Общие сведения о современных частотно-регулируемых электроприводах

Большая часть рабочих машин в горной промыш­ленности в настоящее время оснащена нерегулируемыми электроприводами с асинхронными и синхронными электро­двигателями.

Частотно-регулируемый электропривод обеспечивает:

плавный пуск;

длительную работу в заданном диапазоне изменения ско­рости и нагрузки;

реверсирование, торможение и останов;

защиту электрического и механического оборудования от аварийных режимов.

Частотно-регулируемый электропривод является не только устройством экономичного преобразования электрической энергии в механическую, но и эффективным средством управления технологическим процессом, в том числе в замк­нутых системах автоматического управления в составе раз­личных автоматизированных систем управления технологиче­скими процессами (АСУ ТП).

Эффективность применения частотно-регулируемых элек­троприводов обусловлена:

высокими энергетическими показателями;

гибкой настройкой программными средствами параметров и режимов работы электропривода;

развитым интерфейсом и приспосабливаемостью к раз­личным системам управления и автоматизации, в том числе высокого уровня;

простотой и удобством управления и обслуживания в экс­плуатации;

высоким качеством статических и динамических характе­ристик, обеспечивающих высокую производительность управляемых машин.

Оптимальная по энергетическим показателям, а также по регулировочным и механическим характеристикам структура современного частотно-регулируемого электропривода с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором включает в себя преобразователь частоты (ПЧ) с промежуточным звеном постоянного тока (рис. 1), состоящий из выпрямителя с индуктивно-емкостным фильтром постоянного напряжения и автономно­го инвертора напряжения, построенного на силовых транзи­сторах IGBT. Инвертор формирует основную гармонику вы­ходного напряжения ПЧ методом ШИМ.

Регулируемый электропривод, силовая часть которого ба­зируется на указанной структуре, обладает следующими преимуществами:

широким диапазоном регулирования скорости (D = 30÷60);

высоким значением КПД (без учета двигателя он достигает 0,98);

высоким значением коэффициента мощности (до 0,98);

высокой надежностью и малыми габаритами преобразова­теля;

легким обеспечением электромагнитной совместимости электропривода с источником питания и другими потребите­лями электрической энергии.

При регулировании скорости электропривода частота и напряжение на выходе ПЧ изменяются взаимосвязано в со­ответствии с требуемым соотношением. Изменяя частоту, можно плавно в широких пределах регулировать скорость вращения ротора двигателя. При этом скольжение асинхрон­ного двигателя в процессе регулирования при заданном зна­чении нагрузки изменяется незначительно, а следовательно, потери в цепи ротора, пропорциональные скольжению, также изменяются незначительно, что обеспечивает энергосбере­жение.

В настоящее время выпуск частотно-регулируемых элек­троприводов осуществляют десятки различных фирм во мно­гих странах. К их числу можно отнести: ABB (Швейцария), «General Electric» (США), «Siemens» (Германия), «Schneider Electric» (Франция), «Mitsubishi» (Япония), «Hitachi» (Япония), «Триол» (Россия) и др.

Несмотря на то что ПЧ различных фирм отличаются ти­пами применяемых силовых полупроводниковых приборов, исполнением, видами защит и другим, следует отметить об­щие принципы построения современных частотно-регулируе­мых электроприводов. Отметим некоторые из них:

1. Силовая часть — преобразователь частоты состоит из выпрямителя, фильтра постоянного напряжения и IGBT-, GCT- или IGCT-инвертора с модулем торможения в звене постоянного напряжения.

2. Система управления — микропроцессорная, формирует сигналы управления инвертором согласно алгоритму, позво­ляющему максимально использовать напряжение источника с минимальными искажениями формы выходного напряжения

Для управления внешними устройствами электропривод может содержать релейные и аналоговые выходы. Назначе­ния цифровых входов и выходов могут быть перепрограмми­рованы. Предусматривается также возможность увеличения числа входов (выходов) с помощью дополнительных встраи­ваемых субмодулей расширения.

3. Система защит электропривода может включать защи­ты от:

токов недопустимой перегрузки и короткого замыкания;

замыкания на «землю»;

обрыва фазы;

перенапряжений на силовых элементах схемы;

недопустимых отклонений и исчезновения напряжения питающей сети;

недопустимого перегрева силовых элементов схемы;

неисправностей и сбоев системы управления;

недопустимых отклонений технологического параметра и др.

Кроме того, могут быть предусмотрены режимы ограниче­ния максимальной и минимальной мощности электропривода, минимальной и максимальной рабочей частоты и других параметров.

4. Система сигнализации электропривода сообщает о:

наличии напряжения питающей сети;

включенном (отключенном) состоянии;

аварийном отключении и др.

Дополнительная информация о состоянии электропривода выводится на дисплей пульта управления в виде текстовых сообщений или кодов.

Для получения высокого качества управления электропри­водом в статических и динамических режимах в широком диапазоне регулирования скорости, в том числе в области нулевых скоростей, необходимо иметь возможность быстрого непосредственного управления моментом электродвигателя.

Основным узлом векторного управления является преоб­разователь сигналов задания магнитного потока и момента в сигналы задания токов для фаз двигателя. В системах мик­ропроцессорного управления асинхронным двигателем эта задача решается программными средствами.

В современных частотно-регулируемых электроприводах заложены следующие принципы структурно-функциональ­ного построения:

блочно-модульная компоновка;

комплектность поставки;

компьютеризация;

наличие средств визуализации процесса;

развитая система диагностики;

встроенный ПИД-регулятор контролируемого параметра электропривода или технологического процесса;

автоматическая компенсация скольжения, основанная на увеличении частоты на выходе ПЧ по сравнению с заданной частотой;

компенсация падения напряжения на активном сопротив­лении цепи статора двигателя (IR компенсация), применяемая для электроприводов рабочих машин с постоянным моментом сопротивления;

плавный пуск (торможение) по линейному, S или U-законам во времени с программными средствами настройки про­должительности пуска (торможения). возможность блокировки 2- или 3-х частот механического резонанса;

защита от блокировки ротора;

возможность реализации различных законов взаимосвя­занного регулирования напряжения и частоты на выходе ПЧ, наиболее полно отвечающих требованиям конкретной рабо­чей машины с целью достижения наилучшего энергосбере­гающего режима;

возможность программными средствами выбора режимов работы с нормальным или увеличенным моментом (для рабо­чих машин с повышенными требованиями к перегрузочной способности);

многоскоростной режим, заключающийся в наличии большого количества уставок скорости, который использует­ся, если по условиям технологического процесса требуется несколько фиксированных скоростей электропривода;

автоматический самозапуск электропривода после кратко­временного исчезновения напряжения сети;

предотвращение опрокидывания ротора, заключающееся в том, что если при разгоне (торможении) электропривода за­дано слишком большое ускорение (замедление), а мощность ПЧ недостаточна, то автоматически увеличится время пуска (торможения);

Для гибкой настройки частотно-регулируемых электроприводов к конкретным объектам применения предусматриваются дополнительные модули (опции), расширяющие возможность базового исполнения.

В настоящее время в частотно-регулируемых электропри­водах мощностью до 1 МВт используются IGBT-инверторы, а в электроприводах большей мощности GTO-, GCT- или IGCT-инверторы.

Однако с увеличением параметров IGBT-транзисторов мощности ПЧ, выполненных на их базе, и соответствен­но частотно-регулируемых электроприводов будут воз­растать.