Меню

Привод регулируемый с частотной регулировкой



Частотный электропривод. Эффективность применения частотно-регулируемых приводов

На сегодняшний день уже невозможно представить современное промышленное производство, транспортные системы, любую сферу жизнедеятельности человека без применения в них электрических двигателей. Для обеспечения непрерывного и энерогоэффективного управления технологическими процессами, в которых используются электродвигатели, применяется частотно-регулируемый привод (ЧРП), основным звеном которого, помимо двигателя, является преобразователь частоты (сокращенно называют – ПЧ, или просто «частотник»).

В связи с развитием микропроцессорной техники и электроники современные частотные преобразователи обладают следующими преимуществами:

  • обеспечение КПД установки до 99%;
  • наличие комплексного набора защит регулируемого электропривода;
  • возможность использования для множества технологических применений;
  • ограничение пусковых токов в пределах 1,2*Iн при запуске двигателя;
  • плавное регулирование скорости вращения двигателя в широком диапазоне частот;
  • возможность рекуперации энергии в питающую сеть для повышения энергоэффективности с помощью рекуператора;
  • наличие необходимых протоколов связи для обеспечения автоматизации и диспетчеризации в общей системе управления АСУ ТП.

Преобразователи частоты являются довольно универсальным приводным устройством, предусмотренным для работы в различных областях промышленности и производства. Но для каждого применения необходимо учитывать технологические особенности функционирования оборудования, которым будет управлять частотник, для оптимального использования имеющегося у преобразователя набора характеристик. Также это напрямую будет влиять на эффективность и бесперебойность работы самого частотника и электроприводного комплекса в целом.

Для понимания особенностей функционирования преобразователя частоты подробнее рассмотрим его устройство.

Устройство и принцип работы преобразователя частоты

Частотные преобразователи реализуют по схеме, состоящей из силовой и управляющей части. Силовая часть содержит в себе транзисторные, либо тиристорные элементы, работающие в качестве электронных ключей. Регулирование их работы производится при помощи цифровых микропроцессоров, которые помимо управления «ключевой» схемой еще выполняют функции защиты, диагностики и сопряжения с внешней системой управления преобразователем частоты.

В зависимости от принципа построения силовой части преобразователи можно разделить на 2 типа:

  • преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока;
  • без звена постоянного тока (ПЧ с непосредственной связью).

Одним из первых типов преобразователей частоты были именно «частотники» с непосредственной связью. Силовая часть данных устройств основывалась на тиристорных элементах и представляла собой управляемый выпрямитель.

При работе ПЧ группы тиристоров в определенной последовательности открывались, подавая напряжение на обмотки двигателя. Выходное напряжение таких преобразователей имело «пилообразную» форму, а его частота не могла превышать частоту питающей сети. Диапазон регулирования в преобразователях частоты без звена постоянного тока довольно мал – не более 1:10, что является недостаточным в современных реалиях управления технологическими объектами. Вследствие чего, в настоящий момент применение ПЧ подобного типа ограничено для большинства применений в связи с высокими требованиями, которые предъявляются к характеристикам входного напряжения и диапазону регулирования.

Вышеназванные недостатки ПЧ с непосредственной связью были решены в современных преобразователях частоты со звеном постоянного тока, силовая часть которых состоит из выпрямителя, фильтра и транзисторного инвертора.

Типовая схема и принципы работы ПЧ со звеном постоянного тока показаны на рисунке:

В таких устройствах питающее напряжение преобразовывается дважды: входное напряжение выпрямляется в выпрямителе (1), сглаживается на фильтрующих элементах (2), и далее преобразуется в инверторе (3) в выходной сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). При необходимости на инверторном выходе до двигателя устанавливается моторный дроссель (4) для сглаживания токовых пульсаций.

На инверторе постоянное напряжение преобразуется в трехфазное переменное с изменяемой частотой и амплитудой. Микропроцессорное устройство в ПЧ подает сигналы управления на силовые транзисторы инвертора, формируя практически синусоидальный сигнал необходимой формы. Наибольшая ширина сигнальных импульсов – в середине полупериода, а в начале и ближе к окончанию полупериода она уменьшается, тем самым обеспечивая ШИМ-модуляцию напряжения, которое подается на обмотки двигателя.

Подобное построение силовой части ПЧ позволило преобразователям со звеном постоянного тока обеспечить:

  • широкий диапазон регулирования (до 1: 10 000);
  • быстродействие электроприводного комплекса в целом;
  • возможность регулирования частоты вращения на низких оборотах двигателя;
  • снижение уровня высших гармоник ПЧ и пульсации момента;
  • увеличение срока службы преобразователя частоты и управляемого им электродвигателя .

Относительно алгоритмов контроля и управления работой преобразователей частоты на практике подразделяются следующие методы управления:

  • скалярное управление;
  • векторное управление.

Скалярное (частотное) управление электродвигателем переменного тока используют там, где требуется поддерживать постоянным отношене напряжения к частоте.

Векторный принцип управления относительно скалярного – более производителен, имеет широкий диапазон и точность регулирования (в том числе на малых оборотах двигателя).

Метод управления выбирается в зависимости от требований, которые необходимы для выполнения технологического процесса.

Более подробно о различиях и особенностях применения скалярного и векторного метода регулирования можете прочесть в одной из наших предыдущих статей .

Читайте также:  Регулировка доводчика dorma ts 73v

Пример эффективного применения ЧРП

В качестве одного из объектов частотно-управляемого привода, где применение ПЧ качественно повышает эффективность всего технологического процесса, можно привести в пример подъемные механизмы, в частности – лифтовое оборудование. Учитывая тяжелые условия эксплуатации подобного оборудования, повторно-кратковременные режимы при частых включениях/отключениях, установка частотно-регулируемого привода является эффективной возможностью увеличения технологичности и оптимизации подъемных процессов, позволяя:

  • Существенно снизить энергопотребление привода (в среднем, частотный электропривод для управления лифтовым оборудованием экономит до 40% электроэнергии (по сравнению с применениями без ПЧ).
    Тем самым значительно уменьшаются затраты на энергоресурсы и есть возможность в минимальные сроки окупить средства, которые были вложены в модернизацию.
  • Осуществлять плавный запуск, разгон и остановку лифтовых механизмов, обеспечивая необходимое значение крутящего момента двигателя на небольшой частоте вращения и режим “противоотката” кабины лифта.
    Это позволит увеличить срок службы электродвигателей и механических частей механизма, уменьшить затраты на техническое обслуживание приводного комплекса, гарантировать оптимальный рабочий режим лифта.
  • Дополнить защитные функции системы.
    Данная опция позволит комплексно защитить привод по токовой перегрузке, перенапряжению, утечек, фазных обрывов и т.д.
  • Выполнить сброс излишней энергии при остановке приводного механизма.
    Это осуществляется при помощи подключаемых к частотнику тормозных резисторов, либо посредством рекуператоров энергии для максимально эффективного управления частотным приводом (в этом случае излишняя энергия будет возвращаться обратно в питающую сеть).
  • Модернизировать производственный цикл за счет широких возможностей управления работой привода и процессами торможения.
    Применение ПЧ обеспечивает точное регулирование скорости движения и положения кабины с помощью датчиков обратной связи (диапазон регулирования скорости 1:1000, точность поддержания скорости составляет 0,01%).

По статистике подобных применений, при внедрении преобразователей в лифтовых системах окупаемость частотного регулируемого привода не превышает 2 лет. При этом сокращаются затраты на обслуживание и ремонт лифтового электропривода.

Выводы

Применение преобразователей частоты при управлении электроприводами позволяет напрямую подстраивать регулируемые производственные характеристики (температуру, давление, скорость движения рабочих механизмов) под различные нужды с сохранением высокого КПД, обеспечивая при этом существенное снижение энергопотребления. Поэтому внедрение частотно-регулируемого привода позволяет решать задачи не только в области автоматизации процесса производства, но и в сфере энергосбережения.

Осуществляя на практике подбор частотного регулируемого привода, необходимо оценить требования, которые предъявляются к объекту управления – это диапазон и точность регулирования, необходимость удержания определенного момента на валу двигателя (в частности, при небольших частотах вращения) и требования к работе электропривода в аварийных ситуациях.

По вопросам подбора оборудования применительно к вашим техническим требованиям
и условиям применения обратитесь к специалистам компании ООО «РусАвтоматизация»

Подписывайтесь, чтобы не пропускать новые публикации.

Источник

Что такое частотно-регулируемый привод?

Регулируемый электропривод предназначен для управления двигателем путем контроля параметров. Скорость прямо пропорциональна частоте. Поэтому, варьируя частотой, можно поддерживать скорость вращения вала мотора, заданную согласно технологии. Пошаговое описание рабочего процесса для частотно-регулируемого привода (ЧРП) выглядит примерно так.

  1. Шаг первый. Преобразование диодным силовым выпрямителем одно- или трехфазного входного тока в постоянный.
  2. Шаг второй. Контроль преобразователем частоты за крутящим моментом и скоростью вращения вала электродвигателя.
  3. Шаг третий. Управление выходным напряжением, поддерживание постоянного соотношения U/f.

Устройство, выполняющее на выходе системы обратную функцию генерации постоянного тока в переменный, именуется инвертором. Избавление от пульсаций на шине достигается путем добавления дросселя и конденсатора фильтра.

Как выбрать частотно-регулируемый электропривод

Преобладающее число частотных преобразователей изготавливаются со встроенным фильтром электромагнитной совместимости (ЭМС).

Различаются такие виды управления, как скалярное, бездатчиковое и датчиковое векторное, и др. Согласно заданным приоритетам в принятии управленческих решений, приводы выбираются по:

Если ЧРП предназначен для асинхронного двигателя с большим сроком эксплуатации, то рекомендуется выбирать частотный преобразователь с завышенным током на выходе.С помощью современных преобразователей частоты возможно управление с пульта, по интерфейсу или комбинированным методом.

Технические особенности применения частотного электропривода

  1. Для обеспечения высокой производительности можно свободно переключаться на любой режим в настройках.
  2. Практически все устройства обладают диагностическими функциями, что позволяет быстро устранить возникшую неполадку. Однако рекомендуется в первую очередь проверить настройки, исключить вероятность непроизвольных действий работников.
  3. Регулируемыйприводможетсинхронизировать конвейерные процессы, либо задавать определённое соотношение взаимозависимых величин. Сокращение оборудования ведёт к оптимизации технологии.
  4. В состоянии автонастройки параметры двигателя автоматически заносятся в память преобразователя частоты. Благодаря чему повышается точность вычисления момента, и улучшается компенсация скольжения.

Область применения

Производителями предлагается широкий ассортимент приводов, используемых в областях, где задействованы электродвигатели. Идеальное решение для всех видов нагрузки, в том числе насосов и вентиляторов. Системы среднего класса используются на угольных электростанциях, в горнодобывающей промышленности, на мельницах, в жилищно-коммунальном хозяйстве и т. д. Диапазон номиналов выглядит таким образом: 3 кВ, 3.3 кВ, 4.16 кВ, 6 кВ, 6.6 кВ, 10 кВ и 11 кВ.

Читайте также:  Как регулировать зеркала в солярисе

С появлением регулируемого электропривода контроль давления воды у конечного потребителя не вызывает проблем. Интерфейс с продуманной структурой сценариев отлично подходит для управления насосным оборудованием. Благодаря компактной конструкции, привод может быть установлен в шкаф различного исполнения. Продукты нового поколения обладают свойствами передовой техники:

  • высокая скорость и точность управления в векторном режиме;
  • существенная экономия электроэнергии;
  • быстрые динамические характеристики;
  • большой низкочастотный вращающий момент;
  • двойное торможение и т. д.

Назначение и технические показатели

Комплектные ЧРП напряжением до и выше 1 кВ (предназначенные для приема и преобразования энергии, защиты электрооборудования от токов КЗ, перегрузки) позволяют:

  • плавно запускать двигатель, а, следовательно, уменьшать его износ;
  • останавливать, поддерживать частоту вращения вала двигателя.

Комплектные ЧРП шкафного исполнения до 1кВ выполняют те же задачи по отношению к двигателям с мощностью 0,55 – 800 кВт. Привод нормально работает, когда напряжение в электросети находится в пределах от -15% до +10%. При безостановочной работе снижение мощности наступает, если напряжение составляет 85%-65%. Общий коэффициент мощности cosj = 0,99. Выходное напряжение автоматически регулируется посредством автоматического включение резерва (АВР).

Преимущества использования

С точки зрения оптимизации и потенциальные преимущества предоставляют возможность:

  • регулировать процесс с высокой точностью;
  • удалённо диагностировать привод;
  • учитывать моточасы;
  • следить за неисправностью и старением механизмов;
  • повышать ресурс машин;
  • значительно снижать акустический шум электродвигателя.

Заключение

Что такое ЧРП? Это мотор-контроллер, который управляет электродвигателем за счет регулировки частоты входной сети, и одновременно защищает агрегат от различных неисправностей (токовой перегрузки, токов КЗ).

Электрические приводы (выполняющие три функции, связанные со скоростью, управлением и торможением) являются незаменимым устройством для работы электродвигателей и других вращающихся машин. Системы активно применяются во многих сферах производства: в нефтегазовой отрасли, атомной энергетике, деревообработке и др.

Источник

Частотно-регулируемые электроприводы — шаг к энергосбережению

Частотное регулирование пуска асинхронных электродвигателей построено на использовании преобразователя частоты, способного выполнить функцию устройства, регулирующего скорость вращения электрической машины.

Рис. №1. Преобразователь частоты.

Преимущества частотного регулирования

С помощью метода частного регулирования получают:

  • оптимально удобное изменение частоты вращения электрического двигателя в процессах и технологиях, которые никогда ранее не регулировались;
  • управление скоростью работы электрическими машинами в синхронном режиме, от одной частотной установки;
  • использование частотных регуляторов позволяет перейти с машин постоянного тока на асинхронные двигатели, это дает возможность понизить эксплуатационные расходы;
  • частотный преобразователь позволяет придерживаться строго заданных технологических параметров;
  • благодаря устройству можно избавиться от механических узлов регулирования частоты вращения, вариаторов или ременных передач;
  • с их помощью улучшается степень износоустойчивости оборудования и увеличивается его срок эксплуатации;
  • точность регулирования скоростных режимов работы очень высокая, важно для устройств и механизмов, отличающихся постоянным моментом нагрузки;
  • использования частотного регулирования повышает эффективность электрооборудования и обеспечивает энергосбережение;

Весь принцип работы частотного регулирования построен на использовании синхронных и асинхронных машин и преобразующего частоту устройства. Статическое электронное устройство, каким является электронный преобразователь частоты, управляет процессом работы двигателя, формируя на выходе напряжение, обладающее переменной частотой и амплитудой. Преобразователь меняет частоту питающего напряжения, скорость двигателя соответственно изменяется.

Работа преобразователя осуществляется за счет использования полупроводниковых приборов – силовых тиристоров и транзисторов IGBT (биполярные устройства с изолированным затвором).

Рис.№2. Внешний вид преобразователей частоты в диапазоне мощностей от 0,75кВ.

Способы управления

Частота вращения ротора короткозамкнутых двигателей находится в прямой зависимости от частоты питающего оборудование сетевого напряжения. Это главное от чего зависит метод частотной регулировки. Изменяя величину частоты, на входе двигателя, изменяется скорость вращения его вала.

Управление скоростью может быть скалярным или векторным.

Векторное управление

Векторное управление включает метод управления потокосцепления (бессенсорный способ) и метод регулирования фазы статорного тока и фазы магнитного поля в зависимости от вращения ротора. Осуществляется с помощью датчиков позиционирования (обратной связи скорости) или за счет интегральных схем ASIC. Преобразователь на их основе создает образ двигателя, за счет математического моделирования, задает тепловые характеристики двигателя при разных режимах работы. Диапазон управления при векторном способе существенно увеличивается, параметры точности и быстродействия повышаются. Векторное управление считается методом широтно-импульсной модуляции.

Рис. №3. График выходного напряжения инвертора с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией).

С помощью векторного регулирования осуществляется точность регулирования по скорости до сотых долей процента, а точность в зависимости от момента в единицы процентов.

Скалярное управление

При скалярном регулировании изменяется амплитуда и частота напряжения питания оборудования. Когда изменяется частота напряжения и происходит отклонение диаграммы величин моментов пуска и максимального, двигателя, изменение КПД и коэффициента мощности, для соответствия рабочим характеристикам оборудования, необходимо изменять и амплитуду напряжения. Амплитудное управление состоит из трех основных частей: выпрямитель управления, фильтр и инвертор независимого типа в виде реверсивного переключателя, он обладает автономной установкой и служит устройством, формирующим разнополярные импульсы.

Читайте также:  Газ 3309 рулевое управление с гидроусилителем регулировка

Рис. .№4. График переходных процессов в скалярной системе регулирования.

В настоящее время работают преобразователи частоты со скалярным управлением, в которых сохраняется неизменным отношение максимального момента электрического двигателя к моменту сопротивления на ее валу. Этот показатель свидетельствует о перегрузочной способности двигателя, определяет характер нагрузки всей машины.

Для увеличения пускового момента при уменьшении максимального момента двигателя увеличивают значение напряжения.

Одно из главных преимуществ скалярного метода может считаться способность управлять несколькими агрегатами.

Что такое преобразователь частоты

Устройство, которое служит для изменения значения токов и нагрузки и напряжения в соответствии одной частоты в другое значение этих величин другого частотного значения. Диапазон регулирования включает самые широкие границы величины частоты.

Преобразователь частоты включает в свою конструкцию два основных блока, являющиеся управляющей и силовой частью.

Тиристоры и транзисторы, представляющие собой электронный ключ, составляют силовую часть. Цифровые микропроцессоры относятся к управляющей части, управляют силовой частью и служат для организации контроля, диагностики и защитных функций.

Существует два типа преобразователей, их конструктивные особенности зависят от структуры построения работы силовой части.

  • Преобразователи частоты, в которых главным считается явно выраженное звено постоянного тока.
  • Устройство с непосредственной связью без использования промежуточного звена.

Устройства с непосредственной связью работает на не запираемых тиристорах. Обмотки статора двигателя поочередно подключаются с помощью групп тиристоров. Система управления имеет существенный недостаток, который подразумевает наличие сложной системы управления. «Резанная» или «пилообразная» синусоида создает большие потери энергии в двигателе, происходит это за счет высших гармоник, являющихся следствием сильных помех в сети. Для повышения качества электрической энергии потребители вынуждены использовать компенсирующие устройства, которые отличает высокая стоимость.

Рис. № 5. Схема преобразователя с непосредственной связью.

К достоинствам преобразователей с непосредственной связью относятся:

  • Высокий КПД.
  • Обладание способностью работать с большими напряжениями и токами, разрешающими использовать их с высоковольтным оборудованием.
  • Стоимость самого преобразователя отличается невысокой ценой, хотя сопутствующее оборудование стоит очень дорого.

Устройство с явно выраженным звеном постоянного тока отличают двойное преобразование энергии – это сглаживание синусоиды напряжения в фильтре и выпрямление в выпрямителе, после чего оно снова преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды напряжения.

Рис. № 6. Схема преобразователя с явно выраженным звеном постоянного тока.

Автономные инверторы формируют синусоидальное напряжение переменного тока. Основу устройства составляют запираемые транзисторы GTO моделей IGCT и другие, а также биполярные модели IGBT, обладающие запираемым затвором. Они работают с током и напряжением больших величин в течении длительного времени и под большой нагрузкой, способны выдержать значительные импульсные воздействия.

Рис №7 . Схема инверторного преобразователя, состоящего из: 1 – выпрямитель неуправляемого или управляемого типа; 2 – фильтра для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, вместе с выпрямителем он является звеном постоянного тока; 3 – импульсного инвертора; 4 – фильтр для сглаживания пульсаций на выходе из устройства.

Особенно велико участие инверторов в высоковольтном приводе мощностью до десятков мегаватт, где значение выходного напряжения составит 3 – 10кВ и выше.

Тип преобразователей на тиристорах IGBT имеет ряд существенных преимуществ – это:

  • Полная управляемость.
  • Неэнергоемкая и простая схема управления.
  • Границы регулирования частоты самые высокие.
  • Возможность работать на невысоких скоростях без использования датчика обратной связи.
  • Комбинация устройства с микропроцессорами управления способствуют понижению уровня высших гармоник и предотвращает появление потерь в обмотках электродвигателя.
  • Способствует снижению нагрева статора и уменьшает пульсацию момента, предотвращает явление называемое «шагание» ротора двигателя в районе малых частот.
  • Понижает потери в магнитопроводе трансформатора в конденсаторах.
  • Повышает долговечность оборудования и увеличивает длительность эксплуатации проводов на ВЛ.
  • Уменьшает число ложных срабатываний защит и снижает погрешности измерительных индукционных приборов.
  • Благодаря модульной структуре повышается надежность устройства, и уменьшаются его габаритные размеры.
  • Обладают стойкостью к броскам тока и перенапряжениям.

Современные преобразователи частоты стоят немалые деньги, но их окупаемость, происходит за время менее 2 лет, используя преобразователь частоты существует реальная возможность добиться существенной экономии энергоресурсов и увеличить время эксплуатации всего оборудования.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось — это поможет развитию канала

Источник

Adblock
detector