Что такое частотно-регулируемый привод
Частотно-регулируемый привод (ЧРП) — это система управления асинхронным электродвигателем, которая изменяет частоту и напряжение питания двигателя. Благодаря этому можно плавно регулировать скорость вращения, расход, давление или производительность оборудования.
Основной элемент ЧРП — частотный преобразователь. Такие системы применяют в насосах, вентиляторах, конвейерах, станках и другом промышленном оборудовании для точного управления процессом и снижения расхода электроэнергии.
Частотный преобразователь в комплекте с асинхронным электродвигателем позволяет заменить электропривод постоянного тока. Системы регулирования скорости двигателя постоянного тока достаточно просты, однако слабым местом такого электропривода является сам двигатель: он дорог, менее надёжен, а при работе возникает искрение щёток и изнашивается коллектор. Такой двигатель не может использоваться в запылённой и взрывоопасной среде.
Асинхронные электродвигатели превосходят двигатели постоянного тока по многим параметрам: они проще по устройству и надёжнее, поскольку не имеют подвижных контактов. При одинаковой мощности они обычно имеют меньшие размеры, массу и стоимость, а также проще в изготовлении и эксплуатации.
Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя
Основной недостаток асинхронных электродвигателей — сложность регулирования скорости традиционными способами: изменением питающего напряжения, введением дополнительных сопротивлений в цепь обмоток и другими методами. Теория частотного регулирования была разработана давно, но широкое применение технологии стало возможным после появления доступных силовых схем с IGBT-транзисторами и современных микропроцессорных систем управления.
Регулировать скорость вращения исполнительных механизмов можно с помощью механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительных резисторов в цепях статора или ротора, электромеханических и статических преобразователей частоты.
Первые способы не обеспечивают высокого качества регулирования, требуют больших затрат на монтаж и эксплуатацию. Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенным способом управления асинхронным приводом.
Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что при изменении частоты f1 питающего напряжения изменяется угловая скорость магнитного поля статора:
При неизменном числе пар полюсов p этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики сохраняют высокую жёсткость.
Регулирование скорости не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности невелики. Для получения высоких энергетических показателей — коэффициента мощности, КПД и перегрузочной способности — необходимо одновременно с частотой изменять подводимое напряжение.
Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Мс. При постоянном моменте нагрузки Мс = const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:
Для вентиляторного характера момента нагрузки это соотношение имеет вид:
При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости, применяется следующее соотношение:
Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя преобразователь частоты должен одновременно регулировать частоту и напряжение на статоре двигателя.
Преимущества регулируемого электропривода
Применение регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества технологических систем. Экономия электроэнергии достигается за счёт регулирования нужного параметра процесса.
Для транспортёра или конвейера можно регулировать скорость движения. Для насоса или вентилятора — поддерживать необходимое давление или изменять производительность. Для станка — плавно регулировать скорость подачи или главного движения.
Особый экономический эффект преобразователи частоты дают в системах транспортировки жидкостей. Традиционное регулирование производительности задвижками и клапанами приводит к потерям энергии. Частотное регулирование асинхронного двигателя насосного агрегата или вентилятора позволяет задавать необходимое давление или расход с меньшими потерями.
Перспективность частотного регулирования наглядно показана на рисунке 1.
При дросселировании поток вещества, сдерживаемый задвижкой или клапаном, не совершает полезной работы. Применение регулируемого электропривода насоса или вентилятора помогает снизить энергопотребление и потери транспортируемого вещества.
Структура частотного преобразователя
Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из звена постоянного тока, неуправляемого выпрямителя, силового импульсного инвертора и системы управления.
Звено постоянного тока включает выпрямитель и фильтр. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в постоянное. Силовой трёхфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя.
Инвертор преобразует выпрямленное напряжение в трёхфазное переменное напряжение требуемой частоты и амплитуды, которое подаётся на обмотки статора электродвигателя.
В выходных каскадах инвертора используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет формировать выходной сигнал с минимальными искажениями.
Принцип работы преобразователя частоты
Преобразователь частоты состоит из неуправляемого диодного силового выпрямителя, автономного инвертора, системы ШИМ-управления, системы автоматического регулирования, дросселя и конденсатора фильтра. Регулирование выходной частоты и напряжения осуществляется в инверторе за счёт высокочастотного широтно-импульсного управления.
Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя поочерёдно подключается к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя.
Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких, обычно 2–15 кГц, тактовых частотах ШИМ в обмотках двигателя вследствие их фильтрующих свойств формируются токи, близкие к синусоидальным.
Форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов. Частота импульсов определяется частотой ШИМ, а их длительность в течение периода выходной частоты модулируется по синусоидальному закону. Форма выходного тока в обмотках асинхронного электродвигателя при этом остаётся близкой к синусоидальной.
Выходное напряжение инвертора можно регулировать двумя способами: амплитудным — за счёт изменения входного напряжения, и широтно-импульсным — за счёт изменения программы переключения ключей при постоянном входном напряжении.
В современных преобразователях частоты наиболее распространён второй способ. Развитие микропроцессоров и IGBT-транзисторов позволило добиться высокой точности управления и хорошей формы тока в обмотках асинхронного электродвигателя.
Такое управление позволяет получить высокий КПД преобразователя. Современные инверторы выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов: запираемых GTO-тиристоров или биполярных IGBT-транзисторов с изолированным затвором.
Схема инвертора состоит из входного ёмкостного фильтра и шести IGBT-транзисторов V1–V6 со встречно-параллельно включёнными диодами обратного тока D1–D6. Поочерёдное переключение ключей по алгоритму, заданному системой управления, преобразует постоянное входное напряжение в переменное выходное напряжение нужной частоты.
И — трёхфазный мостовой инвертор;
В — трёхфазный мостовой выпрямитель;
Сф — конденсатор фильтра.
Как подобрать частотный преобразователь
При подборе преобразователя частоты учитывают мощность и номинальный ток электродвигателя, напряжение питающей сети, требуемый диапазон регулирования, тип нагрузки и условия эксплуатации. Для насосов, вентиляторов, конвейеров и станков могут требоваться разные режимы управления и дополнительные функции.
Посмотрите каталог частотных преобразователей INNOVERT или обратитесь к специалистам «АРМОС» за подбором оборудования для вашей задачи.