Курс лекций - НГТУ им. Р.Е. Алексеева
реклама
Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева Кафедра "Электрооборудование, электропривод и автоматика" ТЕОРИЯ СОВРЕМЕННОГО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА Курс лекций к изучению дисциплины "Теория современного автоматизированного электропривода" для студентов направления 13.04.02 очной формы обучения Нижний Новгород 2015 г ОБЗОРНАЯ ЛЕКЦИЯ ПО КУРСУ “ТЕОРИЯ СОВРЕМЕННОГО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА” ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И ОБЗОР РЫНКА ЧАСТОТНОГО ПРИВОДА В промышленно развитых странах техника частотно-регулируемых приводов используется уже более 30 лет. В течение всего этого времени закладывались научные и методические основы, разрабатывались технические и программные средства управления электроприводом, совершенствовались технологические процессы и оборудование, менялась элементная база силовых электронных элементов. Если в начале своего пути преобразователи частоты строились на основе тиристорных устройств, то теперь повсеместно используются транзисторные силовые ключи (т.н. IGBT технология, впервые разработанная компанией «TOSHIBA» в начале 80-х). В нашей стране существует более чем десятилетний опыт внедрения и эксплуатации систем с частотным регулированием. Проработаны идеологические, организационные и схемотехнические аспекты их применения. Разработаны и апробированы различные методики по определению экономического эффекта от внедрения частотно-регулируемых приводов, по расчету требуемой мощности преобразователя. Кроме того, на рынке России представлено огромное количество преобразователей частоты на напряжение 220-380 В в самом широком диапазоне мощностей, организовано их обслуживание и техническое обучение. Как показывают данные статистики, с каждым годом количество внедряемых систем растет, в центральных областях России уже можно говорить о близком насыщении рынка низковольтных частотных приводов. Вместе с тем, в стране существует большая потребность на высоковольтные преобразователи способные управлять двигателями с более высокими номинальными напряжениями, например, 6 или 10 кВ. По экспертным оценкам, в различных отраслях промышленности и в ЖКХ РФ находится в эксплуатации более 16 тысяч электродвигателей мощностью 0,3-5 МВт напряжением 6 и 10 кВ. Но лишь незначительная часть из них оборудована регулируемым электроприводом, в основном иностранного производства. Анализ ситуации в секторе электроприводов большой мощности, выполненный по ряду публикаций в зарубежных и отечественных изданиях, показал, что создание и начало широкого внедрения современных преобразователей частоты для электродвигателей с напряжением 3-10 кВ за рубежом пришлось на начало 90-х годов прошлого века. В 2001 — 2003 гг. об аналогичных разработках сообщили и российские производители. Высоковольтный преобразователь частоты предназначен для применения в системах автоматического управления мощными трехфазными асинхронными электродвигателями на напряжение 6-10 кВ и с диапазоном мощностей от сотен киловатт до десятков мегаватт. Область использования подобного оборудования чрезвычайно широка. Это могут быть привода насосов станций водоподъема и теплостанций, вентиляторов и дымососов, котельных в ЖКХ, механизмов транспортеров и производственных машин, экструдеров и куттеров в химической промышленности, турбонасосов и компрессоров в газо- и нефтеперекачивающем оборудовании топливно-энергетического комплекса и т. Д. Одно из стратегических направлений развития электроэнергетики России на период до 2015 года — техническое перевооружение и реконструкция около половины эксплуатируемых тепловых электростанций с продлением их ресурса и заменой основного и вспомогательного оборудования на новое с улучшенными технико-экономическими характеристиками. Приоритетом при этом является повышение эффективности топливоиспользования, энерго- и ресурсосбережение. Для энергетической отрасли это тем более важно, что уже к 2005 году мощность устаревшего и требующего модернизации парка генерирующего оборудования и, в первую очередь, парогенераторов и турбин составила около 80 млн. кВт. Около 90% высоковольтных двигателей приводят во вращение механизмы с «вентиляторной» нагрузочной характеристикой. Это насосные агрегаты водоснабжения, транспортировки нефти и других жидкостей, компрессоры сжатого воздуха и газов, вентиляторы, нагнетатели воздуха и т.д. Экономия электроэнергии при эксплуатации этих механизмов может быть получена несколькими путями: - за счет регулирования скорости отдельных двигателей; - за счет уменьшения числа работающих двигателей в выходные дни, во время технологических пауз и снижении нагрузки при управлении группой из нескольких насосных агрегатов. Включение их в работу для исключения бросков тока и динамических ударов должно выполняться либо с помощью дополнительных Устройств Плавного Пуска, либо, тем же преобразователем частоты с последующим переключением двигателей на коммерческую сеть (так называемый синхронный режим управления несколькими двигателями). Высоковольтные асинхронные двигатели для указанного выше оборудования разрабатываются производителем для длительных режимов работы. Такой режим работы ограничивает число пусков за период эксплуатации. Это обусловлено тем, что большие пусковые токи (6-8-кратные) помимо создания глубоких просадок питающего сетевого напряжения, приводят также к опасным для двигателей переходным процессам динамических нагрузок. Ударные моменты, возникающие при прямых включениях двигателя в сеть, зависят от угла сдвига момента подачи питания относительно нуля синусоиды. В самом неблагоприятном случае — при замыкании контактов в начале синусоиды — ударный момент может в 3-4 раза превысить каталожный критический момент двигателя и в 7-10 раз — его номинальный момент. Чем это может кончиться для двигателя — судите сами. Кроме того, известно много случаев, когда в процессе прямого включения в сеть двигателей насосных агрегатов и компрессоров срезались шпонки переходных муфт, выходили из строя турбины. Поэтому желание эксплуатационного персонала останавливать такие энергоемкие агрегаты, например в ночное время, может привести к серьезным авариям. Преимущества применения преобразователей частоты Применение высоковольтных преобразователей частоты позволяет: - устранить гидроудар и динамические перегрузки в трубопроводах при пуске и остановке насосного агрегата; - экономить электроэнергию в насосных, компрессорных и других агрегатах, работающих с переменной нагрузкой за счет исключения дросселирования потока механическими регуляторами (величина энергосбережения может доходить до 50%, в зависимости от режима и условий работы оборудования); - значительно снизить энергопотребление, ремонтные и эксплуатационные затраты при поддержании прежней производительности машин и механизмов; - увеличить срок службы электродвигателя и приводного механизма за счет его плавного пуска и оптимизации его работы в широком диапазоне изменения нагрузок; - создавать замкнутые системы асинхронного электропривода с возможностью точного поддержания заданных технологических процессов, требующих переменной скорости вращения двигателя. Теперь, когда необходимость применения высоковольтных преобразователей частоты для управления существующим парком перечисленного выше оборудования ясна, давайте рассмотрим предложения по данного рода технике, присутствующее на нашем рынке. ПЧ производства таких зарубежных фирм, как «Allen Bradley», «General Electric», «Ansaldo» и «Danfoss», выполнены преимущественно на GTО-тиристорах, «ABB» — на IGCT-тиристорах, «Siemens» и «Toshiba» / «Mitsubishi» — на IGBT-транзисторах. При этом IGBT-транзисторы способны работать с более высокой частотой переключений по сравнению с GTO и IGCT-тиристорами, что позволяет получить наиболее близкое к синусоидальной форме напряжение на выходе ПЧ. Обзор существующих схем построения высоковольтных преобразователей частоты Все типовые схемы существующих высоковольтных преобразователей частоты можно разбить на три категории: Высоковольтные преобразователи частоты, реализованные по двухтрансформаторной схеме (рис. 1). Данная схема, как, собственно и видно из ее названия, строится на двойной трансформации напряжения с помощью понижающего (Т1) и повышающего (Т2) высоковольтных трансформаторов. Входное трехфазное синусоидальное напряжение питающей сети 6 кВ подается на понижающий силовой трансформатор Т1, который преобразует его в трехфазное напряжение 400 (660) В. Данное напряжение подается на низковольтный преобразователь частоты (ПЧ). Далее трехфазное напряжение переменной частоты с выхода ПЧ поступает на повышающий трансформатор Т2 для получения высокого (6 кВ) напряжения. Двойная трансформация позволяет использовать для регулирования частоты относительно недорогой низковольтный преобразователь частоты, что, казалось бы, значительно снижает общую стоимость высоковольтного преобразователя. Однако, при более внимательном подходе к рассмотрению требуемого для нормальной работы данной схемы оборудования и общих ограничений такой схемы, цена вопроса значительно возрастает. Во-первых, в выходном напряжении низковольтного преобразователя частоты присутствуют пиковые перенапряжения, чья амплитуда может доходить до 1-1,5 кВ, а частота следования до 5-20 кГц. Чтобы защитить от пробоя изоляцию первичной обмотки повышающего трансформатора, на выходе ПЧ устанавливается трехфазный синусоидальный фильтр, довольно сложное и дорогое устройство, учитывая, что протекающие токи могут составлять несколько килоампер. Вследствие повышенных токов, разводка низковольтной части преобразователя требует кабелей большого сечения, что заметно увеличивает массогабаритные характеристики такого рода оборудования. Преобразователи, выполненные по этой схеме, имеют ограниченный диапазон регулирования частоты вращения двигателя как сверху, так и снизу от номинальной частоты. Это связано с тем, что при снижении частоты на выходе преобразователя увеличивается насыщение сердечника, что приводит к его нагреву и нарушению расчетного режима работы выходного трансформатора Т2. Таким образом, при снижении частоты, заметно снижается и КПД данного высоковольтного преобразователя частоты, делая невозможным общее энергосбережение в системе двигатель-насос. Поэтому, как показывает практика, диапазон регулирования ограничен в пределах nном>n>0,5nном. Для расширения диапазона регулирования используют трансформаторы с увеличенным сечением магнитопровода, но это увеличивает и стоимость, и массу, и габариты. При увеличении же выходной частоты, растут потери в сердечнике трансформатора Т2 на перемагничивание и вихревые токи. Входной же трансформатор Т1 для питающей сети представляет собой индуктивную нагрузку, поэтому для получения удовлетворительного коэффициента мощности данного высоковольтного преобразователя частоты, требуется использовать дополнительные конденсаторы коррекции Cos φ. Таким образом, основными недостатками двухтрансформаторных преобразователей являются высокие массогабаритные характеристики, меньшие по отношению к другим схемам КПД и надежность, а также весьма малый рабочий диапазон регулирования (1:2). Ряд мощностей подобной схемы ограничивается максимально возможной мощностью используемого низковольтного ПЧ, которая составляет у разных производителей 500-1 000 кВт. Тиристорные высоковольтные преобразователи частоты (рис. 2). Основой указанных электроприводов является трех-пяти-уровневый преобразователь частоты (ПЧ), выполненный на высоковольтных полностью управляемых полупроводниковых тиристорных приборах. Тиристорные высоковольтные преобразователи частоты состоят из входного понижающего трансформатора Т1, обеспечивающего преобразование входного трехфазного напряжения 6-10 кВт в 2-3 группы трехфазного напряжения 1-3 кВ (зависит от числа вторичных обмоток) со сдвигом фаз напряжения в обмотках относительно друг друга для повышения коэффициента мощности преобразователя. Эти напряжения выпрямляются на диодных выпрямителях ДВ и сглаживающих конденсаторах в звене постоянного тока ЗПТ преобразователя частоты. Для снижения уровня высших гармоник и улучшения электромагнитной совместимости используют многопульсные схемы диодных выпрямителей. На рис. 2. Изображена 12-ти пульсная схема с двухобмоточным согласующим трансформатором. На практике существуют 18-ти, 24-х пульсные схемы преобразователей, Число вторичных обмоток трансформаторов в этих схемах равно 3 и 4 соответственно. Существуют и дешевые однообмоточные модели с 6-пульсным выпрямителем, у которых уровень наводимых на сеть гармоник просто ужасающ, а коэффициент мощности требует компенсации с помощью дополнительных конденсаторных батарей. Эксплуатация подобных преобразователей невозможна без дополнительных фильтров гармоник во входных силовых цепях. Для повышения рабочего напряжения преобразователя частоты электронные ключи тиристорного инвертора ТИ соединяют последовательно. Число элементов в каждом плече определяется величиной рабочего напряжения и типом силового элемента. Основная проблема для этой схемы состоит в строгом согласовании работы электронных ключей, поскольку полупроводниковые элементы, изготовленные даже в одной партии, имеют разброс параметров, поэтому очень остро стоит задача согласования их работы по времени. Если один из элементов откроется с задержкой или закроется раньше остальных, то к нему будет приложено полное напряжение плеча, и он выйдет из строя. Такие требования к прецизионному управлению несколько снижают надежность описываемого типа высоковольтных преобразователей. Преобразователи имеют одни из лучших удельные массогабаритные показатели, диапазон изменения выходной частоты от 0 до 250-300 Гц, КПД преобразователей достигает 97,5%. Недостатком данных моделей, влияющим на общую стоимость, является обязательное наличие синус-фильтра на выходе преобразователя, обусловленное весьма далекой от синуса формой выходного напряжения тиристорных инверторов. Тем не менее, до появления транзисторных инверторных ячеек, данная схема являлась наиболее распространенной для высоковольтных преобразователей большой мощности. Транзисторные высоковольтные преобразователи частоты (рис. 3). Высоковольтный преобразователь частоты Tmdrive на IGB-транзисторах для уровня напряжений в 3, 6 и 10 кВ с концепцией «чистой синусоиды» сконцентрировал в себе комплекс высокотехнологичных современных решений. Как видно из рис. 3 и 4, данный преобразователь частоты состоит из входного многообмоточного трансформатора сухого типа и транзисторных инверторных ячеек, собранных воедино в одной панели инвертора. Все внутришкафные соединения силовых элементов с обмотками входного трансформатора уже выполнены и не требуют дополнительного монтажа. Схема построения транзисторных высоковольтных преобразователей частоты (рис. 4) схожа с предыдущей схемой тиристорного преобразователя, за исключением замены элементов последовательно включенных силовых ячеек на IGB-транзисторы, а также применения специального многообмоточного трансформатора. Использование в ячейках модулей IGBT с номинальным напряжением 1700 вольт позволило уменьшить их количество и повысить общую надежность силовой цепи. Использование для управления 32 битного микропроцессора (модель Toshiba РР7), специально сконструированного для применения в силовой электронике, также уменьшает число компонентов и увеличивает надежность системы управления. Электропривод – переменного или постоянного тока? Ежегодный темп роста продаж регулируемых электроприводов составляет, примерно, 6 %, в то время как темп роста приводов переменного тока - 8 %, а объем рынка приводов постоянного тока остается более или менее стабильным. Данная статья предназначена для конечных пользователей, OEM-производителей, системных интеграторов и прочих инженерно-технических работников, использующих приводную технику, чтобы в общих чертах обрисовать преимущества выбора для различных прикладных задач одного из двух основных типов регулируемого электропривода – постоянного или переменного тока. Какое приводное решение выбрать - DC или AC? Силовые статические преобразователи на базе микропроцессоров, применяемые как в приводах переменного, так и постоянного тока, в настоящее время достигли очень высокого технического уровня, который (в допустимых технологических пределах) в большинстве приложений позволяет использовать электропривод переменного тока, там где раньше применялся привод постоянного тока. Однако, традиционный привод постоянного тока (1-но и 4-х квадрантный) продолжает играть важную роль, особенно в тех приложениях, где нужно обеспечить высокодинамичные режимы с постоянным моментом вращения, жесткими требованиями по перегрузочной способности в широком диапазоне скоростей и рекуперацию энергии обратно в сеть. Главные критерии выбора Первое, что должен сделать пользователь, это объективно оценить варианты, предлагаемые на рынке регулируемых приводов, технически соответствующие требованиям прикладной задачи/процесса. Главными критериями этой оценки должны быть: 1. Совокупная стоимость закупки регулируемого привода и требуемого дополнительного оборудования 2. Текущие эксплуатационные расходы: • обслуживание; • производственные издержки, КПД, и т.д; • требуемая площадь размещения. 3. Технологические и инновационные аспекты: • динамический отклик, время разгона; 4-х квадрантные операции; аварийный стоп, и т.д. • массо-габаритные характеристики. 4. Эксплуатационная надежность, пригодность приводов: • соответствие международным требованиям и стандартам IEC, ГОСТ Р, EN, CEEMC; CSA, UL, и т.д.; • условия окружающей среды; степень защиты корпуса; ремонт "по-месту" 5. Воздействие на внешнюю среду: • искажение сетевого напряжения • ЭМС 6. Требуемое пространство для преобразователя и двигателя 7. Отвод тепла Сравнение основных характеристик приводов постоянного и переменного тока в промышленном применении Сравнение проводится между 6-пульсными 3-фазными тиристорными приводами постоянного тока с независимым возбуждением [далее называемыми ППТ] и 3-фазными электроприводами переменного тока на базе преобразователя частоты с широтноимпульсной модуляцией и асинхронного двигателя [далее называемыми ЧРП – частотно регулируемый привод], в следующих типовых категориях: ППТ - P = 11 kW ... 5200 kW; U = 200 V ... 1190 V ЧРП - P = 0.75 kW ... 2000 kW; U = 380 V ... 690 V Привод постоянного тока Частотно-регулируемый привод В первом приближении существенных отличий между этими приводами не так и много; однако, при более детальном рассмотрении, выявляются характерные особенности приводов и различие физических принципов функционирования. Далее в статье раскрываются аспекты отличия приводов по следующим пунктам: • характеристики двигателей, как электромеханических преобразователей • характеристики преобразователей электрической энергии • 4-х квадрантные приводы • влияние на внешнюю среду • модернизация приводов постоянного тока Различия между двигателями постоянного и переменного тока Большинство пользователей имеют такое общее представление об электродвигателях: «Двигатели постоянного тока сложные, требующие частого обслуживания, что делает их эксплуатацию дорогой; к тому же они имеют низкую степень защиты. Двигатели переменного тока (асинхронные двигатели) просты и надежны, не нуждаются в обслуживании, имеют более низкую цену, и кроме того более высокую степень защиты». Такая классификация может быть верной для многих простых применений; тем не менее этот общий вердикт желательно подвергнуть более тщательному рассмотрению! Механическая характеристика приводов постоянного тока Механическая характеристика частотно-регулируемых приводов Обычно используемая независимая вентиляция (прим. в 85 % регулируемых приводов до 250 kW) гарантирует хороший отвод тепла от ротора двигателя постоянного тока во всем диапазоне скоростей. Обычно используемая самовентиляция (прим. в 90 % регулируемых приводов до 250 kW) в стандартных асинхронных двигателях не является эффективной во всем диапазоне скоростей. На низких скоростях отвод тепла фактически не возможен. Типичные применения, требующие обеспечение постоянного момента в широком диапазоне скоростей: волочильные станы, поршневые компрессоры, подъемные механизмы, канатные дороги, экструдеры, ... Типичные применения с пониженным моментом на низкой скорости, соответствующие характеристике на рис. 4: насосы, вентиляторы, и др. с квадратичной зависимостью нагрузки от скорости ... Характеристики отношения мощности и скорости в режиме S1 двигателей постоянного и переменного тока: (1) В отличии от стандартного асинхронного двигателя с фиксированной базовой (номинальной) частотой вращения (синхронные скорости 3000/1500/1000/... об/мин на 50 Гц), двигатель постоянного тока может быть спроектирован с базовой частота вращения в диапазоне примерно от 300 до 4000 об/мин для каждой рабочей точки. (2) В зависимости от типоразмера двигатели постоянного тока (как скомпенсированные, так и не скомпенсированные) могут иметь область работы с ослаблением поля 1 : 3 или 1 : 5 . (3) Ограничение мощности связано с максимальным моментом асинхронного двигателя, уменьшающимся обратно квадрату скорости (1/n2). (4) Ограничение мощности связано с уменьшением коммутационной способности коллекторного двигателя постоянного тока. Сравнение рабочих характеристик двигателей показывает, что двигатель постоянного тока выгоднее асинхронного при продолжительной работе на низких скоростях и для широкого диапазона скоростей при постоянной мощности. Перегрузочная способность в кратковременном режиме зависит не только от параметров двигателя, но в большой степени от характеристик преобразователя частоты / тиристорного преобразователя. Чем шире диапазон скоростей, в котором двигатель может выдать максимальную мощность, тем он лучше может быть адаптирован к процессам, требующим обеспечения постоянного момента во всем диапазоне скоростей. Типичное применение: намоточные устройства. • Типоразмеры, моменты инерции и время разгона: Основные технические различия двигателей постоянного и переменного тока, методы формирования магнитного потока и рассеивание потерь мощности также обуславливают различные размеры (высоту оси вращения вала H) и момент инерции ротора (Jrotor), при одном и том же номинальном моменте вращения двигателя. Двигатели постоянного тока имеют значительно меньшую высоту оси вращения H и массу ротора, чем асинхронные двигатели, и следовательно обладают более низким моментом инерции ротора Jrotor, что является существенным преимуществом в высокодинамичных применениях, таких как испытательные стенды, летучие ножницы, и реверсивные приводы, так как это влияет на время разгона и динамический отклик двигателя в 4-х квадрантных приложениях (в двигательных и тормозных режимах). • Широкий диапазон скоростей при постоянной мощности (работа с ослаблением поля или диапазон регулировки возбуждения): Для специализированных приводных приложений, как привод намотчика и размотчика, испытательный стенд, лебедка и т.д., требуется очень широкий диапазон скоростей при постоянной мощности. В этом случае, традиционный режим работы с ослаблением поля двигателя постоянного тока с независимым возбуждением является особенно экономически эффективным. Это означает: широкий диапазон скоростей, при котором двигатель может выдавать максимальную мощность (длина горизонтальной линии характеристики на рис.5 от nG до n1), требуется меньший запас по мощности двигателя Pmax(motor) / Pmax(load). • Обслуживание двигателя: В настоящее время, в зависимости от сложности приложения, ресурс щеток двигателя постоянного тока составляет, примерно, 7000 ... 12000 часов, благодаря современному коллекторному узлу, углеродистым щеткам и оптимизированному полю возбуждения. В зависимости от механических условий эксплуатации, интервал замены смазки в двигателях постоянного/переменного тока может быть соизмерим, а зачастую и меньше, чем ресурс щеток коллекторного двигателя. • Степень защиты двигателя: Исторически сложилось так, что начиная с 20-х годов, двигатели постоянного тока разрабатывались в основном для регулируемых приводов, что обусловило применение в них внутренней форсированной независимой вентиляции (прим. в 85 % двигателей до 250 kW). Стандартные асинхронные двигатели активно начали применяться в 70-х/80-х годах и в большинстве своем (прим. 90 % до 250 kW) производились с поверхностной самовентиляцией, так как частотно-регулируемые приводы тогда не были широко распространены. Фактически все асинхронные двигатели мощностью, прим. до 1400 kW имеют степень защиты IP 54, как стандарт, благодаря их простой и прочной конструкции. Для эксплуатации в зонах с повышенной опасностью, практически исключительно используются взрывозащищенные асинхронные двигатели. Асинхронный двигатель отыграл для себя ведущую позицию и доказал свою эффективность в тех секторах промышленности, которые характеризуются агрессивными условиями окружающей среды, высокой степенью загрязненности и запыленности. • Масса и место для установки двигателя: Более низкие масса и габариты двигателей постоянного тока (стандартная степень защиты IP 23) по сравнению с асинхронными двигателями (стандартная степень защиты IP 54) особенно важны для приложений, где двигатель должен перемещаться вместе с грузом (напр., для крупных подъемных, мостовых кранов), или в системах, где важно компактное размещение (буровые установки, подъемники для горнолыжных трасс, морские применения, печатные машины, и т.д.). Различия между тиристорными преобразователями постоянного тока и преобразователями частоты • Коммутация и преобразование электрической энергии: Структурная схема 1-квадрантного привода постоянного тока Переход тока от одного тиристора к другому начинается с пускового импульса, и после этого продолжается в линейно взаимосвязанном режиме. Это значит, что напряжение между коммутируемыми фазами сети поляризуется таким образом, что ток вновь открываемого тиристора увеличивается, и запирает предшествующий тиристор, снижая его ток до ноля. Коммутация тиристоров производится естественным путем (напряжением сети) при переходе тока через ноль и запирание тиристоров происходит без каких-либо проблем даже при значительной перегрузке. Поэтому тиристоры могут выбираться не по пиковому току, а по среднедействующему номинальному току нагрузки. Структурная схема преобразователя частоты Хотя входной выпрямительный мост преобразователя частоты работает подобно приводу постоянного тока, однако выпрямленный им ток должен быть преобразован обратно в 3-х фазный переменный с помощью инвертора. Так как у постоянного тока нет никаких переходов через ноль, то переключающие элементы (IGBT транзисторы) должны прерывать полный ток нагрузки. Когда IGBT транзистор закрывается, ток проходит через обратный диод на противоположный полюс напряжения постоянного тока. Переключение происходит без контроля напряжения, но оно возможно в любое время независимо от формы сетевого напряжения. Результат: Коммутация в преобразователях частоты происходит с большой частотой и в выходном напряжении появляется высокочастотная составляющая, и могут возникнуть проблемы с электромагнитной совместимостью. В преобразователях постоянного тока есть только один контур преобразования энергии (AC → DC). В преобразователях частоты два контура преобразования энергии (AC → DC и DC → AC), т.е. потери мощности удваиваются по сравнению с приводами постоянного тока. Потери мощности, полученные эмпирическим путем следующие: ППТ - 0.8 % ... 1.5 % от номинальной мощности; ЧРП - 2 % ... 3.5 % от номинальной мощности. Место, требуемое для размещения шкафа преобразователя мощностью от 100 kW: ППТ - 100 %, ЧРП - 130 % ... 300 %. Это преимущество приводов постоянного тока обуславливает уменьшение размера и стоимости электрошкафа и системы охлаждения. • Выходные токи преобразователей переменного и постоянного тока; шум двигателя; нагрузка на изоляцию обмоток, электромагнитная совместимость (ЭМС):ППТ ЧРП • Ток двигателя / шум: Напряжение, подаваемое на двигатель, состоит из сегментов от синусоидального сетевого напряжения. Ток двигателя является постоянным с наложенной переменной составляющей от мостового выпрямителя, поэтому проблем излучения шума в приводе постоянного тока не стоит. • Ток двигателя / шум: Излучение шума в частотно-регулируемых приводах сильно зависит от выбранной тактовой частоты в каждом конкретном случае. • Пульсации момента вращения двигателя: Пульсирующий момент (foscill = 6 x fline = 300 Гц или 360 Гц), появляющийся в результате пульсаций тока, накладывается на основной момент и по частоте значительно превышает механические резонансные частоты. По этой причине не будет никаких проблем для таких приложений, как намотчики/размотчики и др. • Относительные гармонические составляющие в моменте вращения двигателя: Пульсирующий вращающий момент, в результате гармонических составляющих тока и напряжения (отклонение от идеального синуса) по амплитуде и частоте очень зависит от рабочей точки и принципа функционирования преобразователя частоты. Вероятность индуцированных колебаний в приводной системе (двигатель, муфта сцепления, трансмиссия, механические компоненты, и т.д.) соответственно больше. • Напряжение на двигателе/изоляция обмоток: Максимальное напряжение, которое подается на клеммы двигателя постоянного тока эквивалентно пиковому значению сетевого напряжения (UN • √2 ). • Напряжение на двигателе/изоляция обмоток: Выходной сигнал инвертора с ШИМ на IGBT транзисторах содержит крутые фронты напряжения, которые в случае длинного моторного кабеля (> 10 м) могут привести к 2-кратным пиковым перенапряжениям на двигателе. В результате этого увеличивается воздействие на изоляцию обмоток двигателя, что может привести к её старению и пробою. Эту ситуацию можно исправить, применив двигатель с повышенным классом изоляции, или поставив на выходе преобразователя частоты, дроссель. • ЭМС: По упомянутым выше причинам инсталляционные затраты, требуемые для уменьшения электромагнитной эмиссии (для обеспечения требований по ЭМС) являются сравнительно небольшими в приводах постоянного тока. • ЭМС: Электромагнитная эмиссия в частотно-регулируемых приводах, особенно связанная с длинным кабелем, может потребовать применение дополнительных мер и оборудования. • Влияние на напряжение сети: Линейные токи приводов постоянного тока с 6-пульсным тиристорным мостом будут всегда содержать кроме основной гармоники еще 5-ю, 7-ю, 11-ю и 13-ю гармоники в соответственном процентном отношении: 22 %, 14 %, 9 %, 7.6 %. В случае работы нескольких приводов постоянного тока, подключенных у одному источнику сетевого напряжения, они немного уравновесят друг друга за счет различной фазовой последовательности, и общее искажение сетевого напряжения будет снижено. В преобразователях частоты переключение IGBT транзисторов практически не создает низкочастотных гармонических искажений, но существенными являются высокочастотные составляющие. • Реактивная мощность: Оба типа приводов (ППТ и ЧПП) потребляют реактивную мощность из сети. Её размер не значителен в частотно-регулируемых приводах, а в приводах постоянного тока более значителен и зависит от частоты вращения двигателя. Предпочтение в этом вопросе имеют частотные приводы. Значения, полученные эмпирическим путем для приводов постоянного тока: 1-кварантные приложения - cos ≈ 0...0.9 4-квадрантные приложения - cos ≈ 0...0.85 Значения, полученные эмпирическим путем для частотно-регулируемых приводов: 1-кварантные приложения (с диодным входным мостом) - cos ≈ 0.99 4-квадрантные приложения (с тиристорным входным мостом и рекуперацией в сеть) - cos ≈ 0.9 Модернизация существующих приводов постоянного тока. Когда возникает вопрос о том, стоит ли модернизировать существующий привод постоянного тока или дешевле его полностью заменить на электропривод переменного тока, надо подойти к этому вопросу взвешенно и рассмотреть все аргументы и «за» и «против». В основном доступно несколько уровней модернизации: 1. Полная замена привода постоянного тока (преобразователя и двигателя) на новый современный привод постоянного тока. 2. Замена только преобразователя, если двигатель в хорошем состоянии. 3. Замена одного из модулей преобразователя на новый. 4. Замена аналоговой управляющей электроники на цифровую без изменения силовой части (рекомендуется только на мощностях более 1 МВт). 5. Полная замена всей приводной системы на частотно-регулируемый привод. Отвечая на вопрос, о том какой подход выбрать в каждом конкретном случае, важно оценить ряд критериев: 1) Может ли появиться потребность в изменении привода в будущем (изменяться тип или характер нагрузки, условия эксплуатации, и т.д.)? 2) В каком состоянии находятся индивидуальные компоненты системы (надежность, возраст, эксплуатационные затраты)? 3) До принятия решения о замене привода постоянного тока на ЧРП учтите следующие пункты: • Издержки на прокладку новых кабелей. • Место для размещения преобразователя частоты. • Потребуется ли замена коммутационной аппаратуры? • Возможность и сложность механического монтажа нового двигателя • Продолжительность всех работ по замене приводов. Сравнение цен приводных систем постоянного и переменного тока (преобразователь + двигатель или полный шкаф управления + двигателя) На основании сегодняшних цен на приводы постоянного и переменного тока, с учетом указанных выше преимуществ и недостатков различных решений, можно руководствоваться следующей оценкой: 1-квадрантные приводы < 40...80 кВт → ЧРП менее дорогие 4-квадрантные приводы < 40...60 кВт (Преобразователь частоты + тормозной (модуль) резистор); → ППТ менее дорогие Рекуперативные 4-квадрантные приводы > 15 kW → ППТ менее дорогие Заключение Основным недостатком аналогового привода постоянного тока является низкая помехоустойчивость, сложность в настройке и нестабильность параметров. В качестве датчика обратной связи по скорости применяется тахогенератор, имеющий те же недостатки, что и коллекторный двигатель. Для реверсивных приводов после тахогенератора приходится устанавливать диодный мост, что ограничивает диапазон регулирования на малых скоростях из-за пропадания обратной связи. В случае синхронизации механизмов с различными приводами в режиме «ведущий – ведомый» частотный преобразователь намного предпочтительней, т.к. в качестве датчика скорости применяются цифровые датчики типа энкодера, резольвера или sin/cos преобразователи, что позволяет строить системы с электрическими валами. Наличие дополнительных устройств (опций) частотных преобразователей позволяют наращивать функции последних: увеличивать число входов выходов, использовать современные шины и протоколы обмена, применять привод в устройствах позиционирования, следить за температурным режимом двигателя и привода, использовать привод в режиме виртуального кулачка (переменная скорость вращения за один оборот вала) и многое другое. Современные микроконтроллеры, управляющие частотным преобразователем, позволяют обрабатывать данные за период в несколько десятков микросекунд, (десять лет назад это время составляло 200 мС), что позволило расширить диапазон регулирования с обратной связью до 1:1000 с точностью поддержания скорости 0,2 оборота во всем диапазоне, что приближает частотные приводы к сервоприводам. Однако, учитывая устойчивый рост рынка регулируемых приводов, ожидается, что объем рынка приводов постоянного тока останется более или менее устойчивым в течение некоторого периода. Это представление подтверждено последними исследованиями рынка. Сравнение двух типов приводных систем, сделанное в данном обзоре, показывает, что вопрос о том, является ли правильным выбор привода постоянного или переменного тока, целиком зависит от конкретного применения. а) Должен быть обеспечен режим работы в 4-х квадрантах с рекуперацией? б) Предполагается продолжительная работа на низкой скорости? в) Требуется меньшее выделение тепла преобразователем? г) Предполагаются частые динамичные разгоны и торможения? д) Требуется широкий диапазон скоростей при постоянной мощности (>1:1.5)? е) Устраивает степень защиты двигателя < IP54? Работа в незагрязненной среде? ж) Есть возможность обеспечения периодического обслуживания двигателя? з) Требуются компактные размеры и небольшая масса преобразователя и двигателя? Чем на большее количество вопросов Вы ответили "Да", тем актуальнее для Вас использование привода постоянного тока!
