Частотные преобразователи для асинхронных двигателей
Асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором – самый распространенный и надежный тип двигателя. Он активно используется как в бытовых электроприборах (кондиционер, стиральная машинка и т. п.), так и на производстве (конвейер, компрессор, насос). Несмотря на свои положительные стороны, АД имеет два существенных недостатка – большой пусковой ток (в 3-7 раз больше номинального тока) и сложность плавного пуска/плавной остановки. В том случае, если для регулировки применяются исключительно механические устройства, то указанные недостатки становятся причиной появления внушительных энергетических потерь и ударных механических нагрузок. Также подобное регулирование снижает срок службы двигателя и оборудования в целом. В настоящее время внимание в области управления АД сконцентрировано на частотных преобразователях.
Перечислим основные модули, из которых состоит ПЧ: Выпрямитель – это первый блок ПЧ, который отвечает за преобразование (выпрямление) переменного напряжения в постоянное. У промышленного напряжения сети с помощью мощных диодов убираются синусоидальные гармоники, но пульсация сигнала остается. Фильтр напряжения – модуль, предусмотренный для сглаживания пульсации, который зачастую состоит из конденсаторной батареи и индуктивности (LC-фильтр). Катушка индуктивности за счет реактивного сопротивления сглаживает импульсы синусоиды, а конденсатор подключается параллельно нагрузке. После фильтра ПЧ получает стабильную сглаженную форму выпрямленного напряжения. Затем полученный сигнал поступает на вход инвертора. Инверторный узел преобразовывает постоянное напряжения обратно в переменное с заданной частотой. Существуют разные схемы инвертора. Рассмотрим самую распространенную, когда инверторный узел состоит из 6 силовых транзисторов серии IGBT или MOSFET, соединенных в мостовую трехфазную схему. Для защиты от пробоя напряжения обратной полярности в состав инвертора добавляют диоды. Ранее для этих целей применяли тиристоры, но они не обладают достаточным быстродействием и качеством формирования переменного напряжения. Для выполнения режима «торможения» АД частотным преобразователем в схему инверторного узла добавляют управляемый транзистор с мощным резистором (для рассеивания энергии). Установка этих элементов позволяет защитить конденсаторы фильтра от перезарядки напряжением, которое генерирует двигатель. Все модули связаны между собой, а управляет ими микропроцессорная система. Современные ПЧ создаются на двухпроцессорной основе. Один из процессоров отвечает за выполнение основных функций ПЧ – реализации алгоритмов управления инверторным и выпрямительным модулями. Другой процессор обеспечивает связь и работу диспетчерского пульта управления. Переход к двухпроцессорной системе позволил увеличить быстродействие ПЧ и объем памяти микропроцессора, упростил написание ПО для каждого процессора (за счет разделения функций). Для связи с датчиками и другими модулями микропроцессоры имеют от 16 до 128 выводов (в зависимости от модели). Для управления трехфазным АД в помещениях, где в наличии только одна фаза, выпускаются модели ПЧ с питанием от сети 220 В. В данном случае микропроцессор получает после выпрямления одну фазу, а выдает на клеммы электродвигателя три фазы, которые «сдвинули» по времени (смещенные на 120 градусов). Чтобы разобраться, модель ПЧ с какими режимами работы вам подходит, рассмотрим возможности каждого режима. В режиме «ручное управление» оператор подает управляющие команды ПЧ с кнопочного пульта или сенсорной панели. Все операции, такие как остановка или пуск АД, производятся вручную. В тоже время в случае возникновения аварийных ситуаций сработает предусмотренная в ПЧ защитная функция и произойдет остановка двигателя. Оператор получит соответствующее уведомление об ошибке в работе ПЧ или двигателя. Управление по событиям – режим, при котором ПЧ программируется человеком на конкретные операции в заданное время (минуты, часы, дни месяцы). В роли операций могут выступать запуск/остановка двигателя, изменение уровня выходной частоты или поддерживаемого ПЧ параметра. Режим «управление по событиям» позволяет сделать работу ПЧ автономной. ПЧ могут иметь несколько дискретных входов управления («сухих контактов»). Режим работы ПЧ, подразумевающий использование «сухих контактов», – управление по «сухим контактам». За дискретным входом закрепляют определенную функцию на заводе (например, разгон, остановка, аварийная остановка и т. п.) или предоставляют пользователю возможность самому программировать функцию входа. В современных ПЧ предусматривают наличие режима «внешнее управление». Частотники с данным типом управления применяют на предприятиях для автоматизации работы цехового оборудования. ПЧ посредством интерфейса RS232 или RS485 подключается к внешнему устройству управления (ВУУ). В качестве ВУУ чаще всего применяется персональный компьютер со специальным программным обеспечением. Оператор удаленно может на своем компьютере не только управлять ПЧ, но и просматривать информацию о текущем состоянии. Также на одном рабочем месте можно объединять управление нескольких ПЧ. При скалярном управлении двигателем по определенной закономерности изменяются амплитуда и частота приложенного к АД напряжения. В существующих ПЧ со скалярным управлением зачастую поддерживается постоянное соотношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. Это означает, что при изменении частоты амплитуда напряжения меняется таким образом, чтобы максимальный момент двигателя по отношению к текущему моменту нагрузки оставался неизменным (это соотношение носит название «перегрузочная способность двигателя»). Постоянство этого соотношения позволяет сохранять на одном уровне КПД и коэффициент мощности двигателя на всем диапазоне регулирования частоты. Преимуществами ПЧ со скалярным управлением является возможность с помощью одного ПЧ управлять несколькими АД. Кроме того, для работы ПЧ не обязательно наличие датчиков и дорогостоящего цифрового процессора (как в случае с ПЧ с векторным управлением). Чаще всего рассматриваемый тип ПЧ используется для автоуправления компрессорами, вентиляцией или насосными станциями. Скалярное управление АД подходит в том случае, если нет необходимости в быстрой и точной регулировке его скорости. Векторное управление ПЧ – непосредственное управление вращающим моментом АД. Этот метод позволил значительно расширить диапазон управления и точность регулирования скорости, увеличить быстродействие ПЧ. Своим названием метод управления обязан тому, что при непосредственном управлении момента вращения статора кроме амплитуды тока изменяется и вектор тока статора (его фаза). Векторное управление АД бывает двух видов – с обратной связью и без обратной связи. Для управления АД необходимо знать точное положение ротора в любой момент времени. Эта задача решается двумя способами – внедрением датчика положения ротора (например, энкодера) или вычислением положения ротора по другим параметрам АД (например, в качестве этих параметров могут выступать ток и напряжение статорной обмотки). Векторное управление с обратной связью позволяет регулировать скорость АД в диапазоне до 1:1000 при точности регулирования – сотые доли процента. Дешевле стоит ПЧ с векторным управлением без обратной связи по скорости. Однако такой тип управления требует высокой скорости вычисления и большего объема памяти от ПЧ. Помимо этого, управление скоростью вращения близкой к нулю без обратной связи невозможно. Коллектив нашей компании ЭДС-ИНЖИНИРИНГ имеет не только опыт монтажа ПЧ на аппаратуру (конвейеры, компрессоры и т. п.) на действующих предприятиях, но и опыт проектирования систем управления производственным процессом с ПЧ на оборудовании с АД.
В зависимости от технического исполнения существует четыре режима работы ПЧ:
По способу управления АД частотные преобразователи можно разделить на два базовых типа: со скалярным управлением (без обратной связи) и с векторным управлением (без/с обратной связью).
Рассмотрим преимущества внедрения ПЧ для управления АД: