• Каталог
• Заказ
• Прайс-лист
• Сертификаты
• Поддержка
• Контакты
• Вакансии
• Калькулятор

Преимущества и перспективные области  применения частотных преобразователей «ERMAN»

Конструкторское бюро «Агава» (Екатеринбург) предлагает несколько серий современных частотных преобразователей "ERMAN" с широким диапазоном мощностей и выгодными ценами.  

Общие сведения о ЧРП

Электрический привод с асинхронным двигателем является самым распространённым видом привода различных технологических машин и механизмов: асианхронные двигатели потребляют 75% всей производимой в мире электроэнергии, а асинхронные электроприводы машин и механизмов, используемых в жилищно-коммунальном хозяйстве России, расходуют более 30 % всей вырабатываемой в стране энергии. Широкое распро-странение асинхронных электродвигателей во второй половине 20-го века было обусловлено простотой, надёжностью и относительно небольшой стоимостью этих машин.

Основными недостатками асинхронных электродвигателей до недавнего времени оставались сложность и неэкономичность регулирования их частоты вращения, а плавное регулирование двигателей с короткозамкнутым ротором было практически невозможно. В то же время необходимость регулирования частоты вращения была особенно важна для привода механизмов, применяемых для изменения расходов и работающих с переменной нагрузкой.

С развитием силовой полупроводниковой и микропроцессорной техники в последние 15-20 лет стало возможным создание устройств частотного регулирования электроприводов с асинхронными двигателями. Эти устройства позволили экономично и точно управлять скоростью и моментом двигателя, избавиться от дросселирования производительности насосов и вентиляторов при помощи вентилей и заслонок, от применения неэкономичных гидромуфт, а также сложных и дорогостоящих приводов постоянного тока. 

Частотно-регулируемый привод (ЧРП) состоит из асинхронного электрического двигателя М и преобразователя частоты ПЧ (рис.1):

Рис. 1. Общая структура ЧРП

Электрический двигатель приводит в движение рабочий механизм РМ (насос, вентилятор, конвейер, питатель и т.п.). Преобразователь частоты ПЧ представляет собой статическое электронное устройство, которое управляет электрическим двигателем. На выходе преобразователя формируется электрическое напряжение с регулируемыми частотой и амплитудой.

Регулирование частоты вращения ротора асинхронного двигателя основано на изменении частоты вращающегося магнитного поля, создаваемого статором двигателя. Параметры привода при этом связаны следующими формулами:

для угловой скорости вращения ротора

(1)

и для частоты его вращения

(2)

где: ƒ_с  –  частота  напряжения, питающего статор,
       p –  число пар полюсов статора,
       s – скольжение двигателя, 0 < s ≤ 1.

В наиболее распространенном частотно-регулируемом приводе на основе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором применяются два вида управления – скалярное и векторное.

При скалярном управлении одновременно изменяют частоту и амплитуду подводимого к двигателю напряжения. Так как автономное изменение частоты питающего напряжения приводило бы к отклонению максимального и пускового моментов двигателя, к.п.д. и коэффициента мощности привода от их расчетных значений, то для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо одновременно с изменением частоты  изменять по определённому закону (алгоритму) и амплитуду напряжения. При этом частота является независимым воздействием, а соответствующую ей амплитуду определяют исходя из того, как при изменении частоты должны изменяться форма механической характеристики и максимальный момент привода.

В существующих преобразователях частоты при скалярном управлении чаще всего поддерживают постоянным отношение максимального момента двигателя к изменяющемуся моменту сопротивления на валу, характеризующее  перегрузочную способность двигателя.

Максимальный момент, развиваемый двигателем, определяется следующей зависимостью

(3)

где k - постоянный коэффициент.

Для реализации постоянства перегрузочной способности двигателя необходимо при регулировании частоты обеспечивать линейный закон

(4)

где ƒ – частота, а U – напряжение на статоре.

Рис. 2

Закон регулировния (4) пригоден для случая, когда момент нагрузки на валу двигателя не зависит от частоты вращения (конвейеры, компрессоры, поршневые насосы). При этом напряжение должно увеличиваться пропорционально частоте (см. рис. 2). Угол  наклона прямой  на рис.2 зависит от величин момента сопротивления и максимального крутящего момента двигателя. При постоянстве перегрузочной способности коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всём диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.

В случае привода вентилятора или центробежного насоса, у которых момент сопротивления увеличивается пропорционально квадрату частоты вращения, напряжение необходимо изменять по параболическому закону

(5)

показанному на рис.3.

Рис. 3

Используя зависимость максимального крутящего момента от напряжения и частоты (3), можно построить необходимый график зависимости напряжения U от частоты f и для любого характера нагрузки. Полученная зависимость U от f  реализуется в управляющем блоке преобразователя частоты. Скалярное управление используется для электроприводов с диапазоном регулирования частоты вращения до 1:40, без использования датчика обратной связи.

Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон и точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя. 

Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять, кроме амплитуды, и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление». 

Для управления вектором тока, а следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора, требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток.

Векторное управление с датчиком обратной связи по скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости – сотые доли процента, точность по моменту – единицы процентов.

Менее дорогим является частотно-регулируемый электропривод с векторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этом требует большего объёма и высокой скорости вычислений, производимых управляющим контроллером привода. 

Кратко о частотном преобразователе («частотнике»)

Наиболее распространенным типом преобразователей частоты является двухступенчатое преобразовательное устройство (рис. 4), выполненное

Рис. 4. Двухступенчатый преобразователь частоты:
В –  выпрямитель, Ф – фильтр,  АИН – автономный инвертор напряжения, УУП – устройство управления преобразователем частоты

на основе силового выпрямителя В трёхфазного переменного напряжения сети и автономного инвертора напряжения (АИН), преобразующего выпрямленное напряжение в переменное трёхфазное с регулируемой частотой и амплитудой. Между выпрямителем и инвертором включён фильтр Ф.

Несмотря на двухкратное преобразование энергии и обусловленное этим некоторое снижение к.п.д., такие преобразователи частоты (с промежуточным звеном постоянного тока) получили наибольшее распространение в различных типах электроустановок.

Автономный инвертор в современных низковольтных преобразователях выполняется на основе силовых биполярных транзисторов IGBT с изолированным затвором. Принцип работы преобразователя частоты иллюстрирован диаграммами напряжений и ток на рис. 5.

       
Рис. 5. Преобразования сигналов в ПЧ

Переменное напряжение питающей сети u_вх с постоянной амплитудой и частотой поступает на управляемый выпрямитель B. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения u_выпр используется фильтр Ф.  С выхода фильтра постоянное напряжение u_d  поступает на вход автономного импульсного инвертора АИН, состоящего обычно из шести силовых транзисторных вентилей («ключей»).

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения u_d  в трехфазное импульсное напряжение u_и с изменяемыми амплитудой и частотой. По сигналам системы управления каждая статорная обмотка  двигателя подключается через соответствующие вентили к положительному и отрицательному выходам фильтра Ф.

За счет поочередного переключения вентилей постоянное входное напряжение преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение u_и. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода повторения импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается  в середине полупериода, а к началу и концу полупериода ширина импульсов уменьшается. Таким образом, система управления осуществляет широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.

При высокой несущей частоте ШИМ (2…15 кГц)  обмотки двигателя, вследствие их высокой индуктивности, работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи i_вых.

Амплитуда и частота напряжения на выходе АИН определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции. В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем изменение амплитуды напряжения u_и достигается регулированием величины постоянного напряжения u_d, а изменение частоты – режимом работы инвертора. Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное переменное напряже-ние с изменяемой амплитудой (U_вых = var) и частотой (f_вых = var).

Преимущества и перспективные области  применения частотных преобразователей "ERMAN"

Частотные преобразователи "ERMAN" сочетают в себе уникальные качества, высокий технический уровень, надёжность и невысокую цену. На базе преобразователей можно создавать гибкие системы электропривода и регулирования технологических параметров. Преобразователи легко встраиваются в существующие системы практически без останова управляемого технологического процесса, легко модифицируются и адаптируются в соответствии со всеми аспектами их применения.  Широкий диапазон мощностей и различные варианты систем управления позволяют подобрать решения для многих задач управления.

Плавное регулирование скорости вращения электродвигателя позволяет в большинстве случаев отказаться от использования редукторов, вариаторов, дросселей и другой регулирующей аппаратуры, что значительно упрощает управляемую механическую (технологическую) систему, повышает ее надежность и снижает эксплуатационные расходы.

Частотные преобразователи "ERMAN" позволяют регулировать частоту трехфазного напряжения питания управляемого двигателя в  пределах  от  нуля  до 400 Гц. Разгон и торможение двигателя осуществляются плавно, при необходимости по линейному закону  от  времени.  Время  разгона  и (или) время торможения можно варьировать от 0,01 секунд до 50 минут. Возможен реверс двигателя с плавным торможением  и  плавным  разгоном до заданной скорости противоположного направления.

При разгоне преобразователи могут обеспечивать увеличение пусковых и динамических моментов до 150 %.

В преобразователях предусмотрены настраиваемые электронные системы  защиты двигателей от перегрузки по току, перегревов, утечек тока на землю и обрывов линий питания двигателей.

Частотные преобразователи "ERMAN" имеют стандартный интерфейс, унифицированные входные и выходные сигналы, позволяющие подключать их к внешним управляющим системам более высокого уровня.

Преобразователи позволяют отслеживать с отображением на цифровом индикаторе и формированием соответствующего выходного сигнала о заданном основном параметре системы – частоте питающего двигатель напряжения, скорости двигателя, ток или напряжение двигателя, состояние преобразователя и т.п.

Наиболее совершенные частотные преобразователи – с векторным управлением – обеспечивают возможность работы привода с полным моментом двигателя в области нулевых частот, поддерживать скорость при переменной нагрузке без датчиков обратной связи, точно контролировать момент на валу двигателя.

Частотный пуск управляемого двигателя обеспечивает его плавный без повышенных пусковых токов и механических ударов разгон, что снижает нагрузку на двигатель и связанные с ним передаточные механизмы, увеличивает срок их эксплуатации. При этом появляется возможность снижения мощности приводных двигателей по условиям пуска.

Встроенный микропроцессорный ПИД-регулятор ЧП "ERMAN" позволяет реализовать системы регулирования скорости управляемых двигателей и связанных с ним технологических процессов.

При использовании ЧП "ERMAN" для следующих широко распространённых машин и механизмов достигается существенная экономия электроэнергии:

• насосы – 25-30 %,
• вентиляторы – 30 %,
• компрессоры – 40 %,
• центрифуги – 50 %,
• дымососы – 30-80 %.

Наибольший экономический эффект получается при использовании  ЧРП для регулирования потоков жидкостей и газов по трубопроводам, для которого до недавнего времени применялись только задвижки или регулирующие клапаны.
Эффективность регулирования подачи жидкости путём изменения частоты вращения рабочего колеса насоса (вместо дросселироваия потока с помощью задвижки) иллюстрирована на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость потребляемой мощности от расхода жидкости при регулировании и дросселировании

ЧП "ERMAN"  может успешно применяться для следующих машин и механизмов:

• насосы горячей и холодной воды в системах водо- и теплоснабжения, вспомогательное оборудование котелен, ТЭС, ТЭЦ и котлоагрегатов;
• песковые и пульповые насосы в технологических линиях обогатительных фабрик;
• рольганги, конвейеры, транспортеры и другие транспортные средства;
• дозаторы и питатели;
• лифтовое оборудование;
• дробилки, мельницы, мешалки, экструдеры;
• центрифуги различных типов;
• линии производства пленки, картона и других ленточных материалов;
• оборудование прокатных станов и других металлургических агрегатов;
• приводы буровых станков, электробуров, бурового оборудования;
• электроприводы станочного оборудования;
• высокооборотные механизмы (шпиндели шлифовальных станков и т.п.);
• экскаваторное оборудование;
• крановое оборудование;
• механизмы силовых манипуляторов и т.п.

Обзорную статью подготовил профессор, кандидат технических наук В.А. Лукас.
Берлин 07.2010 год.