Результаты применения преобразователей частоты

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ.
Принцип преобразования частоты.
 Обобщенная эквивалентная схема. Общая теория преобразования
 Свойства преобразователя частоты.
 Транзисторный преобразователь частоты
Преобразователь частоты (иначе частотно-регулируемый электропривод) представляет из себя
статическое преобразовательное устройство, предназначенное для изменения скорости вращения
асинхронных электродвигателей переменного тока.
Преобразователь частоты преобразует напряжение одной частоты на другую с управляемым
напряжением и частотой. Устроенный на полупроводниках преобразователь частоты называют еще
статическим преобразователь частоты, потому что первоначально преобразователи частоты были
электромашинные, т.е. нестатическими. Преобразователи частоты бывают двух видов:
1.
преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока
2.
преобразователь частоты непосредственный
Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока имеют на стороне питающей сети
выпрямитель, выход которого включает автономный инвертер. Между выпрямителем и инвертером
находится так называемое промежуточное звено постоянного тока, которое сглаживает ток и напряжение и
накапливает энергию.
Непосредственные преобразователи частоты (циклоконвертеры, двойной ШИМ преобразователь частоты и
матрикс-преобразователь частоты) не имеют промежуточного звена постоянного тока. Эта особенность
позволяет построить преобразователи частоты с очень большой мощностью (десятки МW), например, для
двигателей привода ходовых винтов кораблей.
Используют преобразователи частоты для насосов, электротранспорта, станков, компрессоров, конвейеров,
кранов, текстильных и бумажных машин, приводов на асинхронных и синхронных машинах для получения
регулируемой скорости вращения. Выходное напряжение преобразователей частоты достигает 10кW,
мощность несколько МW и частота до кНz. Используя преобразователи частоты, можно заменить машины
постоянного тока на более надежные асинхронные и синхронные машины. Преобразователь частоты
должен иметь:
 требуемое входное и выходное напряжение и мощность
 максимальный и не зависимый от нагрузки КПД
 близкое к синусоидальному выходное напряжение
 возможность регулировать выходное напряжение и частоту в больших пределах
 требуемую степень защиты корпуса
 низкий электромагнитный и акустический шум
 большую надежность и срок работы
Кроме того, они должны:
 работать параллельно
 работать на холостом ходу
 иметь простое использование и обслуживание
Преобразователь с промежуточным звеном постоянного тока.
Преобразователь частоты состоит из выпрямителя, фильтра сглаживания и автономного инвертера.
Выпрямитель обычно трехфазный с полностью или частично управляемыми тиристорами.
Управляемый выпрямитель используют для питания инвертера, где синусоидальное напряжение
модулируется ШИМ, а эффективное значение выходного напряжения регулируется изменением напряжения
промежуточного звена.
Для возвращения энергии торможения обратно в сеть используют с выпрямителем обратно-параллельно
включенный синхронизированный с сетью инвертер.
1
Рисунок 1. Упрощенная структурная схема преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного
тока.
Промежуточные звенья постоянного тока используют трех видов. Одни содержат сглаживающий фильтр,
другие - только большой сглаживающий дроссель, который вместе с инвертером образует источник
постоянного тока. Первый вид промежуточного звена применяют вместе с инвертором напряжения, второй вместе с инвертером тока. Промежуточное звено может содержать и преобразователь постоянного
напряжения, который изменяет (обычно уменьшает) напряжение промежуточного звена и улучшает КПД
преобразователя частоты. В состав промежуточного звена может входить и сопротивление торможения,
которое включают когда двигатель надо быстро остановить. Энергия торможения гасится на сопротивлении
и не дает повышения напряжения промежуточного звена. Если выпрямитель не может возвращать энергию
обратно в сеть, напряжение на конденсаторе может превышать допустимый предел.
Инвертер преобразует постоянное напряжение в переменное с требуемой частотой. Инвертером можно
регулировать эффективное значение выходного напряжения. Для модулирования переменного входного
напряжения используют широтно-импульсную, импульсно-амплитудную модуляцию или управление
вектором тока или напряжения.
Система управления управляет работой отдельных звеньев преобразователя частоты. В современных
преобразователях для управления используют скоростные сигнальные процессоры и довольно сложные
алгоритмы, например, векторное управление. В состав системы управления входит интерфейс монитора,
программируемый вход и выход, интерфейс для PС.
Требования к преобразователю частоты для питания асинхронных машин:
•
выходной ток, как можно ближе к синусу (иногда в зависимости от машины и другие формы)
•
возможность изменять время ускорения и торможения
•
регулирование выходного напряжения по выбранной U/f зависимости
•
выдержка толчков пусковых токов
•
возможность работы в тормозном и генераторном режимах
•
большое быстродействие при изменении задаваемых данных
•
маленькое внутренне сопротивление, чтобы перепад на преобразователе не влиял на характеристику
двигателя
•
соответствие типовых мощностей преобразователя частоты к типовым мощностям
электродвигателей
Управление выходным напряжением и частотой. Если мы не питаем асинхронный двигатель от
преобразователя частоты, то надо обеспечить, чтобы магнитная индукция в воздушном зазоре двигателя
осталась неизменной независимо от частоты. Также надо следить, чтобы ток статора не превышал
номинального. Такое управление называют управление с постоянным магнитным потоком.
Применение
Преобразователь частоты или инвертер - это устройство, преобразующее входное напряжение 220В/380В
частотой 50Гц, в выходное импульсное напряжение посредством ШИМ (широтно-импульсной модуляции),
которое формирует в обмотках двигателя синусоидальный ток частотой от 0Гц до 400Гц или даже до
1600Гц.
Таким образом, плавно увеличивая частоту и амплитуду напряжения подаваемого на обмотки асинхронного
электродвигателя можно обеспечить плавное регулирование скорости вращения вала электродвигателя
2
Экономия электроэнергии при использовании регулируемого электропривода для насосов в среднем
составляет 50-75 % от мощности, потребляемой насосами при дроссельном регулировании. Это определило
повсеместное внедрение в промышленно развитых странах регулируемого привода насосных агрегатов
Основным преимуществом применения частотно-регулируемого управления электродвигателями насосов и
вентиляторов является снижение затрат на электроэнергию, за счет более эффективного управления
электроприводом при различных нагрузках. Даже небольшое снижение скорости вращения электропривода
(на 10%) дает значительную экономию в потребляемой электрической мощности (до 30%).
Плавный пуск, останов двигателя, ограничение тока в обмотках двигателя обеспечивают увеличение срока
службы не только электропривода, но и технологического оборудования в целом.
Встроенный ПИД- регулятор позволяет строить замкнутые системы управления с возможностью точного
автоматического подержания заданных технологических параметров. В случае насоса и вентилятора такими
параметрами могут быть давление, температура, расход, влажность. При этом такая система эффективней и
экономичней, чем система с поддержанием параметра с помощью регулирующего клапана или заслонки.
Применение устройств плавного регулирования частоты вращения двигателей в насосных агрегатах,
помимо экономии электроэнергии, дает ряд дополнительных преимуществ, а именно:
 плавный пуск и останов двигателя исключает вредное воздействие переходных процессов (типа
гидравлический удар) в напорных трубопроводах и технологическом оборудовании;
 пуск двигателя осуществляется при токах, ограниченных на уровне номинального значения, что
повышает долговечность двигателя, снижает требования к мощности питающей сети и мощности
коммутирующей аппаратуры;
 возможна модернизация действующих технологических агрегатов без замены насосного оборудования и
практически без перерывов в его работе.
Результаты применения преобразователей частоты
1. В жилищно-коммунальном хозяйстве
Опыт внедрения частотно-регулируемых электроприводов на насосных станциях показывает их весомые
преимущества, в сравнении с нерегулируемым электроприводом насоса. Вот далеко не полный перечень
преимуществ регулируемого электропривода в насосных системах:
 Снижение энергопотребления до 60%
 Снижение расхода воды на 25%
 Устранение гидроударов, разрушающих систему водоснабжения
 Срок окупаемости нового оборудования 5-6 месяцев
2. Применение преобразователей частоты и программируемых контроллеров в металлургии
Применение средств автоматизации позволяет значительно увеличить точность выполнения
технологического процесса. При этом:
Снижается время плавки и расход электродов (в дуговых сталеплавильных печах)
Снижается расход электроэнергии
Повышается средний коэффициент мощности
Повышается качество металла.
3. Модернизация подъемно-транспортных механизмов
 Применение частотно-регулируемых приводов в подъемно-транспортных механизмах позволяет:
Повысить энергетические характеристики электроприводов по сравнению с параметрическими
преобразователями и реостатным регулированием.
 Существенно повысить скорость и качество регулирования скорости
 Добиться плавности пуска и торможения
 Повысить комфортность управления и сохранность груза
 Избежать резких толчков, что позволит значительно продлить срок службы всех механических
элементов крана
4. В лифтовых применениях
В лифтовых применениях переход к частотно-регулируемому электроприводу позволяет значительно (на 5060%) снизить расход электроэнергии, увеличить надежность работы схемы благодаря ограничению ударных
моментов в переходных режимах, обеспечить эргономические требования по ограничению рывков и
ускорений, применять более дешевые односкоростные асинхронные двигатели.
5. Применение электропривода для решения задач поддержания уровня в резервуарах
В системах поддержания заданного уровня жидкости в резервуаре при использовании нерегулируемого
электропривода задача обычно решается при работе двигателя в так называемом "старт-стопном режиме",
когда происходит периодическое включение (отключение) двигателя при достижении минимальных
(максимальных) значений уровня жидкости. Использование частотно-регулируемых асинхронных
электроприводов позволяет поддержать практически постоянный уровень жидкости независимо от ее
3
расхода (притока), исключить удары в системе, связанные с частыми пусками двигателя, и снизить расход
электроэнергии.
6. Оптимизация энергопотребления в частотно-регулируемом приводе
Частотно-регулируемый электропривод имеет встроенные функции оптимизации энергопотребления. Суть
заключается в более гибком управлении напряжением двигателя при изменении нагрузки, что позволяет в
некоторых режимах дополнительно сэкономить до 30% потребляемой электроэнергии за счет снижения
потерь в двигателе. Режим энергосбережения особенно актуален для механизмов, которые часть времени
работают с пониженной нагрузкой. Примером могут служить конвейеры, насосы, вентиляторы и т.п.
Учитывая тот факт, что во многих случаях асинхронные двигатели выбираются с существенным запасом по
мощности и, следовательно, часто работают с неполной нагрузкой, можно ожидать высокой эффективности
широкого использования энергосберегающих преобразователей частоты.
Достоинства и недостатки непосредственных преобразователей частоты (НПЧ).
Можно указать следующие преимущества непосредственных преобразователей частоты по сравнению с
преобразователями со звеном постоянного тока.
1) Отсутствует двойное преобразование энергии в преобразователе. Процессы выпрямления и
инвертирования тока объединены в одном устройстве. В цепи преобразователя со звеном постоянного тока
содержится 4 последовательно соединённых полупроводниковых прибора: 2 тиристора (выпрямитель) и 2
транзистора или тиристора (инвертор). Непосредственный преобразователь в активном режиме имеет
только 2 последовательно соединённых тиристора.
КПД непосредственного преобразователя в принципе может быть выше КПД преобразователя со звеном
постоянного тока.
2) В большинстве областей применения НПЧ имеет форму выходного напряжения, более приближённую к
синусоиде по сравнению с преобразователем со звеном постоянного тока, инвертер каждого построен на
полностью управляемых полупроводниковых приборах. Это справедливо в случае, когда выходная частота
НПЧ много меньше частоты сети . Улучшение гармонического состава в преобразователе со звеном
постоянного тока путём повышения частоты модулированных по определённому закону импульсов в
полуволне выходного напряжения приводит к дополнительным динамическим потерям.
3) НПЧ обеспечивает естественную коммутацию тиристоров за счёт напряжения сети. Это важно, когда
преобразователь работает совместно с электрической машиной, не имеющей в своей электрической цепи
источников ЭДС, которые могут быть использованы для коммутации тиристоров (асинхронные двигатели).
Зачастую это создаёт преимущество перед преобразователями, построенными с использованием более
дорогих GTO – тиристоров или IGBT – транзисторов.
4) НПЧ может обеспечить передачу энергии не только от сети потребителю, но также энергии рекуперации
от нагрузки к источнику. Это оказывается весьма удобным в системах регулируемого электропривода с
машинами переменного тока, где рабочий процесс сопровождается пусками, торможениями и изменением
направления вращения.
5) НПЧ могут создаваться на очень большие мощности, имеющие порядок и более, а их силовая часть
состоит из обычных и сравнительно недорогих тиристоров.
6) НПЧ может быть сделан достаточно компактным, поскольку функции выпрямления и инвертирования
выполняются в нём одними и теми же мостами.
4