего напряжения стоили до начала 80-х годов дорого и не обладали качествами, необходимыми для широкого внедрения в индустрию.
- Быстрый рост рынка преобразователей частоты для асинхронных двигателей не в последнюю очередь стал возможен в связи с появлением новой элементной базы – силовых модулей на базе IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), рассчитанный на токи до нескольких килоампер, напряжением до нескольких киловольт и имеющих частоту коммутации 30 кГц и выше.
- 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 равным частоте питающей сети. Частота на выходе преобразователя этого типа обычно лежит в диапазоне от 0 до 25–33 Гц.
Но наибольшее распространение получили преобразователи чаcтоты с промежуточным контуром постоянного тока, выполненные на базе инвенторов напряжения.
Типы нагрузок
Требования к электроприводу определяются диапазоном требуемых скоростей и типом нагрузки.
Многие нагрузки могут рассматриваться как имеющие постоянный момент во всём 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% даёт тридцати процентную экономию 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.
Кроме того, существует и большое число нагрузок с совершенно уникальными механическими характеристиками. Поэтому в любом случае выбору электродвигателя и преобразователя частоты должен предшествовать этап анализа характера нагрузки и её механической характеристики.
Режимы управления электродвигателем
В зависимости от характера нагрузки преобразователь частоты обеспечивает различные режимы управления электродвигателем, реализуя ту или иную зависимость между скоростью вращения электродвигателем 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, подключёнными 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 напряжения/частоты (U/f2 = const). Этот режим, так же как и предыдущий, можно использовать для управления параллельно подключенными двигателями.
Вместе с тем для повышения качества управления приводом требуется использование других, более совершенных методов управления. К ним относятся метод управления протокосцеплением (Flux Current Control – FCC) и метод бессенсорного векторного управления (Sensorless Vector Control – SVC).
Оба метода базируются на использовании адаптивной модели электродвигателем, которая строится с помощью специализированного вычислительного устройства, входящего в состав управления преобразователя.
Наиболее точное и эффективное управление обеспечивает режим векторного управления без датчика обратной связи по скорости (SVC).
Если в двигателях постоянного тока имеются две обмотки (статорная, или возбуждённая и роторная, или якорная), что позволяет управлять раздельно скоростью вращения (ток возбуждения) и электромагнитным моментом (ток якоря), то в двигателях переменного тока с короткозамкнутым ротором имеется всего лишь одна статорная обмотка, через которую формируется возбуждающее магнитное поле и определяет вращающий момент. С этим и связаны все трудности управления электродвигателем.
Выход остаётся один: необходимо управлять амплитудой и фазой статорного тока, то есть его вектором, однако для управления фазой тока, а значит, и фазой магнитного поля статора относительно вращающегося ротора необходимо знать точное положение ротора в любой момент времени.
Эта задача может быть решена с использованием датчика положения, например, шифратора приращений.
В такой конфигурации привод переменного тока по качеству регулирования становится сопоставим с приводом постоянного тока, но в составе большинства стандартных электродвигателей переменного тока встроенные датчики положения отсутствуют, поскольку их введение неизбежно ведёт к усложнению конструкции двигателя и существенному повышению его стоимости.
Применение же современной технологии векторного управления позволяет обойти это ограничение путём использования математической адаптивной модели двигателя для предсказания положения ротора.
При этом система управления должна с высокой точностью измерять значение выходных токов и напряжений, обеспечивать расчёт параметров двигателя (сопротивление статора, значение индуктивности рассеяния и т.д.
), точно моделировать тепловые характеристики двигателя с различными режимами его работы, осуществлять большой объём вычислений с очень высокой скоростью. Последнее обеспечивается применением в составе системы управления преобразователя специализированных интегральных схем ASIC.
Векторное управление без датчиков обратной связи по скорости позволяет обеспечивать динамические погрешности, характерные для регулируемого привода с замкнутой обратной связью.
Однако полное управление моментом при скорости, близкой к нулевой, невозможно без обратной связи по скорости. Такая обратная связь становится необходимой и для достижения погрешности регулирования менее 1%.
Контур обратной связи при этом легко реализуется с помощью самого преобразователя частоты.
Вместе с тем режим векторного управления не может быть использован для синхронных или реактивных синхронных двигателей, для группы двигателей, чья номинальная мощность меньше половины мощности преобразователя частоты или превышает его.
Энергетические потери и вид регулирования
Потери энергии в технологическом процессе зависят от расхода сети (технологической нагрузки), определяемого потребителем, и потерь напора на оборудовании насосной станции которые определяются гидравлическим сопротивлением элементов схемы.
Для организации технологического процесса с минимальными энергетическими потерями необходимо, в первую очередь, снизить потери напора между трубопроводом насосного агрегата и сетью потребителей.
Кроме того, в процессе функционирования в зависимости от режимов работы системы может меняться давление перед насосом, создаваемое источником водоснабжения. Измерение этого давления также отражается на величине давления в сети потребителей.
Такой характер взаимосвязи параметров требует установки в системе дроссельных регулирующих элементов – регулирующих клапанов (иногда их роль выполняют напорные задвижки агрегатов).
Эти элементы создают дополнительное гидравлическое сопротивление и позволяют обеспечить стабильное давление в сетевом трубопроводе.
При использовании дроссельных элементов происходит распределение напора на элементах системы.
На величину потерь при дроссельном регулировании влияет не только регулирующий элемент: чаще всего на этапе проектирования выбирается насосный агрегат с определённым запасом напора, а при замене насосных агрегатов новое оборудование может иметь несколько завышенные характеристики. Кроме того, диапазон изменения входных давлений (перед всасывающим патрубком насосного агрегата) оказывает влияние на величину давления за насосным агрегатом.
Все эти обстоятельства приводят к тому, что потери энергии в ходе технологического процесса становятся достаточно большими, достигающими 45 и более процентов от номинальной мощности агрегата.
Для решения задачи минимизации потерь, связанных с регулированием давления в сети, необходимо исключить дополнительные гидравлические сопротивления на участке от насосного агрегата до сетевого трубопровода, то есть необходимо полностью открыть всю запорно-регулируюшую арматуру.
Это можно сделать, если процесс регулирования давления передать насосному агрегату.
Теория работы нагнетателей (насосов и вентиляторов) доказывает, что изменение частоты вращения привода нагнетателя изменяет его напорные характеристики, кроме того, напор создаваемый нагнетателем, пропорционален квадрату частоты вращения агрегата.
Если организовать работу привода насосного агрегата таким образом, чтобы он при изменении параметров технологического процесса (расхода в сети и давления на входе агрегата) изменял частоту вращения, то в итоге можно без существенных потерь энергии стабилизировать давление в сети потребителей.
При таком способе регулирования исключаются потери напора (нет дроссельных элементов), а значит, и потери гидравлической энергии. Способ регулирования давления в сети путём изменения частоты вращения привода насосного агрегата снижает энергопотребление ещё и по другой причине.
Собственно насос как устройство преобразования энергии имеет свой коэффициент полезного действия – отношение механической энергии, приложенной к валу, к гидравлической энергии, получаемой в напорном трубопроводе насосного агрегата.
Изменение КПД насосного агрегата с частотным регулированием при изминении производительности
В соответствии с теорией подобия максимум коэффициента полезного действия с уменьшением частоты вращения несколько снижается и смещается влево. Анализ требуемого изменения частоты насосного агрегата при изменении расхода в сети показывает, что с уменьшением расхода требуется снижение частоты вращения.
Снижение частоты вращения в соответствии с технологической нагрузкой позволяет не только экономить потребляемую энергию на исключении гидравлических потерь, но и получить экономический эффект за счёт повышения коэффициента полезного действия самого насоса – преобразования механической энергии в гидравлическую.
Применение частотного регулирования приводов позволяет существенно уменьшить и эксплуатационные затраты, связанные с обслуживанием агрегатов и систем.
Например, снижение перепада давления между всасывающим и напорным патрубками насосного агрегата увеличивает срок службы сальниковых уплотнений, практически исключая гидроудары и обеспечивает стабильность давлений в трубопроводах сетей, а также минимизирует затраты на обслуживание.
Режимы торможения электродвигателя и способы 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 гегенаратор, преобразую кинетическую энергию вращения в электрическую.
В зависимости от типа выпрямляющего устройства энергия возвращается в первичную сеть либо накапливается в контуре 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 в начале 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 неопределённой.
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 выделения тепла в преобразователе.
Системный подход
Практика применения частотных преобразователей для управления насосами и вентиляторами доказывает целесообразность не просто включения преобразователя для управления агрегатом, а создания специализированных систем управления технологическим процессом.
Именно такой подход позволяет получить экономический эффект не только от снижения потребляемой из сети электрической мощности, но и добиться существенного уменьшения эксплуатационных расходов, улучшение условий труда и увеличение срока службы оборудования.
Современные преобразователи частоты позволяют получать более 20 параметров состояния электропривода. Соответствующая обработка этих параметров позволяет проводить глубокое диагностирование как оборудования системы, так и протекающих процессов. Появляется возможность на только реагировать на возникшую аварию, но и предупреждать её, что для энергетических объектов значительно важнее.
Создание системы с частотно-регулируемыми приводами, в которых управление частотой осуществляется наряду с контролем целого комплекса различных технологических параметров, позволяет снизить не только потребление электрической энергии, но и обеспечивает экономию потребления энергоресурсов всей системы.
Вывод:
Применение частотно-регулируемых приводов для насосов и вентиляторов в технологических процессах позволяет снизить энергопотребление технологическим оборудованием.
Перед началом внедрения рекомендуется провести технико-экономическое обоснование, позволяющее определить не только сроки окупаемости от внедрения, но и правильно организовать технологический процесс с учётом возможностей привода с частотным регулированием.
Целесообразно использование преобразователей частоты не в качестве элементов системы управления конкретного агрегата, а как составляющих комплексных системных решений с подключением широкого набора средств автоматизации технологического процесса. Такие решения позволяют получить дополнительный эффект, который заведомо больше простой экономии электрической энергии.
Загрузка...
