По материалам компании ООО «РусАвтоматизация»,
г. Челябинск, РФ
На сегодняшний день уже невозможно представить современное промышленное производство, транспортные системы, любую сферу жизнедеятельности человека без применения в них электрических двигателей. Для обеспечения непрерывного и энерогоэффективного управления технологическими процессами, в которых используются электродвигатели, применяется частотно-регулируемый привод (ЧРП), основным звеном которого, помимо двигателя, является преобразователь частоты (его сокращенно называют – ПЧ, или просто «частотник»).
Преобразователи частоты
В связи с развитием микропроцессорной техники и электроники современные частотные преобразователи обладают следующими преимуществами:
- обеспечивают КПД установки до 99%;
- имеют комплексный набор защит регулируемого электропривода;
- позволяют использовать множество технологических применений;
- допускают ограничение пусковых токов в пределах 1,2*Iн при запуске двигателя и
- плавное регулирование скорости вращения двигателя в широком диапазоне частот;
- дают возможность рекуперации энергии в питающую сеть для повышают энергоэффективность с помощью рекуператора;
- имеют в наличии необходимые протоколы связи для обеспечения автоматизации и диспетчеризации в общей системе управления АСУ ТП.
Преобразователи частоты
Преобразователи частоты являются довольно универсальным приводным устройством, предусмотренным для работы в различных областях промышленности и производства. Но при каждом применении необходимо учитывать технологические особенности функционирования оборудования, которым будет управлять «частотник», для оптимального использования имеющегося у преобразователя набора характеристик. Также это напрямую будет влиять на эффективность и бесперебойность работы самого «частотника» и электроприводного комплекса в целом.
Для понимания особенностей функционирования преобразователя частоты его устройство рассмотрим подробнее.
Устройство и принцип работы преобразователя частоты
Частотные преобразователи реализуют по схеме, которая состоит из силовой и управляющей части. Силовая часть содержит в себе транзисторные, либо тиристорные элементы, работающие в качестве электронных ключей. Регулирование их работы производится при помощи цифровых микропроцессоров, которые помимо управления «ключевой» схемой выполняют еще и функции защиты, диагностики и сопряжения с внешней системой управления преобразователем частоты.
В зависимости от принципа построения силовой части преобразователи можно разделить на два типа:
- преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока; и
- без звена постоянного тока (ПЧ с непосредственной связью).
Одним из первых типов преобразователей частоты были именно «частотники» с непосредственной связью. Силовая часть данных устройств основывалась на тиристорных элементах и представляла собой управляемый выпрямитель.
При работе преобразователей частоты группы тиристоров в определенной последовательности открывались, подавая напряжение на обмотки двигателя. Выходное напряжение таких преобразователей имело «пилообразную» форму, а его частота не могла превышать частоту питающей сети. Диапазон регулирования в преобразователях частоты без звена постоянного тока довольно мал – не более 1 к 10, что является недостаточным в современных реалиях управления технологическими объектами. Вследствие чего, в настоящий момент применение ПЧ подобного типа ограничено для большинства применений в связи с высокими требованиями, которые предъявляются к характеристикам входного напряжения и диапазону регулирования.
Вышеназванные недостатки преобразователей частоты с непосредственной связью были решены в современных преобразователях частоты со звеном постоянного тока, силовая часть которых состоит из выпрямителя, фильтра и транзисторного инвертора.
Типовая схема и принципы работы ПЧ со звеном постоянного тока показаны на рисунке:
В таких устройствах питающее напряжение преобразовывается дважды: входное напряжение выпрямляется в выпрямителе (1), сглаживается на фильтрующих элементах (2), и далее преобразуется в инверторе (3) в выходной сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). При необходимости на инверторном выходе до двигателя устанавливается моторный дроссель (4) для сглаживания токовых пульсаций.
На инверторе постоянное напряжение преобразуется в трехфазное переменное с изменяемой частотой и амплитудой. Микропроцессорное устройство в преобразователя частоты подает сигналы управления на силовые транзисторы инвертора, формируя практически синусоидальный сигнал необходимой формы. Наибольшая ширина сигнальных импульсов – в середине полупериода, а в начале и, ближе к окончанию полупериода, она уменьшается, тем самым обеспечивая ШИМ-модуляцию напряжения, которое подается на обмотки двигателя.
Подобное построение силовой части ПЧ позволило преобразователям со звеном постоянного тока обеспечить:
- широкий диапазон регулирования (до 1 к 10 000);
- быстродействие электроприводного комплекса в целом;
- возможность регулирования частоты вращения на низких оборотах двигателя;
- снижение уровня высших гармоник ПЧ и пульсации момента;
- увеличение срока службы преобразователя частоты и управляемого им электродвигателя.
Относительно алгоритмов контроля и управления работой преобразователей частоты на практике подразделяются следующие методы управления:
- скалярное управление, и
- векторное управление.
Скалярное (частотное) управление электродвигателем переменного тока используют там, где требуется поддерживать постоянным отношение напряжения к частоте.
Векторный принцип управления относительно скалярного – более производителен, имеет широкий диапазон и точность регулирования (в том числе на малых оборотах двигателя).
Метод управления выбирается в зависимости от требований, которые необходимы для выполнения технологического процесса.
Пример эффективного применения ЧРП
В качестве одного из объектов частотно-управляемого привода, где применение ПЧ качественно повышает эффективность всего технологического процесса, можно привести в пример подъемные механизмы, в частности – лифтовое оборудование. Учитывая тяжелые условия его эксплуатации, подобного повторно-кратковременные режимы при частых включениях/отключениях, установка частотно-регулируемого привода является эффективной возможностью увеличения технологичности и оптимизации подъемных процессов. Она позволяет:
- Существенно снизить энергопотребление привода (в среднем, частотный электропривод для управления лифтовым оборудованием экономит до 40 процентов электроэнергии (по сравнению с применениями без ПЧ) (Тем самым значительно уменьшаются затраты на энергоресурсы и есть возможность в минимальные сроки окупить средства, которые были вложены в модернизацию).
- Осуществлять плавный запуск, разгон и остановку лифтовых механизмов, обеспечивая необходимое значение крутящего момента двигателя на небольшой частоте вращения и режим “противоотката” кабины лифта. (Это позволит увеличить срок службы электродвигателей и механических частей механизма, уменьшить затраты на техническое обслуживание приводного комплекса, гарантировать оптимальный рабочий режим лифта).
- Дополнить защитные функции системы. (Данная опция позволит комплексно защитить привод по токовой перегрузке, перенапряжению, утечек, фазных обрывов и так далее).
- Выполнить сброс излишней энергии при остановке приводного механизма. (Это осуществляется при помощи подключаемых к частотнику тормозных резисторов, либо посредством рекуператоров энергии для максимально эффективного управления частотным приводом – в этом случае излишняя энергия будет возвращаться обратно в питающую сеть).
- А еще модернизировать производственный цикл за счет широких возможностей управления работой привода и процессами торможения. (Применение ПЧ обеспечивает точное регулирование скорости движения и положения кабины с помощью датчиков обратной связи — диапазон регулирования скорости 1 к 1000, точность поддержания скорости составляет 0,01%).
По статистике подобных применений, при внедрении преобразователей в лифтовых системах окупаемость частотного-регулируемого привода не превышает двух лет. При этом сокращаются затраты на обслуживание и ремонт лифтового электропривода.
Таким образом, применение преобразователей частоты при управлении электроприводами позволяет напрямую подстраивать регулируемые производственные характеристики (температуру, давление, скорость движения рабочих механизмов) под различные нужды с сохранением высокого КПД, обеспечивая при этом существенное снижение энергопотребления. Поэтому внедрение частотно-регулируемого привода дает возможность решать задачи не только в области автоматизации процесса производства, но и в сфере энергосбережения.
Осуществляя на практике подбор частотного регулируемого привода, необходимо оценить требования, которые предъявляются к объекту управления – это диапазон и точность регулирования, необходимость удержания определенного момента на валу двигателя (в частности, при небольших частотах вращения) и требования к работе электропривода в аварийных ситуациях.