Сучасні частотно-керовані електроприводи змінного струму

Зміст
Основи теорії частотного керування асинхронними електроприводами
Принцип роботи асинхронного двигуна, основні співвідношення
Закони частотного керування: поняття, визначення особливості та характеристики
Принцип роботи перетворювачів частоти
Принцип формування вихідної напруги: амплітудна та широтно-імпульсна модуляція
Способи формування гальмівного режиму роботи двигуна
Особливості роботи вхідного випрямляча
Електроприводи ALTIVAR від SE
Принцип роботи, основні характеристики та функціональні можливості,
Проблема ЕМС
Проблема захисту та координації комутаційної апаратури

Основи теорії частотного керування асинхронними електроприводами
Принцип роботи асинхронного двигуна,
основні співвідношення
Закони частотного керування:
Скалярне керування, поняття, закони U/f , IR- компенсація
Векторне керування, принцип, особливості
Закон збереження енергії
Приклади структурних схем САК

КОНСТРУКЦІЯ АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ

ПРИНЦИП РОБОТИ АСИНХРОННОГО ДВИГУНА
Створення магнітного поля
(3 катушки)
iA=Imsinωt
iB=Imsin(ωt-120º)
iC=Imsin(ωt-240º)
A
B
C
120º
240º

ПРИНЦИП РОБОТИ АСИНХРОННОГО ДВИГУНА
Формування момента
Магнітне поле статора
Струми у роторі
Магнітне поле ротора
Струми у статорі
Рушійний момент
Момент: M=cФ2I1

МЕХАНІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА АД
Mk
ω0
Mп
(1-sk)ω0
Режим двигуна
Режим противмикання
Рекуперативний режим
Ділянка нестійкого режиму роботи
Гілка стійкої роботи

ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ
Uн
fн
fmax
U1
Mk
Застосування:
Потужні АД з моментом навантаження , яке не залежить від швидкості;
приводи з невисокими вимогами до точності
Вольт-частотна характеристика

ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ
Застосування:
вентилятори;
насоси;
компресори

ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ
Uн
fн
fmax
U1
Mk
Застосування:
конвейори
млини, тощо

ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ
Uн
fн
fmax
Застосування:
двигуни малої потужності
IR-компенсація
f1=50 Гц
f1=25 Гц
f1=12 Гц

ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ
ВЧХ користувача
Застосування:
реализація особливих умов та вимог до вольт-частотної характеристики

СКАЛЯРНЕ КЕРУВАННЯ
АІН з амплітудною модуляцією
АІН з широтно-імпульсною модуляцією
Регулювання напруги (струму) та частоти
Недоліки: низька швидкодія;
відносно малий діапазон регулювання D=10-20

.
Векторне керування, принцип, особливості

Векторне керування, режими АД

Векторне керування
приклад структурної схеми

Векторне керування

Векторне керування
функціональна схема САК (FVC)

Векторне керування
осцилограми пуску приводу з ПЧ типу ATV58F

БЕЗДАВАЧЕВЕ ВЕКТОРНЕ КЕРУВАННЯ
(Sensorless vector control, SVC)
Передумови:
трудність вимірювання магнітного потоку
Не завжди є можливість встановлення давача швидкості (положення)
Переваги:
Покращення регулювальних властивостей приводу без застосування давачів швидкості
Принцип:
вимірювання струмів з наступним розрахунком швидкості та моменту
Недоліки:
діапазон регулювання, точність і швидкодія гірші, ніж при «повному» векторному керуванні. (з давачем швидкості)

Векторне керування
без давача швидкості (SVC)

Принцип роботи перетворювачів частоти
Принцип формування вихідної напруги: амплітудна та широтно-імпульсна модуляція
Способи формування гальмівного режиму роботи двигуна
Особливості роботи вхідного випрямляча
Переваги ПЧ з ШІМ
Основні вимоги до систем керування
Функціональна та структурні схеми сучасного ПЧ типу Altivar

Общая структура преобразователей частоты
В – выпрямитель;
Ф – сглаживающий фильтр;
АИ – автономный инвертор
Назначение ПЧ – преобразование энергии переменного тока неизменных уровня и частоты в энергию переменного тока с регулируемыми уровнем и частотой
Двухзвенный ПЧ

Силові
напівпровідникові модулі
Переваги:
зменшення габаритів;
спрощення конструкції ПЧ та його вартості;
Підвищення надійності; збільшення швидкодії
Особливості конструкції:
об’єднання в модулі:
силового керованого ключа та зворотнього діода,
декількох ключів;
силової схеми цілого перетворювача енергії
Напівпровідниковий кристал та електрична схема ізольовані від основи

ua
Трифазний АІН
з амплітудної модуляції
uу1
uу2
t
Tм
uу3
uу4
uу5
uу6
ub
uc
ia
ib
ic
t
t
Tм⁄ 3
Ud ⁄ 3
2Ud ⁄ 3
I
II
III
IV
V
VI
I
II
III
IV
V

Трехфазный АИН
Основные принципы управления
для обеспечения непрерывности выходного тока управляющие импульсы всегда присутствуют на трех ключах (по одному в каждой фазе);
во избежание сквозного короткого замыкания источника постоянного тока не могут быть одновременно открыты оба ключа одной фазы;
выходной ток фазы после коммутации в ней не может измениться скачком;
после запирания ключа отпирается обратный диод в той же фазе, который обеспечивает протекание фазного тока в том же направлении, что и до запирания ключа

Амплітудна модуляція в ПЧ
Переваги:
простота алгоритму керування інвертором
малі втрати в ключах інвертора
Недоліки:
необхідність використання двох керованих перетворювачів;
суттєва несинусоїдальність струмів двигуна;
вузький діапазон регулювання швидкості двигуна;
низький вхідний коефіцієнт потужності , несприятловий вплив на мережу живлення

Трехфазный АИН с широтно-импульсной модуляцией

Широтно-импульсная модуляция в ПЧ
Преимущества:
входной выпрямитель может быть неуправляемым;
практически синусоидальная форма выходного тока;
возможность глубокого регулирования скорости;
Cosϕ близкий к 1;
возможность питания нескольких АИН от общего выпрямителя
Недостатки:
необходимость применения более дорогих ключей;
повышенные потери в ключах вследствие высокой частоты их переключения;
повышенное излучение электромагнитных помех;
возможность перенапряжений на обмотке двигателя при большой длине кабеля
Области применения:
электроприводы с повышенными требованиями к точности, диапазону регулирования скорости или энергетическим показателям;
силовые активные фильтры для систем электроснабжения;
источники бесперебойного питания

Способы торможения в электроприводах с ПЧ
Рекуперативное с возвратом энергии в сеть:
энергосбережение; дополнительные капитальные затраты
С ведомым сетью
инвертором (ВИ):
несинусоидальная форма тока сети;
cosϕ<1
С активным выпрямителем (АВ)
синусоидальная форма тока сети;
cosϕ=1

Способы торможения в электроприводах с ПЧ
Динамическое торможение (торможение постоянным током)
тормозная энергия рассеивается в двигателе;
дополнительные капитальные затраты отсутствуют
Рекуперативное
с разрядным резистором:
тормозная энергия рассеивается в резисторе;
дополнительные капитальные затраты невелики

Способы торможения в электроприводах с ПЧ
Обмен тормозной энергией
по сети постоянного тока: рекуперируемая энергия может быть использована другими потребителями;
мощность выпрямителя меньше суммы мощностей инверторов;
целесообразно использование в многодвигательных механизмах

Входные выпрямители двухзвенных ПЧ
Особенности:
выпрямленный ток прерывистый;
потребляемый из сети ток существенно несинусоидальный

Ограничение зарядного тока
Цель:
снижение тока заряда конденсатора при первом подключении ПЧ сети

Перенапряжения на выходе АИН
Причины:
быстрый темп изменения выходного напряжения АИН при переключениях ключей;
проявление волновых свойств длинного кабеля
Следствия:
перенапряжения на обмотке статора двигателя (до двойного по сравнению с номинальным напряжением);
рост емкостных токов утечки в кабеле;
более интенсивное электромагнитное излучение кабеля
Выходные фильтры

ТРЕБОВАНИЯ К ПЧ
регулирование (как согласованное, так и раздельное) частоты и уровня выходного напряжения в широких границах;
форма выходного тока, максимально приближенная к синусоидальной;
способность к кратковременным перегрузкам;
создание условий для протекания тормозных токов двигателя;
минимальное внутреннее сопротивление для обеспечения максимальной жесткости механических характеристик електропривода;
высокое быстродействие;
легкость интеграции в системы автоматизации высшего уровня;
высокие КПД и коэффициент мощности;
высокая надежность;
удобство и безопасность наладки и эксплуатации;
минимальные генерируемые электромагнитные помехи и акустический шум;
минимальные габариты и масса;
уровень защиты от влияния окружающей среды, соответствующий условиям эксплуатации;
возможность выбора комплектации в зависимости от решаемых задач и условий эксплуатации

ЗАДАЧИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ПЧ
формирование логических сигналов управления ключами (т.е. управление самим ПЧ);
управление координатами електропривода (током, скоростью);
управление технологическим параметром (положением рабочих органов, давлением, натяжением, производительностью и т.п.);
диагностирование и защита узлов и элементов преобразователя и электропривода в целом;
программирование и настройка ПЧ и системы управления электроприводом;
обеспечение диалога с пользователем и системой автоматизации высшего уровня.

РАЗВИТИЕ ПЧ

Структурна схема електроприводу ATV71
Силовая
секция
Контроллер
управления
двигателем
Контроллер прикладных задач

Функціональна схема Altivar

Прості механізми
Установки кондиц. та вентиляцыъ
Складні механізми
ATV11
0,18- 2,2 кВт
ATV31
0,18-15 кВт
ATV71
0,37-500 кВт
ATS01
1,1-75кВт
ATS48
4 - 1200 кВт
Електроприводи Altivar від SE
ATV61
0,37-630 кВт
Вентилятори, насоси
ATV21
0,75-30 кВт
ALTiSTART 01
ALTiSTART 48

Оновні функціональні можливості
електроприводів Altivar
Формування статичних та динамічних характеристик електроприводу( механізму)
Формування команд та режимів роботи адаптованих до конкретного механізму
Організація діалогу з оператором та/або АСУ ТП
Моніторинг стану (діагностика) та захист системи

Формування команд та режимів роботи адаптованих до конкретного механізму

Застосування макро-конфігурацій (ATV71) або спеціальних функцій (ATV31, ATV71)
Застосування вільно програмованої плати(ATV71) або спеціальних прикладних плат (,ATV71,ATV61)
Створення проблемно-орієнтованого електропривода ( ATV61, ATV21)
Три рішення для створення проблемно-орієнтованих електроприводів:

Пуск/стоп (заводське налаштування)
Транспортування
Загальне застосування
Підйомно-транспортні механізми
ПІД-регулятор
Комунікація
Ведучий/ведений
Застосування макро-конфігурацій
( ATV71)

Проблемно-орієнтований електропривод ATV61
Орієнтований на застосування для механізмів з вентиляторною характеристикою
ЗАБЕЗПЕЧУЄ:
- ПІД-регулювання технологічного параметра
- режим енергозбереження
- Режим підхоплення на ходу,
-адаптивне струмове обмеження у функції швидкості,
-підрахунок годин роботи та спожитої електроенергії , тощо

Проблема електромагнітної сумісності ПЧ
Поняття про ЕМС
Характеристика електромагнітних завад
Вплив ПЧ на мережу
Вплив ПЧ на двигун (перенапруги та градіент dU/dt)

ЕМС –це можливість використання пристрою чи системи в електромагнітному середовищі без створення недопустимых для оточення чи іншого пристрою електромагнітних завад.
Поняття про ЕМС

Вплив ПЧ на мережу

Спектральний склад гармонік струму

Емністний струм витоку

Емністний струм витоку

Засоби зменшення впливу ПЧ на мережу
Використання мережного дроселя
Використання дроселя постійного струму
Використання додаткового вхідного фільтра радіочастот

Вплив ПЧ на двигун
Проблема градієнту dU/dt
Проблема довгого кабелю

Вихідні напруга та струм ПЧ

Наслідки такої вихідної напруги ПЧ:
Виникнення хвильових процесів у кабелі та явища накладання падаючої та відбитої хвилі- результат: перенапруга на обмотці двигуна
Круті фронти імпульсів напруги (dU/dt) викликають нерівномірний розподіл напруги між витками обмотки двигуна

Засоби для зменшення впливу ПЧ
на двигун
Використання дроселя двигуна
Використання вихідного фільтра (у тому числі т.з. синусного фільтра)
Активізація у програмі ПЧ спеціальної функції ( ATV71)

Проблема захисту ПЧ
Види захисту
Поняття про координацію комутаційної апаратури

Мета координації
Захистити обслуговуючий персонал та установку при виникненні будь-яких аварійних струмів (перевантаження або струми к.з.)
Зменшити витрати на уведення в експлуатацію після аварії та мінімізувати час на заміну та вартість апаратури.

Координація захисту
Ідея координації у стандарті МЕК 947
Пріоритет захисту персоналу та обладнання
Не повинно бути ніяких проявів ззовні шафи
Ніякої небезпеки пожежі
Приймати до уваги обслуговування обладнання
Обмежити небезпеку пошкодження апаратури силового кола
Скорочення часу простою
Неперервність стану працездатності для покращення продуктивності

МЕК 947: 3 рівня координації
Координація типу 1 (МЕК 947-4-1)
Координація типу 2 (МЕК 947-4-1)
Координація повна (МЕК 947- 6-2)
Координація силового кола двигуна залежить
головним чином від:
електричного середовища
- вибору апаратури

Координація типу 1
(МЕК 947-4-1)
Ніякої небезпеки для персоналу та установки
Контактор та/або реле можуть бути пошкоджені
Перед повторним пуском потрібно замінити апаратуру

Координація типу 2
МЕК 947-4-1
Ніякої небезпеки для персоналу та обладнання.
Не допускається ніякого пошкодження апаратури.
Ризик зварювання контактів допускається. Контакти можуть бути легко роз’єднанні за допомогою інструменту (викруткою).
Ніяких повторних налагоджень не потрібно робити.
Електрична ізоляція повинна зберігатися після аварії. Коло повинна бути готовим для повторного вмикання в роботу.