ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СОВРЕМЕННЫХ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ

СОВРЕМЕННЫЕ СИЛОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ СОДЕРЖАНИЕ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СОВРЕМЕННЫХ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ 1

2. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.. 9

3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ СКАЛЯРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ.. 12

4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 17

5. ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ВЕНТИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ 21

6. ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ РОССИЙСКИХ ИЗГОТОВИТЕЛЕЙ 25

7. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ КОНЦЕРНА ABB.. 28

8. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ФИРМЫ «SIEMENS». 34

9. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ КОМПАНИИ «SCHNEIDER ELECTRIC». 43

10. ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК МАГИСТРАЛЬНОГО ТРАНСПОРТА УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ.. 47

11. ПРЕИМУЩЕСТВА УСТРОЙСТВ ПЛАВНОГО ПУСКА ПО СРАВНЕНИЮ С ТРАДИЦИОННЫМИ ПУСКОВЫМИ УСТРОЙСТВАМИ.. 61

12. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ.. 64

13. ДИАГРАММА ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЗАЖИМАХ СТАТОРА ДВИГАТЕЛЯ. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ.. 68

14. КРИТЕРИИ ВЫБОРА УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА.. 71

15. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ПРИМЕНЕНИЯ.. 76

16. ФУНКЦИИ ЗАЩИТ УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА И ДВИГАТЕЛЯ.. 78

17. ФУНКЦИИ КОНТРОЛЯ.. 82

18. ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА НАСТРОЙКИ.. 84

19. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.. 87

20. ВЫПРЯМИТЕЛИ.. 98

21. ИНВЕРТОРЫ... 107

22. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ... 111

23. РЕВЕРСИВНЫЕ ТИРИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.. 117

24. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНКОВЫМИ ПРЕОРАЗОВАТЕЛЯМИ.. 122

25. ЗАЩИТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.. 126

27. РЕВЕРСИВНЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПО СИСТЕМЕ ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ - ДВИГАТЕЛЬ. 130

28. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ЭЛЕТРОПРИВОДА С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ.. 135

29. ВОСЬМИРАЗРЯДНЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ КОМПАНИИ FREESCALE SEMICONDUCTOR В КОРПУСАХ С МАЛЫМ ЧИСЛОМ ВЫВОДОВ.. 137

30. МОДЕЛЬНЫЙ РЯД МК.. 138

31. ТРИ ПРОЦЕССОРНЫХ ЯДРА HC08. 140

32. ПОДСИСТЕМА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ.. 145

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СОВРЕМЕННЫХ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ

Большая часть рабочих машин в горной промыш­ленности в настоящее время оснащена нерегулируемыми электроприводами с асинхронными и синхронными электро­двигателями. Прямые пуски двигателей большой мощности вызывают ударные на­грузки в передаточных механизмах, недопустимые провалы напряжения в системах электроснабжения.

Низкий уровень использования регулируемых электро­приводов в горной промышленности объясняется, с одной стороны, отсутствием до последнего времени надеж­ных преобразователей частоты (ПЧ), пригодных для тяжелых условий эксплуатации, а с другой — существовавшей в 1980-х годах ценовой политикой на энергоносители. В связи с по­стоянным увеличением стоимости электроэнергии, ростом цен на сооружение линий электропередачи при освоении но­вых месторождений и наметившейся тенденцией перехода на автономные источники электроснабжения технологических установок горной промышленности становится эконо­мически и технически целесообразным применение регули­руемых электроприводов.

Появление полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов (IGBT, GCT, IGCT, GTO) с высокими зна­чениями параметров привело к радикальным изменениям в схемотехнике устройств силовой электроники, что позволило создавать частотно-регулируемые электроприводы большой мощности. Появились объективные возможно­сти создания малогабаритных, простых и надежных в экс­плуатации ПЧ с высокими значениями КПД и коэффициента мощности.

Частотно-регулируемый электропривод обеспечивает:

плавный пуск;

длительную работу в заданном диапазоне изменения ско­рости и нагрузки;

реверсирование, торможение и останов;

защиту электрического и механического оборудования от аварийных режимов.

Частотно-регулируемый электропривод является не только устройством экономичного преобразования электрической энергии в механическую, но и эффективным средством управления технологическим процессом, в том числе в замк­нутых системах автоматического управления в составе раз­личных автоматизированных систем управления технологиче­скими процессами (АСУ ТП).

Эффективность применения частотно-регулируемых элек­троприводов обусловлена:

высокими энергетическими показателями;

гибкой настройкой программными средствами параметров и режимов работы электропривода;

развитым интерфейсом и приспосабливаемостью к раз­личным системам управления и автоматизации, в том числе высокого уровня;

простотой и удобством управления и обслуживания в экс­плуатации;

высоким качеством статических и динамических характе­ристик, обеспечивающих высокую производительность управляемых машин.

Оптимальная по энергетическим показателям, а также по регулировочным и механическим характеристикам структура современного частотно-регулируемого электропривода с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором включает в себя ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока (рис. 1), состоящий из выпрямителя с индуктивно-емкостным фильтром постоянного напряжения и автономно­го инвертора напряжения, построенного на силовых транзи­сторах IGBT. Инвертор формирует основную гармонику вы­ходного напряжения ПЧ методом ШИМ.

Регулируемый электропривод, силовая часть которого ба­зируется на указанной структуре, обладает следующими преимуществами:

широким диапазоном регулирования скорости (D = 30÷60);

высоким значением КПД (без учета двигателя он достигает 0,98);

высоким значением коэффициента мощности (до 0,98);

высокой надежностью и малыми габаритами преобразова­теля;

легким обеспечением электромагнитной совместимости электропривода с источником питания и другими потребите­лями электрической энергии.

Рис. 1. Частотно-регулируемый электропривод с асинхронным коротко - замкнутым двигателем:

В — выпрямитель; Ф — фильтр; АИН — автономный IGBT-инвертор напряжения; УУП — устройство управления преобразователем частоты; М - двигатель

При регулировании скорости электропривода частота и напряжение на выходе ПЧ изменяются взаимосвязано в со­ответствии с требуемым соотношением. Изменяя частоту, можно плавно в широких пределах регулировать скорость вращения ротора двигателя. При этом скольжение асинхрон­ного двигателя в процессе регулирования при заданном зна­чении нагрузки изменяется незначительно, а следовательно, потери в цепи ротора, пропорциональные скольжению, также изменяются незначительно, что обеспечивает энергосбере­жение.

В настоящее время выпуск частотно-регулируемых элек­троприводов осуществляют десятки различных фирм во мно­гих странах. К их числу можно отнести: ABB (Швейцария), «General Electric» (США), «Siemens» (Германия), «Schneider Electric» (Франция), «Mitsubishi» (Япония), «Hitachi» (Япония), «Триол» (Россия) и др.

Несмотря на то что ПЧ различных фирм отличаются ти­пами применяемых силовых полупроводниковых приборов, исполнением, видами защит и другим, следует отметить об­щие принципы построения современных частотно-регулируе­мых электроприводов. Отметим некоторые из них:

1. Силовая часть — преобразователь частоты состоит из выпрямителя, фильтра постоянного напряжения и IGBT-, GCT- или IGCT-инвертора с модулем торможения в звене постоянного напряжения. Для снижения уровня радиопомех (кондуктивных — распространяющихся по проводам) на вхо­де ПЧ может включаться блок входного фильтра; для ограни­чения перенапряжений на зажимах приводного двигателя и защиты изоляции его обмоток от пробоя и ускоренного ста­рения на зажимы двигателя включается блок выходного фильтра.

2. Система управления — микропроцессорная, формирует сигналы управления инвертором согласно алгоритму, позво­ляющему максимально использовать напряжение источника с минимальными искажениями формы выходного напряжения, обеспечивая при этом:

автоматическое определение параметров подключенного двигателя;

самотестирование двигателя и технологических датчиков;

индикацию состояния двигателя дискретными сигналами;

цифровую индикацию на встроенном жидкокристалличе­ском дисплее:

-текущих значений переменных электропривода: задан­ного и (или) фактического значения скорости, тока статора двигателя, напряжения сети, потребляемой мощности и др.;

- параметров регулятора и способа ввода задания, на­чального направления вращения, времени разгона и тормо­жения, максимального и минимального значений выходной частоты, пропорционального, интегрального и дифференци­ального коэффициентов ПИД-регулятора и др.;

— значений уставок защиты (максимально-токовой, время-токовой и температурной двигателя, параметров частотно-токового ограничения, температурной преобразователя);

— просмотр и изменение параметров двигателя и регуля­тора со встроенного пульта управления при вводе пароля доступа к режиму программирования.

Указанные функции выполняются с помощью специали­зированного по архитектуре под задачи управления электро­приводом быстродействующего сигнального процессора (DSP).

Управление электроприводом может быть: местным со встроенного пульта управления, дистанционное с дистанци­онного пульта управления, дистанционное от внешней АСУ или персонального компьютера по каналам последовательной связи, интерфейс RS485.

Для приема управляющих и задающих сигналов электро­привод может содержать:

аналоговые входы в стандарте 0—10 В (0 — 5 В), 0 —±10 В (0-±5 В);

аналоговые входы с гальванической развязкой в стандарте 4-20 мА;

дискретные входы с гальванической развязкой.

Для управления внешними устройствами электропривод может содержать релейные и аналоговые выходы. Назначе­ния цифровых входов и выходов могут быть перепрограмми­рованы. Предусматривается также возможность увеличения числа входов (выходов) с помощью дополнительных встраи­ваемых субмодулей расширения.

3. Система защит электропривода может включать защи­ты от:

токов недопустимой перегрузки и короткого замыкания;

замыкания на «землю»;

обрыва фазы;

перенапряжений на силовых элементах схемы;

недопустимых отклонений и исчезновения напряжения питающей сети;

недопустимого перегрева силовых элементов схемы;

неисправностей и сбоев системы управления;

недопустимых отклонений технологического параметра и др.

Кроме того, могут быть предусмотрены режимы ограниче­ния максимальной и минимальной мощности электропривода, минимальной и максимальной рабочей частоты и других параметров.

4. Система сигнализации электропривода сообщает о:

наличии напряжения питающей сети;

включенном (отключенном) состоянии;

аварийном отключении и др.

Дополнительная информация о состоянии электропривода выводится на дисплей пульта управления в виде текстовых сообщений или кодов.

Для получения высокого качества управления электропри­водом в статических и динамических режимах в широком диапазоне регулирования скорости, в том числе в области нулевых скоростей, необходимо иметь возможность быстрого непосредственного управления моментом электродвигателя.

Современные средства микропроцессорной техники по­зволяют формировать сложные законы управления асин­хронным двигателем, близкие по качеству регулирования мо­мента, скорости и других величин к электроприводам с дви­гателями постоянного тока. Это становится возможным, если раздельно воздействовать на две составляющие статорного тока асинхронного двигателя: намагничивающую, опреде­ляющую значение магнитного потока двигателя, и ортого­нальную ей составляющую тока, определяющую момент дви­гателя.

Такое векторное представление составляющих тока для каждой фазы двигателя получило название векторного управления. Иными словами, в асинхронном двигателе необ­ходимо обеспечить управление, как амплитудой, так и фазой тока статора, т.е. оперировать векторными величинами, чем и обусловлен термин векторное управление. Синонимами дан­ного термина, отражающими некоторое различие используе­мых методов измерения параметров и управления их фазой, являются: «управление полем», «ориентация поля», «прямое управление моментом», «регуляторы утла».

Основным узлом векторного управления является преоб­разователь сигналов задания магнитного потока и момента в сигналы задания токов для фаз двигателя. В системах мик­ропроцессорного управления асинхронным двигателем эта задача решается программными средствами.

По соображениям универсальности и массового выпуска большая часть фирм производит частотно-регулируемые электроприводы с возможностью реализации для них век­торного управления, применение которого целесообразно для электроприводов, работающих в динамических режимах. Для электроприводов рабочих машин с редкими пуска­ми продолжительного режима работы со спокойной нагруз­кой векторное управление является функционально избы­точным.

В современных частотно-регулируемых электроприводах заложены следующие принципы структурно-функциональ­ного построения:

блочно-модульная компоновка;

комплектность поставки;

компьютеризация;

наличие средств визуализации процесса;

развитая система диагностики;

встроенный ПИД-регулятор контролируемого параметра электропривода или технологического процесса;

автоматическая компенсация скольжения, основанная на увеличении частоты на выходе ПЧ по сравнению с заданной частотой;

компенсация падения напряжения на активном сопротив­лении цепи статора двигателя (IR компенсация), применяемая для электроприводов рабочих машин с постоянным моментом сопротивления;

плавный пуск (торможение) по линейному, S или U-законам во времени с программными средствами настройки про­должительности пуска (торможения). возможность блокировки 2- или 3-х частот механического резонанса;

защита от блокировки ротора;

возможность реализации различных законов взаимосвя­занного регулирования напряжения и частоты на выходе ПЧ, наиболее полно отвечающих требованиям конкретной рабо­чей машины с целью достижения наилучшего энергосбере­гающего режима;

возможность программными средствами выбора режимов работы с нормальным или увеличенным моментом (для рабо­чих машин с повышенными требованиями к перегрузочной способности);

многоскоростной режим, заключающийся в наличии большого количества уставок скорости, который использует­ся, если по условиям технологического процесса требуется несколько фиксированных скоростей электропривода;

автоматический самозапуск электропривода после кратко­временного исчезновения напряжения сети;

предотвращение опрокидывания ротора, заключающееся в том, что если при разгоне (торможении) электропривода за­дано слишком большое ускорение (замедление), а мощность ПЧ недостаточна, то автоматически увеличится время пуска (торможения);

определение скорости (подхват на ходу) используется, ес­ли команда на пуск подается при вращающемся двигателе. Для предотвращения больших пусковых токов в этом случае используется функция поиска скорости. Преобразователь частоты в этом случае определяет скорость электродвигателя и начинает пуск не с нуля, а с требуемой скорости. Функция актуальна для электроприводов с большим моментом инер­ции;

наличие встроенных систем учета потребляемой электро­энергии и израсходованного моторесурса;

возможность быстрого копирования параметров настройки электропривода с одного ПЧ на другой;

автоматический энергосберегающий режим;

обеспечение малошумной работы электродвигателя за счет реализации специального метода ШИМ-модуляции;

выполнение функций регулирования параметров техноло­гического процесса, исполнитель­ным органом которого служит частотно-регулируемый элек­тропривод;

возможность встраивания в системы автоматизации верх­него уровня;

технологические защиты.

наличие до четырех независимых наборов параметров, ак­тивизируемых программно или аппаратно для различных применений и при изменении внешних условий функционирования электропривода;

возможность выбора разных языков диалога (русского, английского, немецкого и др.).

В отдельных исполнениях ПЧ может оснащаться программируемым устройством релейной автоматики, обеспечивающим возможность автоматизации сложных многоагрегатных установок и технологических комплексов.

Для гибкой настройки частотно-регулируемых электроприводов к конкретным объектам применения предусматриваются дополнительные модули (опции), расширяющие возможность базового исполнения. Все опции можно разделить на внутренние и внешние. К внутренним относят: различные коммуникационные модули, обеспечивающие возмож­ность подключения ПЧ к информационным сетям; платы расширения, с помощью которых увеличивается число дис­кретных и аналоговых входов и выходов; платы обратных связей по параметрам электропривода и технологических процессов. К внешним опциям относят: дроссели, служащие для улучшения гармонического состава тока и напряжения; фильтры для обеспечения требований к электромагнитной совместимости, тормозные модули с тормозными резистора­ми и др.

Основные направления дальнейшего совершенствования частотно-регулируемых электроприводов:

расширение диапазона выходной регулируемой частоты с целью создания быстроходных безредукторных систем элек­тропривода;

разработка программных макросов, предназначенных для встраивания электропривода в специфические технологиче­ские процессы (управление многонасосной станцией, много­двигательным электроприводом, грузоподъемным механизмом

и др.);

расширение коммуникационных возможностей для встраивания электропривода в локальные информационно-управляющие системы, АСУ ТП и другие сложные автомати­зированные системы;

улучшение гармонического состава и повышение электро­магнитной совместимости с сетью;

совершенствование процедуры гибкой и адаптивной на­стройки характеристик U/f с целью достижения наилучшего энергосберегающего режима;

обеспечение режима адаптации к изменению параметров электромеханической системы с целью компенсации измене­ний активных сопротивлений двигателя, момента инерции и нагрузки на характеристики электропривода;

снижение габаритов, повышение надежности и др.

В настоящее время в частотно-регулируемых электропри­водах мощностью до 1 МВт используются IGBT-инверторы, а в электроприводах большей мощности GTO-, GCT- или IGCT-инверторы.

Однако с увеличением параметров IGBT-транзисторов мощности ПЧ, выполненных на их базе, и соответствен­но частотно-регулируемых электроприводов будут воз­растать.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: