В настоящее время, асинхронный электродвигатель стал основным устройством в большинстве электроприводов. Все чаще для управления им используется – инвертор с ШИМ регулированием. Такое управление дает массу преимуществ, но и создает некоторые проблемы выбора тех или иных технических решений. Попробуем разобраться в них более подробно.

Устройство частотных преобразователей

Разработка и производство широкой номенклатуры мощных высоковольтных транзисторных IGBT модулей предоставили возможность реализации многофазных силовых переключателей, управляемых непосредственно с помощью цифровых сигналов. Программируемые вычислительные средства позволили на входах коммутаторов сформировать числовые последовательности, обеспечивающие сигналы . Разработка и массовый выпуск однокристальных микроконтроллеров, обладающих большими вычислительными ресурсами, обусловили возможность перехода к следящим электроприводам с цифровыми регуляторами.

Силовые преобразователи частоты, как правило, реализуют по схеме, содержащей выпрямитель на мощных силовых диодах или транзисторах и инвертор (управляемый коммутатор) на IGBT транзисторах, шунтированных диодами (рис. 1).

Рис. 1. Схема частотного преобразователя

Входной каскад выпрямляет подаваемое синусоидальное напряжение сети, которое после сглаживания с помощью индуктивно-емкостного фильтра служит источником электропитания управляемого инвертора, вырабатывающего при действии команд цифрового управления сигнал с , который формирует в обмотках статора токи синусоидальной формы с параметрами, обеспечивающими требуемый режим работы электродвигателя.

Цифровое управление силовым преобразователем осуществляется с помощью микропроцессорных аппаратных средств и соответствующим поставленным задачам программным обеспечением. Вычислительное устройство в режиме реального времени вырабатывает сигналы управления 52 модулями, а также производит обработку сигналов измерительных систем, контролирующих работу привода.

Силовые устройства и управляющие вычислительные средства объединены в составе конструктивно оформленного промышленного изделия, называемого частотным преобразователем.

В промышленном оборудовании применяются два основных вида частотных преобразователей:

фирменные преобразователи для конкретных типов оборудования.

универсальные преобразователи частоты предназначены для многоцелевого управления работой АД в задаваемых пользователем режимах.

Установку и контроль режимов работы частотного преобразователя можно производить с помощью пульта управления, оснащенного экраном для индикации введенной информации. В простом варианте скалярного регулирования частоты можно воспользоваться набором простых логических функций, имеющихся в заводских установках контроллера, и встроенным ПИД-регулятором.

Для осуществления более сложных режимов управления с использованием сигналов с датчиков обратных связей необходимо разработать структуру САУ и алгоритм, который следует запрограммировать с помощью подключаемого внешнего компьютера.

Большинство производителей выпускает целый ряд преобразователей частоты, отличающихся входными и выходными электрическими характеристиками, мощностью, конструктивным исполнением и другими параметрами. Для подключения к внешнему оборудованию (электросети, двигателю) могут быть использованы дополнительные внешние элементы: магнитные пускатели, трансформаторы, дроссели.

Типы сигналов управления

Необходимо делать различия между сигналами различных типов и для каждого из них использовать отдельный кабель. Различные типы сигналов могут оказывать влияние друг на друга. На практике такое разделение встречается часто, например кабель от может быть подключен непосредственно к преобразователю частоты.

Рис. 2. Пример подключения силовых цепей и цепей управления преобразователя частоты

Можно выделить следующие типы сигналов:

аналоговые - сигналы напряжения или тока (0...10 В, 0/4...20 мА), значение которых меняется медленно или редко, обычно это сигналы управления или измерения;

дискретные сигналы напряжения или тока (0...10 В, 0/4...20 мА), которые могут принимать только два редко изменяющихся значения (высокое или низкое);

цифровые (данные) - сигналы напряжения (0...5 В, 0...10 В), которые меняются быстро и с высокой частотой, обычно это сигналы портов RS232, RS485 и т.п.;

релейные - контакты реле (0...220 В переменного тока) могут включать индуктивные токи в зависимости от подключенной нагрузки (внешние реле, лампы, клапаны, тормозные устройства и т.д.).

Выбор мощности частотного преобразователя

При выборе мощности частотного преобразователя необходимо основываться не только на мощности электродвигателя, но и на номинальных токах и напряжениях преобразователя и двигателя. Дело в том, что указанная мощность частотного преобразователя относится только к эксплуатации его со стандартным 4-х полюсным асинхронным электродвигателем в стандартном применении.

Реальные приводы имеют много аспектов, которые могут привести к росту токовой нагрузке привода, например, при пуске. В общем случае, применение частотного привода позволяет снизить токовые и механические нагрузки за счет плавного пуска. Например, пусковой ток снижается с 600% до 100-150% от номинального.

Работа привода на пониженной скорости

Необходимо помнить, что хотя частотный преобразователь легко обеспечивает регулирование по скорости 10:1, но при работе двигателя на низких оборотах мощности собственного вентилятора может не хватать. Необходимо следить за температурой двигателя и обеспечить принудительную вентиляцию.

Электромагнитная совместимость

Поскольку частотный преобразователь мощный источник высокочастотных гармоник, то для подключения двигателей нужно использовать экранированный кабель минимальной длины. Прокладку такого кабеля необходимо вести на расстоянии не менее 100 мм от других кабелей. Это минимизирует наводки. Если нужно пересечь кабели, то пересечение делается под углом 90 градусов.

Питание от аварийного генератора

Плавный пуск, который обеспечивает частотный преобразователь позволяет снизить необходимую мощность генератора. Так как при таком пуске ток снижается в 4-6 раз, то в аналогичное число раз можно снизить мощность генератора. Но все равно, между генератором и приводом должен быть установлен контактор, управляемый от релейного выхода частотного привода. Это защищает частотный преобразователь от опасных перенапряжений.

Питание трехфазного преобразователя от однофазной сети

Трехфазные частотные преобразователи могут быть запитаны от однофазной сети, но при этом их выходной ток не должен превышать 50% от номинального.

Экономия электроэнергии и денег

Экономия происходит по нескольким причинам. Во-первых, за счет роста до значений 0.98, т.е. максимум мощности используется для совершения полезной работы, минимум уходит в потери. Во-вторых, близкий к этому коэффициент получается на всех режимах работы двигателя.

Без частотного преобразователя, асинхронные двигатели на малых нагрузках имеют косинус фи 0.3-0.4. В-третьих, нет необходимости в дополнительных механических регулировках (заслонках, дросселях, вентилях, тормозах и т.д.), все делается электронным образом. При таком устройстве регулирования, экономия может достигать 50%.

Синхронизация нескольких устройств

За счет дополнительных входов управления частотного привода можно синхронизировать процессы на конвейере или задавать соотношения изменения одних величин, в зависимости от других. Например, поставить в зависимость скорость вращения шпинделя станка от скорости подачи резца. Процесс будет оптимизирован, т.к. при увеличении нагрузки на резец, подача будет уменьшена и наоборот.

Защита сети от высших гармоник

Для дополнительной защиты, кроме коротких экранированных кабелей, используются сетевые дроссели и шунтирующие конденсаторы. , кроме того, ограничивает бросок тока при включении.

Правильный выбор класса защиты

Для безотказной работы частотного привода необходим надежный теплоотвод. Если использовать высокие классы защиты, например IP 54 и выше, то трудно или дорого добиться такого теплоотвода. Поэтому, можно использовать отдельный шкаф с высоким классом защиты, куда ставить модули с меньшим классом и осуществлять общую вентиляцию и охлаждение.

Параллельное подключение электродвигателей к одному частотному преобразователю

С целью снижения затрат, можно использовать один частотный преобразователь для управления несколькими электродвигателями. Его мощность нужно выбирать с запасом 10-15% от суммарной мощности всех электродвигателей. При этом нужно минимизировать длины моторных кабелей и очень желательно ставить моторный дроссель.

Большинство частотных преобразователей не допускают отключение или подключение двигателей с помощью контакторов во время работы частотного привода. Это производится только через команду стоп привода.

Задание функции регулирования

Для получения максимальных показателей работы электропривода, таких как: коэффициент мощности, коэффициент полезного действия, перегрузочная способность, плавность регулирования, долговечность, нужно правильно выбирать соотношение между изменением рабочей частоты и напряжения на выходе частотного преобразователя.

Функция изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки. При постоянном моменте, напряжение на статоре электродвигателя должно регулироваться пропорционально частоте (скалярное регулирование U/F = const). Для вентилятора, например, другое соотношение – U/F*F = const. Если увеличиваем частоту в 2 раза, то напряжение нужно увеличить в 4 (векторное регулирование). Есть приводы и с более сложными функциями регулирования.

Преимущества использования регулируемого электропривода с частотным преобразователем

Кроме повышения КПД и энергосбережения такой электропривод позволяет получить новые качества управления. Это выражается в отказе от дополнительных механических устройств, создающих потери и снижающих надежность систем: тормозов, заслонок, дросселей, задвижек, регулирующих клапанов и т.д. Торможение, например, может быть осуществлено за счет обратного вращения электромагнитного поля в статоре электродвигателя. Меняя только функциональную зависимость между частотой и напряжением, мы получаем другой привод, не меняя ничего в механике.

Чтение документации

Следует заметить, что хотя частотные преобразователи похожи друг на друга и освоив один, легко разобраться с другим, тем не менее, необходимо тщательно читать документацию. Некоторые производители накладывают ограничения на использование своей продукции, а при их нарушении снимают изделия с гарантии.

Преобразователи частоты

С конца 1960-х годов преобразователи частоты изменились коренным образом, в основном, как результат разработки микропроцессорных и полупроводниковых технологий, а также благодаря снижению их стоимости.

Однако основополагающие принципы, заложенные в преобразователях частоты, остались прежними.

В состав преобразователей частоты входят четыре основных элемента:

Рис. 1. Блок-схема преобразователя частоты

1.Выпрямитель формирует пульсирующее напряжение постоянного тока при его подключении к одно/трехфазной питающей электросети переменного тока. Выпрямители бывают двух основных типов - управляемые и неуправляемые.

2.Промежуточная цепь одного из трех типов:

a) преобразующая напряжение выпрямителя в постоянный ток.

b) стабилизирующая или сглаживающая пульсирующее напряжение постоянного тока и подающая его на инвертор.

c) преобразующая неизменное напряжение постоянного тока выпрямителя в изменяющееся напряжение переменного тока.

3.Инвертор, который формирует частоту напряжения электродвигателя. Некоторые инверторы могут также конвертировать неизменное напряжение постоянного тока в изменяющееся напряжение переменного тока.

4. Электронная схема управления, которая посылает сигналы в выпрямитель, промежуточную цепь и инвертор и получает сигналы от данных элементов. Построение управляемых элементов зависит от конструкции конкретного преобразователя частоты (см. рис. 2.02).

Общим для всех преобразователей частоты является то, что все цепи управления управляют полупроводниковыми элементами инвертера. Преобразователи частоты различаются по режиму коммутации, используемому для регулирования напряжения питания электродвигателя.

На рис. 2, где показаны различные принципы построения/управления преобразователя, используются следующие обозначения:

1- управляемый выпрямитель,

2- неуправляемый выпрямитель,

3- промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока,

4- промежуточная цепь неизменного напряжения постоянного тока

5- промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока,

6- инвертор с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ)

7- инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)

Инвертор тока (ИТ) (1+3+6)

Преобразователь с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) (1+4+7) (2+5+7)

Преобразователь с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ/VVCplus) (2+4+7)

Рис. 2. Различные принципы построения/управления преобразователей частоты

Для полноты следует упомянуть прямые преобразователи, которые не имеют промежуточной цепи. Такие преобразователи используются в мегаваттном диапазоне мощности для формирования низкочастотного питающего напряжения непосредственно из сети частотой 50 Гц, при этом их максимальная выходная частота составляет около 30 Гц. 

Выпрямитель

Питающее напряжение сети является трехфазным или однофазным напряжением переменного тока с фиксированной частотой (например, 3x400 В/50 Гц или 1 х240 В/50 Гц); характеристики этих напряжений иллюстрируются приведенным ниже рисунком.

Рис. 3. Однофазное и трехфазное напряжение переменного тока

На рисунке все три фазы смещены между собой по времени, фазное напряжение постоянно изменяет направление, а частота указывает число периодов в секунду. Частота 50 Гц означает, что на секунду приходится 50 периодов (50 х Т), т.е. один период длится 20 миллисекунд.

Выпрямитель преобразователя частоты строится либо на диодах, либо на тиристорах, либо на их комбинации. Выпрямитель, построенный на диодах, является неуправляемым, а на тиристорах - управляемым. Если используются и диоды, и тиристоры, выпрямитель является полууправляемым.

Неуправляемые выпрямители

Рис. 4. Режим работы диода.

Диоды позволяют току протекать только в одном направлении: от анода (А) к катоду (К). Как и в случае некоторых других полупроводниковых приборов, величину тока диода регулировать невозможно. Напряжение переменного тока преобразуется диодом в пульсирующее напряжение постоянного тока. Если неуправляемый трехфазный выпрямитель питается трехфазным напряжением переменного тока, то и в этом случае напряжение постоянного тока будет пульсировать.

Рис. 5. Неуправляемый выпрямитель

На рис. 5 показан неуправляемый трехфазный выпрямитель, содержащий две группы диодов. Одна группа состоит из диодов D1, D3 и D5. Другая группа состоит из диодов D2, D4 и D6. Каждый диод проводит ток в течение трети времени периода (120°). В обеих группах диоды проводят ток в определенной последовательности. Периоды, в течение которых обе группы работают, смещены между собой на 1 /6 времени периода Т (60°).

Диоды D1,3,5 открыты (проводят), когда к ним приложено положительное напряжение. Если напряжение фазы L достигает положи-тельного пикового значения, то диод D, открыт и клемма А получает напряжение фазы L1 На два других диода будут действовать обратные напряжения величиной U L1-2 и U L1-3

То же происходит и в группе диодов D2,4,6. В этом случае клемма В получает отрицательное фазное напряжение. Если в данный момент фаза L3 достигает предельного отрицательного значения, диод D6 открыт (проводит). На оба других диода действуют обратные напряжения величиной U L3-1 и U L3-2

Выходное напряжение неуправляемого выпрямителя равно разности напряжений этих двух диодных групп. Среднее значение пульсирующего напряжения постоянного тока равно 1,35 х напряжение сети.

Рис. 6. Выходное напряжение неуправляемого трехфазного выпрямителя

Управляемые выпрямители

В управляемых выпрямителях диоды заменены тиристорами. Подобно диоду тиристор пропускает ток только в одном направлении - от анода (А) к катоду (К). Однако в противоположность диоду тиристор имеет третий электрод, называемый «затвором» (G). Чтобы тиристор открылся, на затвор должен быть подан сигнал. Если через тиристор течет ток, тиристор будет пропускать его до тех пор, пока ток не станет равным нулю.

Ток не может быть прерван подачей сигнала на затвор. Тиристоры используются как в выпрямителях, так и в инверторах.

На затвор тиристора подается управляющий сигнал а, который характеризуется задержкой, выражаемой в градусах. Эти градусы оказывают запаздывание между моментом перехода напряжения через нуль и временем, когда тиристор открыт.

Рис. 7. Режим работы тиристора

Если угол а находится в пределах от 0° до 90°, то тиристорная схема используется в качестве выпрямителя, а если в пределах от 90° до 300° - то в качестве инвертора.

Рис. 8. Управляемый трехфазный выпрямитель

Управляемый выпрямитель в своей основе не отличается от неуправляемого за исключением того, что тиристор управляется сигналом а и начинает проводить с момента, когда начинает проводить обычный диод, до момента, который находится на 30° позже точки перехода напряжения через нуль.

Регулирование значения а позволяет изменять величину выпрямленного напряжения. Управляемый выпрямитель формирует постоянное напряжение, среднее значение которого равно 1,35 х напряжение сети x cos α

Рис. 9. Выходное напряжение управляемого трехфазного выпрямителя

По сравнению с неуправляемым выпрямителем управляемый имеет более значительные потери и вносит более высокие помехи в сеть питания, поскольку при более коротком времени пропускания тиристоров выпрямитель отбирает от сети больший реактивный ток.

Преимуществом управляемых выпрямителей является их способность возвращать энергию в питающую сеть.

Промежуточная цепь

Промежуточную цепь можно рассматривать как хранилище, из которого электродвигатель может получать энергию через инвертор. В зависимости от выпрямителя и инвертора, возможны три принципа построения промежуточной цепи.

Инверторы - источники тока (1-преобразователи)

Рис. 10. Промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока

В случае инверторов - источников тока промежуточная цепь содержит катушку большой индуктивности и сопрягается только с управляемым выпрямителем. Катушка индуктивности преобразует изменяющееся напряжение выпрямителя в изменяющийся постоянный ток. Величину напряжения электродвигателя определяет нагрузка.

Инверторы - источники напряжения (U-преобразователи)

Рис. 11. Промежуточная цепь постоянного напряжения

В случае инверторов - источников напряжения промежуточная цепь представляет собой фильтр, содержащий конденсатор, и может сопрягаться с выпрямителем любого из двух типов. Фильтр сглаживает пульсирующее постоянное напряжение (U21) выпрямителя.

В управляемом выпрямителе напряжение на данной частоте постоянно и подается на инвертор в качестве истинного постоянного напряжения (U22)c изменяющейся амплитудой. 

В неуправляемых выпрямителях напряжение на входе инвертора представляет собой постоянное напряжение с неизменной амплитудой.

Промежуточная цепь изменяющегося постоянного напряжения

Рис. 12. Промежуточная цепь изменяющегося напряжения

В промежуточных цепях изменяющегося постоянного напряжения можно перед фильтром включить прерыватель, как это показано на рис. 12.

Прерыватель содержит транзистор, который действует как переключатель, включая и выключая напряжение выпрямителя. Система регулирования управляет прерывателем путем сравнения изменяющегося напряжения после фильтра (U v) с входным сигналом. Если существует разность, соотношение регулируется путем изменения времени, в течение которого транзистор открыт, и времени, когда он закрыт. Тем самым изменяется эффективное значение и величина постоянного напряжения, что может быть выражено формулой

U v = U х t on / (t on + t off)

Когда транзистор прерывателя размыкает цепь тока, катушка индуктивности фильтра делает напряжение на транзисторе бесконечно большим. Чтобы избежать этого прерыватель защищен быстропереключающимся диодом. Когда транзистор открывается и закрывается, как показано на рис. 13, напряжение будет наибольшим в режиме 2. 

Рис. 13. Транзистор-прерыватель управляет напряжением промежуточной цепи

Фильтр промежуточной цепи сглаживает прямоугольное напряжение после прерывателя. Конденсатор и катушка индуктивности фильтра поддерживают постоянство напряжения на данной частоте.

В зависимости от построения промежуточная цепь может также выполнять дополнительные функции, в число которых входят:

Развязка выпрямителя от инвертора

Уменьшение уровня гармоник

Накопление энергии с целью ограничения скачков прерывистой нагрузки.

Инвертор

Инвертор - последнее звено в преобразователе частоты перед электродвигателем и место, где происходит окончательная адаптация выходного напряжения.

Преобразователь частоты обеспечивает штатные рабочие условия во всем диапазоне регулирования путем адаптации выходного напряжения к режиму нагрузки. Это позволяет поддерживать оптимальное намагничивание электродвигателя.

Из промежуточной цепи инвертор получает

Изменяющийся постоянный ток,

Изменяющееся напряжение постоянного тока или

Неизменное напряжение постоянного тока.

Благодаря инвертору, в каждом из этих случаях на электродвигатель подается изменяющаяся величина. Другими словами, в инверторе всегда создается нужная частота напряжения, подаваемого на электродвигатель. Если ток или напряжение являются изменяющимися, инвертор создает только нужную частоту. Если напряжение неизменно, инвертор создает для электродвигателя как нужную частоту, так и нужное напряжение.

Даже если инверторы работают различным образом, их основная структура всегда одинакова. Основными элементами инверторов являются управляемые полупроводниковые приборы, включенные попарно в трех ветвях.

В настоящее время тиристоры в большинстве случаев заменены высокочастотными транзисторами, которые способны открываться и закрываться очень быстро. Частота коммутации обычно находится в пределах от 300 Гц до 20 кГц и зависит от используемых полупроводниковых приборов. 

Полупроводниковые приборы в инверторе открываются и закрываются сигналами, формируемыми схемой управления. Сигналы могут формироваться несколькими различными способами.

Рис. 14. Обычный инвертор тока промежуточной цепи изменяющегося напряжения.

Обычные инверторы, коммутирующие, главным образом, ток промежуточной цепи изменяющегося напряжения, содержат шесть тиристоров и шесть конденсаторов.

Конденсаторы позволяют тиристорам открываться и закрываться таким образом, что ток в фазных обмотках сдвигается на 120 градусов и должен быть адаптирован к типоразмеру электродвигателя. Когда на клеммы электродвигателя периодически подается ток в последовательности U-V, V-W, W-U, U-V..., возникает прерывистое вращающееся магнитное поле требуемой частоты. Даже если ток электродвигателя при этом имеет почти прямоугольную форму, напряжение электродвигателя будет практически синусоидальным. Однако при включении или выключении тока всегда возникают броски напряжения.

Конденсаторы отделяются от нагрузочного тока электродвигателя диодами. 

Рис. 15. Инвертор для изменяющегося или неизменного напряжения промежуточной цепи и зависимость выходного тока от частоты коммутации инвертора

Инверторы с изменяющимся или неизменным напряжением промежуточной цепи содержат шесть коммутационных элементов и вне зависимости от вида используемых полупроводниковых приборов работают почти одинаково. Схема управления открывает и закрывает полупроводниковые приборы с помощью нескольких различных способов модуляции, изменяя тем самым выходную частоту преобразователя частоты.

Первый способ предназначен для изменяющегося напряжения или тока в промежуточной цепи.

Интервалы, в течение которых отдельные полупроводниковые приборы открыты, расположены в последовательности, используемой для получения требуемой выходной частоты.

Эта последовательность коммутации полупроводниковых приборов управляется величиной изменяющегося напряжения или тока промежуточной цепи. Благодаря использованию генератора колебаний, управляемого напряжением, частота всегда отслеживает амплитуду напряжения. Такой вид управления инвертором называется амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).

Для фиксированного напряжения промежуточной цепи используется другой основной способ. Напряжение электродвигателя становится изменяющимся благодаря подаче напряжения промежуточной цепи на обмотки электродвигателя в течение более длинных или более коротких интервалов времени. 

Рис. 16 Модуляция амплитуды и длительности импульсов

Частота изменяется путем изменения импульсов напряжения вдоль оси времени - положительно в течение одного полупериода и отрицательно - в течение другого.

Поскольку при этом способе происходит изменение длительности (ширины) импульсов напряжения, его называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). ШИМ-модуляция (и связанные с ней способы, например синусоидально-управляемая ШИМ) является наиболее распространенным способом управления инвертора.

При ШИМ-модуляции схема управления определяет моменты коммутации полупроводниковых приборов при пересечении пилообразного напряжения и наложенного синусоидального опорного напряжения (синусоидально-управляемая ШИМ). Другими перспективными способами ШИМ-модуляции являются модифицированные методы широтно-импульсной модуляции, такие как WC и WC plus , разработанные корпорацией Danfoss.

Транзисторы

Поскольку транзисторы могут коммутироваться с высокими скоростями, электромагнитные помехи, возникающие при «импульсном» (намагничивании электродвигателя, уменьшаются. 

Другим преимуществом высокой частоты коммутации является гибкость модуляции выходного напряжения преобразователя частоты, что позволяет вырабатывать синусоидальный ток электродвигателя, в то время как схема управления должна просто открывать и закрывать транзисторы инвертора.

Частота коммутации инвертора - это «палка о двух концах», поскольку высокие частоты могут привести к нагреву электродвигателя и появлению больших пиковых напряжений. Чем выше частота коммутации, тем выше потери.

С другой стороны, низкая частота коммутации может привести с сильному акустическому шуму.

Высокочастотные транзисторы можно разделить на три основные группы:

Биполярные транзисторы (LTR)

Униполярные полевые МОП-транзисторы (MOS-FET)

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)

В настоящее время наиболее широко используются транзисторы IGBT, поскольку в них управляющие свойства транзисторов MOS-FET сочетаются с выходными свойствами транзисторов LTR; кроме того, они имеют надлежащий диапазон мощностей, подходящую проводимость и частоту коммутации, что позволяет значительно упростить управление современными преобразователями частоты.

В случае транзисторов IGBT как элементы инвертора, так и средства управления инвертором помещаются в опрессованный модуль, называемый "интеллектуальным силовым модулем" (IPM).

Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)

Амплитудно-импульсная модуляция используется для преобразователей частоты с изменяющимся напряжением промежуточной цепи.

В преобразователях частоты с неуправляемыми выпрямителями амплитуда выходного напряжения формируется прерывателем промежуточной цепи, а если выпрямитель является управляемым, амплитуда получается непосредственно.

Рис. 20. Формирование напряжения в преобразователях частоты с прерывателем в промежуточной цепи

Транзистор (прерыватель) на рис. 20 отпирается или запирается схемой управления и регулирования. Значения времени коммутации зависит от номинального значения (входного сигнала) и измеренного сигнала напряжения (фактического значения). Фактическое значение измеряется на конденсаторе.

Катушка индуктивности и конденсатор действуют как фильтр, который сглаживает пульсации напряжения. Пик напряжения зависит от времени открывания транзистора, и если номинальное и фактическое значения различаются между собой, прерыватель работает до тех пор, пока не будет достигнут требуемый уровень напряжения.

Регулирование частоты

Частота выходного напряжения изменяется инвертором в течение периода, при этом полупроводниковые коммутационные устройства срабатывают в течение периода много раз.

Длительность периода можно регулировать двумя способами:

1.непосредственно входным сигналом или

2.с помощью изменяющегося постоянного напряжения, которое пропорционально входному сигналу.

Рис. 21а. Регулирование частоты с помощью напряжения промежуточной цепи 

Широтно-импульсная модуляция является наиболее распространенным способом формирования трехфазного напряжения с соответствующей частотой.

При широтно-импульсной модуляции формирование полного напряжения промежуточной цепи (≈ √2 х U mains) определяется длительностью и частотой коммутации силовых элементов. Частота повторения ШИМ-импульсов между моментами включения и выключения является переменной и позволяет осуществлять регулировку напряжения.

Имеются три основных варианта задания режимов коммутации в инверторе с управлением посредством широтно-импульсной модуляции.

1.Синусоидально-управляемая ШИМ

2.Синхронная ШИМ

3.Асинхронная ШИМ

Каждая ветвь трехфазного ШИМ-инвертора может иметь два различных состояния (включено и выключено).

Три переключателя образуют восемь возможных коммутационных комбинаций (2 3), и, следовательно, восемь цифровых векторов напряжения на выходе инвертора или на обмотке статора подключенного электродвигателя. Как показано на рис. 21b, эти векторы 100, 110, 010, 011, 001, 101 находятся в углах описанного шестиугольника, используя в качестве нулевых векторы 000 и 111.

В случае коммутационных комбинаций 000 и 111 создается один и тот же потенциал на всех трех выходных клеммах инвертора - либо положительный, либо отрицательный относительно промежуточной цепи (см. рис. 21с). Для электродвигателя это означает эффект, близкий к короткому замыканию клемм; к обмоткам электродвигателя также приложено напряжение О В.

Синусоидально-управляемая ШИМ

При синусоидально-управляемой ШИМ для управления каждым инверторным выходом используется синусоидальное опорное напряжение (Us) Длительность периода синусоидального напряжения соответствует требуемой основной частоте выходного напряжения. На три опорных напряжения накладывается пилообразное напряжение (U D) см. рис. 22.

Рис. 22. Принцип действия синусоидально-управляемой ШИМ (с двумя опорными напряжениями)

При пересечении пилообразного напряжения и синусоидальных опорных напряжений полупроводниковые приборы инверторов либо открываются, либо закрываются.

Пересечения определяются электронными элементами платы управления. Если пилообразное напряжения больше синусоидального, то при уменьшении пилообразного напряжения выходные импульсы изменяются от положительного значения до отрицательного (или от отрицательного до положительного), так что выходное напряжение преобразователя частоты определяется напряжением промежуточной цепи. 

Выходное напряжение изменяется с помощью отношения между длительностью открытого и закрытого состояния, причем для получения требуемого напряжения это отношение можно менять. Таким образом, амплитуда отрицательных и положительных импульсов напряжения всегда соответствует половине напряжения промежуточной цепи.

Рис. 23. Выходное напряжение синусоидально-управляемой ШИМ

При низких частотах статора время в закрытом состоянии увеличивается и может оказаться настолько большим, что окажется невозможным поддерживать частоту пилообразного напряжения.

Это увеличивает период отсутствия напряжения, и электродвигатель будет работать неравномерно. Чтобы избежать этого, на низких частотах можно удвоить частоту пилообразного напряжения. 

Фазное напряжение на выходных клеммах преобразователя частоты соответствует половине напряжения промежуточной цепи, деленной на √ 2, т.е. равно половине напряжения питающей сети. Линейное напряжение на выходных клеммах в √ 3 раз больше фазного напряжения, т.е. равно напряжению питающей сети, умноженному на 0,866.

Инверторе ШИМ-управлением, который работает исключительно с модуляцией опорным синусоидальным напряжением, может подавать напряжение, равное 86,6 % номинального напряжения (см. рис. 23).

При использовании чисто синусоидальной модуляции выходное напряжение преобразователя частоты не может достигнуть напряжения электродвигателя, поскольку выходное напряжение также будет меньше на 13 %.

Однако требуемое дополнительное напряжение можно получить путем уменьшения числа импульсов, когда частота превышает примерно 45 Гц, но этот способ имеет некоторые недостатки. В частности, он вызывает ступенчатое изменение напряжения, что приводит к неустойчивой работе электродвигателя. Если число импульсов уменьшается, возрастают высшие гармоники на выходе преобразователя частоты, что увеличивает потери в электродвигателе.

Иной способ решения данной проблемы связан с использованием других опорных напряжений вместо трех синусоидальных. Эти напряжения могут быть любой формы (например, трапецеидальной или ступенчатой).

Например, одно общее опорное напряжение использует третью гармонику синусоидального опорного напряжения. Получить такой режим коммутации полупроводниковых приборов инвертора, который увеличит выходное напряжение преобразователя частоты, можно путем увеличения амплитуды синусоидального опорного напряжения на 15,5% и добавления к нему третьей гармоники.

Синхронная ШИМ

Основная трудность использования метода синусоидально-управляемой ШИМ заключается в необходимости определения оптимальных значений времени коммутации и угла для напряжения в течение заданного периода. Эти значения времени коммутации должны устанавливаться таким образом, чтобы допускать только минимум высших гармоник. Такой режим коммутации сохраняется только в течение заданного (ограниченного) диапазона частот. Работа за пределами этого диапазона требует использования другого метода коммутации.

Асинхронная ШИМ

Необходимость ориентации на поле и обеспечения быстродействия системы в отношении крутящего момента и регулирования скорости трехфазных приводов переменного тока (включая сервоприводы) требует ступенчатого изменения амплитуды и угла напряжения инвертора. Использование режима коммутации «обычной» или синхронной» ШИМ не позволяет производить ступенчатое изменение амплитуды и угла напряжения инвертора.

Одним из способов выполнения этого требования является асинхронная ШИМ, при которой вместо синхронизации модуляции выходного напряжения с выходной частотой, как это обычно делается для уменьшения гармоник в электродвигателе, производится модуляция цикла векторного регулирования напряжения, что приводит к синхронной связи с выходной частотой.

Существуют два основных варианта асинхронной ШИМ:

SFAVM (Stator Flow-oriented Asynchronous Vector Modulation = (синхронная векторная модуляция, ориентированная на магнитный поток статора)

60° AVM (Asynchronous Vector Modulation = асинхронная векторная модуляция).

SFAVM - пространственно-векторный способ модуляции, который позволяет случайным образом, но скачкообразно изменять напряжение, амплитуду и угол инвертора в течение времени коммутации. Этим достигаются повышенные динамические свойства.

Главной целью применения такой модуляции является оптимизация магнитного потока статора с помощью напряжения статора с одновременным уменьшением пульсаций крутящего момента, поскольку отклонение угла зависит от последовательности коммутации и может вызвать увеличение пульсаций момента. Поэтому последовательность коммутации должна вычисляться таким образом, чтобы с вести к минимуму отклонение угла вектора. Переключение между векторами напряжения основано на вычислении желательной траектории магнитного потока в статоре электродвигателя, которая, в свою очередь, определяет крутящий момент.

Недостатком прежних, обычных ШИМ-систем питания были отклонения амплитуды вектора магнитного потока статора и угла магнитного потока. Эти отклонения неблагоприятно влияли на вращающееся поле (крутящий момент) в воздушном зазоре электродвигателя и вызывали пульсацию крутящего момента. Влияние отклонения U амплитуды пренебрежимо мало и может быть дополнительно уменьшено путем увеличения частоты коммутации. 

Формирование напряжения электродвигателя

Стабильная работа соответствует регулированию вектора напряжения машины U wt таким образом, чтобы он описывал окружность (см. рис. 24).

Вектор напряжения характеризуется величиной напряжения электродвигателя и скорости вращения, что соответствует рабочей частоте в рассматриваемый момент времени. Напряжение электродвигателя формируется путем создания средних значений с помощью коротких импульсов из соседних векторов.

Способ SFAVM, разработанный корпорацией Danfoss, наряду с прочими обладает следующими свойствами:

Вектор напряжения можно регулировать по амплитуде и фазе без отклонения от установленного задания.

Последовательность коммутации всегда начинается с 000 или 111. Это позволяет вектору напряжения иметь три режима коммутации.

Среднее значение вектора напряжения получается с помощью коротких импульсов соседних векторов, а также нулевых векторов 000 и 111.

Схема управления

Схема управления, или плата управления - четвертый главный элемент преобразователя частоты, который предназначен для решения четырех важных задач:

Управление полупроводниковыми элементами преобразователя частоты.

Обмен данными между преобразователями частоты и периферийными устройствами.

Сбор данных и формирование сообщений о неисправностях.

Выполнение функций защиты преобразователя частоты и электродвигателя.

Микропроцессоры увеличили быстродействие схемы управления, существенно расширили область применения приводов и уменьшили количество необходимых вычислений.

Микропроцессор встраивается в преобразователь частоты и всегда способен определять оптимальную импульсную комбинацию для каждого рабочего состояния.

Схема управления для АИМ-преобразователя частоты

Рис. 25 Принцип действия схемы управления для промежуточной цепи, управляемой прерывателем.

На рис. 25 показан преобразователь частоты с АИМ-управлением и прерывателем промежуточной цепи. Схема управления управляет преобразователем (2) и инвертором (3). 

Управление производится по мгновенному значению напряжения промежуточной цепи.

Напряжение промежуточной цепи управляет схемой, которая действует как счетчик адреса в памяти для хранения данных. Память хранит выходные последовательности для импульсной комбинации инвертора. Когда напряжение промежуточной цепи увеличивается, счет происходит быстрее, последовательность заканчивается скорее, а выходная частота возрастает.

Что касается управления прерывателем, то напряжение промежуточной цепи сначала сравнивается с номинальным значением опорного сигнала-сигнала напряжения. Ожидается, что этот сигнал напряжения дает правильные значения выходного напряжения и частоты. Если изменяют опорный сигнал и сигнал промежуточной цепи, ПИ-регулятор информирует схему о том, что необходимо изменить время цикла. Это вызывает подстройку напряжения промежуточной цепи по опорному сигналу.

Обычным методом модуляции для управления преобразователем 1астоты является амплитудно-импульсная модуляция (АИМ). Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) является более современным методом.

Управление по полю (векторное управление)

Векторное управление может быть организовано несколькими способами. Основным различием способов являются критерии, которые используются при вычислении значений активного тока, тока намагничивания (магнитного потока) и крутящего момента.

При сравнении между собой двигателей постоянного тока и трехфазных асинхронных двигателей (рис. 26) выявляются определенные проблемы. На постоянном токе параметры, которые важны для создания крутящего момента, - магнитный поток (Ф) и ток якоря - фиксированы по отношению к размеру и расположению фазы и определяются ориентацией обмоток возбуждения и положением угольных щеток (рис. 26а).

В двигателе постоянного тока ток якоря и ток, создающий магнитный поток, расположены под прямым углом друг к другу и их значения не очень велики. В асинхронном электродвигателе положение магнитного потока (Ф) и тока ротора (I,) зависит от нагрузки. Кроме того, в противоположность двигателю постоянного тока, фазовые углы и ток не могут быть непосредственно определены по размеру статора.

Рис. 26. Сравнение машины постоянного тока и асинхронной машины переменного тока

Однако с помощью математической модели можно вычислить крутящий момент по зависимости между магнитным потоком и током статора.

Из измеренного тока статора (l s) выделяется составляющая (l w), которая создает крутящий момент с магнитным потоком (Ф) при прямых углах между двумя этими переменными (l в). Тем самым создается магнитный поток электродвигателя (рис. 27).

Рис. 27. Расчет составляющих тока для регулирования по полю

С помощью этих двух составляющих тока можно независимо влиять на крутящий момент и магнитный поток. Однако ввиду определенной сложности вычислений на основе динамической модели электродвигателя, такие вычисления рентабельны только в цифровых приводах.

Поскольку по такому методу регулирование возбуждения, которое не зависит от нагрузки, отделено от регулирования крутящего момента, то можно динамически управлять асинхронным двигателем так же, как и двигателем постоянного тока - при условии, что имеется сигнал обратной связи. Этот способ управления трехфазным двигателем переменного тока обладает следующими преимуществами:

Хорошая реакция на изменения нагрузки

Точное регулирование мощности

Полный крутящий момент при нулевой скорости

Рабочие характеристики сравнимы с характеристиками приводов постоянного тока. 

Регулирование V/f-характеристик и вектора магнитного потока

В последние годы разработаны системы регулирования скорости трехфазных двигателей переменного тока на основе двух разных принципов управления:

нормального V/f-регулирования, или СКАЛЯРНОГО управления, и регулирования вектора магнитного потока.

Оба метода имеют свои преимущества, зависящие от конкретных требований к рабочим характеристикам привода (динамике) и точности.

Регулирование V/f-характеристик имеет ограниченный диапазон регулирования скорости (приблизительно 1:20), и на малой скорости требуется другой принцип регулирования (компенсация). При использовании этого метода относительно просто адаптировать преобразователь частоты к электродвигателю, причем регулирование невосприимчиво к мгновенным изменениям нагрузки во всем диапазоне скоростей.

В приводах с регулированием магнитного потока преобразователь частоты должен точно конфигурироваться под электродвигатель, что требует детального знания его параметров. Также необходимы дополнительные компоненты для получения сигнала обратной связи.

Некоторые преимущества этого типа управления:

Быстрая реакция на изменения скорости и широкий диапазон скоростей

Лучшая динамическая реакция на изменения направления

Обеспечивается единый принцип управления во всем диапазоне скоростей.

Для пользователя оптимальным решением было бы сочетание наилучших свойств обоих принципов. Очевидно, что одновременно необходимы и такое свойство, как устойчивость к ступенчатой нагрузке/разгрузке во всем диапазоне скоростей, что обычно является сильной стороной V/f-регулирования, и быстрая реакция на изменения задания скорости (как при управлении по полю).

На сегодняшний момент на российском рынке представлены десятки марок низковольтных преобразователей частоты иностранных и российских производителей. Среди них можно отметить ведущие европейские компании: Siemens, ABB, SEW Eurodrive, Control Techniques (корпорация Emerson), Schneider Electric, Danfoss, K.E.B., Lenze, Allen-Breadly (корпорация Rockwell Automation), Bosch Rexroth. Продукция этих производителей широко представлена, существует разветвленная дилерская сеть. Пока менее известна продукция таких компаний из Европы, как Emotron, Vacon, SSD Drives (корпорация Parker), Elettronica Santerno. Присутствуют и продукты американских производителей – корпорации General Electric, AC Technology International (входит в концерн Lenze) и WEG (Бразилия).

Серьезную конкуренцию европейским и американским производителям составляют компании из Азии. Прежде всего, это компании из Японии: Mitsubishi Electric, Omron-Yaskawa, Panasonic, Hitachi, Toshiba, Fuji Electric. Широко представлены корейские и тайваньские марки – LG Industrial Systems, HYUNDAI Electronics, Delta Electronics, Tecorp, Long Shenq Electronic, Mecapion.

Среди отечественных производителей наиболее известным является компания Веспер. Можно также отметить специализированные преобразователи марок АПЧ, ЭПВ (ОАО «Электроаппарат»), РЭН2К или РЭМС (МКЕ).

Большинство производителей предлагаeт преобразователи частоты, способные работать в разомкнутом и замкнутом контуре управления (векторное управление), с наборами программируемых входов и выходов, со встроенным ПИД-регулятором. Даже в самых дешевых корейских или тайваньских преобразователях частоты можно встретить так называемый бессенсорный, т.е. без датчика положения ротора, векторный режим работы. Диапазон регулирования может составлять 1:50.

Однако ведущие производители предлагают более совершенный режим векторного управления без датчика обратной связи, основанный на передовых алгоритмах управления. Одним из первопроходцев в этой области была компания ABB предложившая DTR (Direct torque control) – метод управления скоростью и моментом без датчика обратной связи. Английская компания Control Techniques реализовала режим управления потокосцеплением ротора (RFC) без использования датчика обратной связи, что позволяет управлять моментом с точностью достаточной для большинства задач, расширить диапазон регулирования до 100, обеспечить высокую точность поддержания скорости при низкой частоте вращения и достичь такого же тока перегрузки, как в режимах замкнутого контура.

Крупные производители предлагают многофункциональные приборы с целым набором опций (модули расширения, тормозные резисторы, встраиваемые контроллеры, фильтры, дроссели и т.д.) или комплектуют их системами ЧПУ или контроллерами движения.

Все чаще можно встретить применение привода в рекуперативном режиме, т.е. с возможностью возвращать энергию, выделяемую при торможении, обратно в сеть (лифты, эскалаторы, подъемные краны). Обычно для этого используется специализированный привод с управляемым выпрямителем. Ведущие компании, например, Control Techniques, предлагают рекуперацию как один из режимов работы преобразователя частоты Unidrive SP, тем самым получая существенную экономию энергии и высокий КПД системы.

Описанный ассортимент даёт возможность инженеру выбрать подходящий по цене преобразователь частоты с широким набором встроенных функций и программ. При этом ведущие европейские марки, например из Великобритании и Германии, успешно конкурируют по цене при большем функционале и качестве

Предлагаем вашему вниманию описание некоторых продуктов, доступных на российском рынке. Информацию о поставщиках вы можете найти на нашем сайте:

Компания Rockwell Automation, бессменный лидер на силовом электротехническом рынке, выпустила новую серию частотных электроприводов Allen-Bradley® PowerFlex® в диапазоне мощностей от 0.25kW до 6770kW. Новая высокоэффективная серия сочетает в себе компактное конструктивное исполнение, широкие функциональные возможности и отличные эксплуатационные характеристики. Применяется в пищевой, бумажной, текстильной промышленности, металлообработке, деревообработке, насосно-вентиляционном оборудовании и т.д. В палитре представлены два класса приводов – Компонентный и Архитектурный. Модели из Компонентного класса предназначены для решения стандартных задач регулирования, а приводы Архитектурного класса за счет гибкого изменения конфигурации могут быть легко адаптированы и встроены в системы управления различного силового оборудования. Все модели предлагают исключительные коммуникационные возможности, широкую гамму панелей оператора и средств программирования, что в значительной степени облегчает эксплуатацию и ускоряет запуск оборудования.

PowerFlex ® 4

Привод Powerflex 4 является наиболее компактным и недорогим представителем данного семейства. Являясь идеальным устройством регулирования скорости, данная модель обеспечивает универсальность применения с соблюдением требований производителей и конечных пользователей в отношении гибкости, компактности и простоты эксплуатации.

В приводе реализован вольт-частотный закон управления с возможностью компенсации скольжения. Прекрасным дополнением к данной модели является версия ультракомпактного приводы Power@Flex4M, c расширенным рабочим диапазоном мощностей до 2.2 kW при однофазном исполнении и до 11kW-для трехфазного напряжения 400VAC. Предлагаемая ценовая шкала на данную модель позволяет надеяться если не на хит сезона, то на достаточно широкую ее популярность.

PowerFlex ® 7000

Привода серии PowerFlex 7000 являются уже третьим поколением приводов среднего напряжения от Rockwell Automation. Предназначены для регулирования скорости, момента, направления вращения асинхронных и синхронных двигателей переменного тока. Уникальный дизайн серии PowerFlex 7000 представляет собой запатентованную разработку под маркой PowerCage силовых блоков, содержащих основные силовые компоненты приводы. Новый модульный дизайн прост и представлен небольшим количеством компонентов, что обеспечивает высокую надежность и облегчает эксплуатацию. К основным преимуществам приводов среднего напряжения можно отнести: уменьшение эксплуатационных расходов, возможность запуска больших двигателей от небольших источников питания и повышение качественных характеристик контролируемого технологического процесса и используемого оборудования.

В зависимости от выходной мощности поставляются привода трех типоразмеров:

Корпус А – Диапазон мощностей 150-900 кВт при питающем напряжении 2400-6600 В

Корпус В – Диапазон мощностей 150-4100 кВт при питающем напряжении 2400-6600В

Корпус С – Диапазон мощностей 2240-6770 кВт при питающем напряжении 4160-6600 В

Приводы PowerFlex 7000 могут поставляться с таких вариантами исполнения, как 6-пульсная или 18-пульсная схема или с ШИМ-преобразователем, что дает пользователю существенную гибкость в вопросе снижения влияния гармоник питающей сети. Кроме этого, он обеспечивает прямое бессенсорное векторное управление для улучшения регулирования в зоне низких скоростей, по сравнению с приводами, использующими метод регулирования U/f, а также возможность регулирования момента двигателя, как это осуществляется в приводах постоянного тока. В качестве панели оператора предлагается модуль с жидкокристаллическим дисплеем на 16 строк и 40 знаков.

Больший момент инерции без дополнительного редуктора

Малоинерционные сервомоторы от Beckhoff серии AM3000, которые производятся на основе новых материалов и технологии, используются, главным образом, в динамичных приложениях с высокими нагрузками, например, для привода осей металлообрабатывающих станков или устройств без редукторов. В сочетании с большой инерцией ротора, они предлагают те же преимущества, что и моторы серии AM3xxx, например, полюсную статорную обмотку, которая позволяет значительно уменьшить общие габариты мотора. Фланцы, соединители и валы моторов новой серии AM3500 совместимы с хорошо проверенными моторами AM3000. Новые модели AM3500 выпускаются с фланцами размеров 3 – 6 и имеют момент вращения от 1,9 до 15 Нм. Скорости вращения моторов составляют от 3000 до 6000 оборотов в минуту. Для систем обратной связи имеются координатные преобразователи или абсолютные датчики положения (одно- или многооборотные). Корпус относится к классу защиты IP 64; возможны опции с классом защиты IP 65/67. Эта серия моторов соответствует нормам безопасности CE, UL и CSA.

Новое поколение приводов

Линейка Emotron пополнилась приводами NGD: FDU2.0, VFX2.0 (мощностью от 0,75 кВт до 1,6 МВт) и VSC/VSA (0,18–7,5 кВт). Приводы с регулируемой скоростью FDU2.0 (для центробежных механизмов) и VFX2.0 (для поршневых) позволяют пользователю устанавливать эксплутационные параметры в необходимых единицах, имеют съемную панель управления с функцией копирования настроек, модели до 132 кВт имеют стандартное экономичное исполнение IP54 (модели от 160 до 800 кВт также могут быть установлены в специальные компактные корпуса IP54). Обмен данными в ходе процесса осуществляется с помощью Fieldbus (Profibus-DP, DeviceNet, Ethernet), через порты (RS-232, RS-485, Modbus RTU), а также аналоговые и цифровые выходы.

Малогабаритные векторные приводы VSA и VSC специально спроектированы для регулирования скорости трехфазных асинхронных двигателей небольшой мощности: модели с входным напряжением 220 В доступны в диапазоне от 0,18 до 2,2 кВт, а модели 380 В – от 0,75 до 7,5 кВт.

Cемейство ATV61-ATV71

Рынок преобразователей частоты в России развивается стремительными темпами. Не удивительно, что он привлекает многочисленных производителей, причем, как крупных, так и малоизвестных. В настоящий момент российский рынок очень сегментирован. Но вот парадокс: несмотря на то, что на рынке присутствует в настоящий момент более 30 брэндов, существенная доля рынка принадлежит 7 – 8 компаниям, а явных лидеров – не более двух. При этом великолепные технические характеристики оборудования еще не являются гарантией успеха. Лидирующие позиции в России смогли занять компании, инвестирующие существенные средства в развитие бизнеса и бизнес – инфраструктуры.

Компания Schneider Electric, интересы которой в России представляет ЗАО «Шнейдер Электрик», в 2007 году значительно расширилa продуктовое предложение. Теперь семейство ATV61-ATV71 пополнилось модификацией на напряжение 690 В, появилось множество версий со степенью защиты IP54. Появилась также специальная модель для лифтового и кранового привода ATV71*383 с уникальной технологией управления синхронным двигателем. К концу 2008 года в линейке Альтиваров появится аппарат мощностью 2400 кВт на 690В. Altivar 61 теперь может работать в схемах с повышающим трансформатором.

Новая экономичная серия Altivar 21 разработана специально для систем отопления, кондиционирования и вентиляции жилых и общественных зданий. Altivar 21 управляет двигателями 0.75 до 75 кВт на напряжения 380 В и 200 … 240 В.

Altivar 21 имеет множество прикладных функций:

– встроенный ПИ регулятор;

– «подхват налету»;

– функция «сон/пробуждение»;

– управление защитами и сигнализацией;

– устойчивость к сетевым помехам, работа при температуре до + 50°C и просадке напряжения -50%.

С новой безконденсаторной технологией Altivar 21 не требует устройств для снижения гармоник. Суммарный коэффициент – THDI 30%. Отказ от конденсаторов и применение более мощных полупроводников увеличили время наработки.

Лидерство Schneider Electric на рынке преобразовательной техники является результатом серьезной работы по повышению отказоустойчивости преобразователей. Параметр MTTF для некоторых моделей составляет до 640000 часов. Altivar работает при просадке напряжения до -50%, температуре до +50%, в химически агрессивных средах и при импульсных помехах в сети. Это серьезный аргумент для повторной покупки. Доверие покупателя к оборудованию и репутации фирмы трудно переоценить.

Приводоы от SICK

Современное производство требует автоматизации многих ручных операций по настройке различных параметров на различных станках и упаковочных машинах. Зачастую у оператора возникает необходимость в изменении геометрических параметров выпускаемого изделия или других подобных задач. В этом случае приводы позиционирования от SICK-Stegmann – идеальное недорогое устройство для подобной операции.

HIPERDRIVE® – приводы позиционирования етo результат интеграции бесщеточного двигателя постоянного тока, редуктора, абсолютного многооборотного энкодера, силовой и управляющей электроники в одном устройстве. Кроме всего прочего, приводы имеют сетевой интерфейс Profibus или DeviceNet. Данное устройство нацелено на выполнение задач позиционирования «точка – точка» и представляет собой устройствo типа «черный ящик», которым легко управлять.

В настоящее время для подобных задач используются сервоприводы. Но использование подобных систем имеет ряд недостатков. Прежде всего, это экономически не оправдано. Системы на основе сервоприводов, как правило, требуют также инвертора, тормоза, абсолютного энкодера.

Основные преимущества данных приводов:

– Высоко – интегрированное устройство

Уменьшение размера привода

Легкая сборка и настройка

Частотно-регулируемый привод (частотно-управляемый привод, ЧУП, Variable requency Drive, VFD) - система управления частотой вращения ротора асинхронного (синхронного) электродвигателя. Состоит из собственно электродвигателя и частотного преобразователя.

Преобразователь частоты (частотный преобразователь) - это устройство состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный и инвертора (преобразователя) (иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты и амплитуды. Выходные тиристоры (GTO) или IGBT обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя. Для исключения перегрузки преобразователя при большой длине фидера между преобразователем и фидером ставят дроссели, а для уменьшения электромагнитных помех - EMC-фильтр. При скалярном управлении формируются гармонические токи фаз двигателя. Векторное управление - метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора (моментом на валу двигателя).

Применение частотного привода

Преобразователи частоты применяются в:

• судовом электроприводе большой мощности
• прокатных станах (синхронная работа клетей)
• высокооборотном приводе вакуумных турбомолекулярных насосов (до 100.000 об/мин.)
• конвейерных системах
• резательных автоматах
• станках с ЧПУ - синхронизация движения сразу нескольких осей (до 32 - например в полиграфическом или упаковывающем оборудовании) (сервоприводы)
• автоматически открывающихся дверях
• мешалках, насосах, вентиляторах, компрессорах
• бытовых кондиционерах
• стиральных машинах
• городском электротранспорте, особенно в троллейбусах.

Наибольший экономический эффект даёт применение ЧРП в системах вентиляции, кондиционирования и водоснабжения, где применение ЧРП стало фактически стандартом.

Преимущества применения ЧРП

• Высокая точность регулирования
• Экономия электроэнергии в случае переменной нагрузки (то есть работы эл. двигателя с неполной нагрузкой).
• Равный максимальному пусковой момент.
• Возможность удалённой диагностики привода по промышленной сети
  • распознавание выпадения фазы для входной и выходной цепей
  • учёт моточасов
  • старение конденсаторов главной цепи
  • неисправность вентилятора
• Повышенный ресурс оборудования
• Уменьшение гидравлического сопротивления трубопровода из-за отсутствия регулирующего клапана
• Плавный пуск двигателя, что значительно уменьшает его износ
• ЧРП как правило содержит в себе ПИД-регулятор и может подключатся напрямую к датчику регулируемой величины (например, давления).
• Управляемое торможение и автоматический перезапуск при пропадании сетевого напряжения
• Подхват вращающегося электродвигателя
• Стабилизация скорости вращения при изменении нагрузки
• Значительное снижение акустического шума электродвигателя, (при использовании функции «Мягкая ШИМ»)
• Дополнительная экономия электроэнергии от оптимизации возбуждения эл. двигателя
• Позволяют заменить собой автоматический выключатель

Недостатки применения частотного привода

• Большинство моделей ЧРП являются источником помех (требуется установка Фильтров высокочастотных помех)
• Сравнительно высокая стоимость для ЧРП большой мощности (окупаемость минимум 1-2 года)

Применение частотных преобразователей на насосных станциях

Классический метод управления подачей насосных установок предполагает дросселирование напорных линий и регулирование количества работающих агрегатов по какому-либо техническому параметру (например, давлению в трубопроводе). Насосные агрегаты в этом случае выбираются исходя из неких расчётных характеристик (как правило, с запасом по производительности) и постоянно функционируют с постоянной частотой вращения, без учета изменяющихся расходов, вызванных переменным водопотреблением. При минимальном расходе насосы продолжают работу с постоянной частотой вращения, создавая избыточное давление в сети (причина аварий), при этом бесполезно расходуется значительное количество электроэнергии. Так, к примеру, происходит в ночное время суток, когда потребление воды резко падает. Основной эффект достигается не за счет экономии электроэнергии, а благодаря существенному уменьшению расходов на ремонт водопроводных сетей.

Появление регулируемого электропривода позволило поддерживать постоянное давление непосредственно у потребителя. Широкое применение в мировой практике получил частотно регулируемый электропривод с асинхронным электродвигателем общепромышленного назначения. В результате адаптации общепромышленных асинхронных двигателей к их условиям эксплуатации в управляемых электроприводах создаются специальные регулируемые асинхронные двигатели с более высокими энергетическими и массогабаритностоимостными показателями по сравнению с неадаптированными. Частотное регулирование скорости вращения вала асинхронного двигателя осуществляется с помощью электронного устройства, которое принято называть частотным преобразователем. Вышеуказанный эффект достигается путём изменения частоты и амплитуды трёхфазного напряжения, поступающего на электродвигатель. Таким образом, меняя параметры питающего напряжения (частотное управление), можно делать скорость вращения двигателя как ниже, так и выше номинальной. Во второй зоне (частота выше номинальной) максимальный момент на валу обратно пропорционален скорости вращения.

Метод преобразования частоты основывается на следующем принципе. Как правило, частота промышленной сети составляет 50 Гц. Для примера возьмём насос с двухполюсным электродвигателем. С учетом скольжения скорость вращения двигателя составляет около 2800 (зависит от мощности) оборотов в минуту и даёт на выходе насосного агрегата номинальный напор и производительность (так как это его номинальные параметры, согласно паспорту). Если с помощью частотного преобразователя понизить частоту и амплитуду подаваемого на него переменного напряжения, то соответственно понизятся скорость вращения двигателя, и, следовательно, изменится производительность насосного агрегата. Информация о давлении в сети поступает в блок частотного преобразователя от специального датчика давления, установленного у потребителя, на основании этих данных преобразователь соответствующим образом меняет частоту, подаваемую на двигатель.

Современный преобразователь частоты имеет компактное исполнение, пыле и влагозащищённый корпус, удобный интерфейс, что позволяет применять его в самых сложных условиях и проблемных средах. Диапазон мощности весьма широк и составляет от 0,18 до 630 кВт и более при стандартном питании 220/380 В и 50-60 Гц. Практика показывает, что применение частотных преобразователей на насосных станциях позволяет:

• экономить электроэнергию (при существенных изменениях расхода), регулируя мощность электропривода в зависимости от реального водопотребления (эффект экономии 20-50 %);
• снизить расход воды, за счёт сокращения утечек при превышении давления в магистрали, когда расход водопотребления в действительности мал (в среднем на 5 %);
• уменьшить расходы (основной экономический эффект) на аварийные ремонты оборудования (всей инфраструктуры подачи воды за счет резкого уменьшения числа аварийных ситуаций, вызванных в частности гидравлическим ударом, который нередко случается в случае использования нерегулируемого электропривода (доказано, что ресурс службы оборудования повышается минимум в 1,5 раза);
• достичь определённой экономии тепла в системах горячего водоснабжения за счёт снижения потерь воды, несущей тепло;
• увеличить напор выше обычного в случае необходимости;
• комплексно автоматизировать систему водоснабжения, тем самым снижая фонд заработной платы обслуживающего и дежурного персонала, и исключить влияние «человеческого фактора» на работу системы, что тоже немаловажно.

По имеющимся данным срок окупаемости проекта по внедрению преобразователей частоты составляет от 3 месяцев до 2 лет.

Потери мощности при торможении электродвигателя

Во многих установках на регулируемый электропривод возлагаются задачи не только плавного регулирования момента и скорости вращения электродвигателя, но и задачи замедления и торможения элементов установки. Классическим решением такой задачи является система привода с асинхронным двигателем с преобразователем частоты, оснащённым тормозным переключателем с тормозным резистором.

При этом в режиме замедления/торможения электродвигатель работает как генератор, преобразуя механическую энергию в электрическую, которая в итоге рассеивается на тормозном резисторе. Типичными установками, в которых циклы разгона чередуются с циклами замедления являются тяговый привод электротранспорта, подъёмники, лифты, центрифуги, намоточные машины и т. п. Функция электрического торможения вначале появилась на приводе постоянного тока (например, троллейбус). В конце ХХ века появились преобразователи частоты со встроенным рекуператором, которые позволяют возвращать энергию, полученную от двигателя, работающего в режиме торможения, обратно в сеть. В этом случае, установка начинает «приносить деньги» фактически сразу после ввода в эксплуатацию.

Принцип работы частотного преобразователя

Созданный в конце XIX столетия, трёхфазный асинхронный двигатель стал незаменимой составляющей современного промышленного производства.

Для плавного пуска и остановки такого оборудования требуется специальное устройство – преобразователь частоты. Особо актуально наличие преобразователя для крупных двигателей с большой мощностью. С помощью этого дополнительного устройства можно регулировать пусковые токи, то есть, контролировать и ограничивать их величину.

Если регулировать пусковой ток исключительно механическим способом, не удастся избежать энергетических потерь и уменьшения срока службы оборудования. Показатели этого тока в пять-семь раз превышают номинальное напряжение, что недопустимо для нормальной работы оборудования.

Принцип работы современного преобразователя частоты подразумевает использование электронного управления. Они не только обеспечивают мягкий пуск, но и плавно регулируют работу привода, придерживаясь соотношения между напряжением и частотой строго по заданной формуле.

Основное преимущество устройства – экономия в потреблении электроэнергии, составляющая в среднем 50%. А также возможность регулировки с учётом потребностей конкретного производства.

Устройство функционирует по принципу двойного преобразования напряжения.

1. выпрямляется и фильтруется системой конденсаторов.
2. Затем в работу вступает электронное управление – образуется ток с указанной (запрограммированной) частотой.

На выходе выдаются прямоугольные импульсы, которые под воздействием обмотки статора двигателя (её индуктивности) становятся близкими к синусоиде.

На что обратить внимание при выборе?

Производители делают упор на стоимость преобразователя. Поэтому многие опции доступны только у дорогих моделей. При выборе устройства следует определиться с основными требованиями для конкретного использования.

• Управление может быть векторным или скалярным. Первое даёт возможность точной регулировки. Второе лишь поддерживает одно, заданное соотношение между частотой и напряжением на выходе и подходит только для простых приборов, вроде вентилятора.
• Чем выше указанная мощность, тем универсальнее будет устройство — обеспечится взаимозаменяемость и упростится обслуживание оборудования.
• Диапазон напряжения сети должен быть максимально широким, что обезопасит при перепадах его норм. Понижение не так опасно для устройства, как повышение. При последнем — вполне могут взорваться сетевые конденсаторы.
• Частота должна полностью соответствовать потребностям производства. Нижний предел указывает на диапазон регулирования скорости привода. Если нужен более широкий, потребуется векторное управление. На практике применяются частоты от 10 до 60 Гц, реже до 100Гц.
• Управление осуществляется через различные входы и выходы. Чем их больше, тем лучше. Но большее количество разъёмов существенно увеличивает стоимость устройства и усложняет его настройку.

Дискретные входы (выходы) используются для ввода команд управления и выхода сообщений о событиях (например, о перегреве), цифровые – для ввода сигналов цифровых (высокочастотных), аналоговые – для ввода сигналов обратной связи.

• Шина управления подключаемого оборудования должна совпадать с возможностями схемы частотного преобразователя по количеству входов и выходов. Лучше иметь небольшой запас для модернизации.
• Перегрузочные способности. Оптимален выбор устройства с мощностью на 15% больше мощности используемого двигателя. В любом случае нужно прочесть документацию. Производители указывают все основные параметры двигателя. Если важны пиковые нагрузки, следует выбрать преобразователь с показателем пикового тока на 10% больше указанного.

Сборка преобразователя частоты для асинхронного двигателя своими руками

Собрать инвертор или преобразователь можно самостоятельно. В настоящее время в сети находится множество инструкций и схем такой сборки.

Основная задача – получить «народную» модель. Дешёвую, надёжную и рассчитанную на бытовое применение. Для работы оборудования в промышленных масштабах, конечно, лучше отдать предпочтение устройствам, реализуемым магазинами.
Порядок действий по сборке схемы частотного преобразователя для электродвигателя

Для работы с домашней проводкой, с напряжением 220В и одной фазой. Примерная мощность двигателя до 1кВт.

На заметку. Длинные провода нужно снабдить помехоподавляющими кольцами.

Регулировка вращения ротора двигателя вмещается в диапазон частоты 1:40. Для малых частот необходимо фиксированное напряжение (IR компенсация).

Подключение частотного преобразователя к электродвигателю

Для однофазной проводки на 220В (использования в домашних условиях) подключение осуществляется по схеме «треугольник». Выходной ток не должен превышать 50% от номинального!

Для трёхфазной проводки на 380В (промышленного использования) подключение двигателя к частотному преобразователю осуществляется по схеме «звезда».

Преобразователь (или ) имеет соответствующие клеммы, помеченные буквами.

• R, S, T– сюда подключаются провода сети, очерёдность не имеет значения;
• U , V , W – для включения асинхронного двигателя (если двигатель вращается в обратную сторону, нужно поменять местами любой из двух проводов на этих клеммах).
• Отдельно предусмотрена клемма для заземления.

Для продления срока эксплуатации преобразователя необходимо соблюдать следующие правила:

1. Регулярно очищать внутренности устройства от пыли (лучше выдувать её небольшим компрессором, так как пылесос с загрязнением не всегда справится – пыль уплотняется).
2. Своевременно заменять узлы. Электролитические конденсаторы рассчитаны на пять лет, предохранители на десять лет эксплуатации. А вентиляторы охлаждения на два-три года использования. Внутренние шлейфы следует заменять раз в шесть лет.
3. Контролировать внутреннюю температуру и напряжение на шине постоянного тока.

Повышение температур приводит к засыханию термопроводящей пасты и разрушению конденсаторов. На силовых компонентах привода её следует менять ни реже одного раза в три года.

4. Придерживаться условий эксплуатации. Температура окружающей среды не должна превышать +40 градусов. Недопустима высокая влажность и запылённость воздуха.

Управление асинхронным мотором (например, ) – довольно сложный процесс. Преобразователи, изготовленные кустарно, дешевле промышленных аналогов и вполне подходят для использования в бытовых целях. Однако для применения на производстве предпочтительнее установить инверторы, собранные в заводских условиях. Обслуживание таких дорогих моделей под силу только хорошо обученному техническому персоналу.