Что такое частотно-регулируемый электропривод

Электрический привод – система для приведения в движение и управления механизмов, машин и оборудования. В состав систем входят электрические двигатели, аппараты и электронные устройства управления и защиты, связи с внешним оборудованием и информационными системами.

Наибольшее распространение получили приводы на базе двигателей переменного тока. На их долю приходится большинство потребляемой в мире электроэнергии. Синхронные и асинхронные электродвигатели отличают небольшие габариты и масса при высокой мощности, относительная простота конструкции и цена.

Основной недостаток силовых агрегатов переменного тока – сложность регулирования скорости и момента на валу.

Для этого используют:

• Передаточные механизмы. Шестеренчатые и ременные передачи позволяют управлять скоростью и моментом. К недостаткам метода относят усложнение кинематической схемы двигателя, необходимость регулярной замены и обслуживания, снижение надежности привода.
• Применение двигателей с фазным ротором. Роторные обмотки позволяют изменять скорость вала. К недостаткам относится высокая цена, значительные габариты специализированных электродвигателей, узкий диапазон регулирования.

Недостатки электрических машин переменного тока вынуждают выбирать двигатель по максимальной мощности, в результате большую часть времени привод работает в режиме недозагрузки и потребляет избыточную мощность.

Частотный метод управление электроприводом

С появлением силовых полупроводниковых элементов стало возможным реализовать частотный метод управления.

Принцип действия способа основан на зависимости частоты вращения магнитного поля статора от частоты напряжения на обмотках.

Она определяется из выражения: , где р – число пар полюсов, f – частота питающего напряжения. Таким образом, скорость вращения ротора можно регулировать изменением частоты питающего напряжения.

Для этого в состав привода вводят преобразователи частоты. Существует несколько схем реализации частотного способа управления. Наибольшее распространение получили ПЧ на транзисторных ключах с промежуточным звеном постоянного тока, построенные по принципу инвертора напряжения.

Устройство состоит из выпрямителя, емкостного звена постоянного тока, инвертора на IGBT-транзисторах.

Переменное напряжение сети сначала преобразуется в постоянное, сглаживается в звене постоянного тока и поступает на инвертор. Преобразование постоянного напряжения осуществляется за счет попеременного открытия и закрытия транзисторных ключей.

Методы частотного управления двигателем

Различают 2 типа управления частотно-регулируемым электроприводом: векторный и скалярный. Во втором случае поддерживается постоянное отношение U/f (напряжение/частота) независимо от скорости вращения вала.

При этом на малых скоростях требуется компенсировать падение напряжения на обмотках статора. Скалярное управление используется в приводах вентиляторов, насосов, станков и оборудования, где не требуется точное регулирование момента и одновременное управление моментом и скоростью.

К достоинствам способа относят:

• Возможность управления несколькими двигателями одним преобразователем частоты.
• Простая аппаратная реализация.
• Относительно невысокая стоимость.

К недостаткам относят невозможность управления моментом, применения с синхронными двигателями на постоянных магнитах, относительно небольшой диапазон регулирования скорости.

Векторное управление заключается в регулировании величины, частоты и фазы питающего напряжения. Метод позволяет практически безынерционно изменять скорость вращения и момент.

Область применения приводов с векторным управлением – оборудование с высокодинамичной нагрузкой, установки, где необходимо точное регулирование скорости и момента.

Метод имеет следующие преимущества:

• Быстрый отклик при изменении нагрузки.
• Высокая точность регулирования угловой скорости и момента на валу.
• Увеличенный КПД в сравнении со скалярным способом.
• Более широкий диапазон скоростей.

К недостаткам относят высокую стоимость, значительные колебания частоты вращения при неменяющейся нагрузки.

Состав частотно-регулируемого привода

Частотно-регулируемый привод состоит из электродвигателя, преобразователя частоты, вспомогательных электротехнических устройств и аппаратов. Частотное управление подходит для всех широко применяемых типов двигателей переменного тока:

• Асинхронных электрических машин с короткозамкнутым ротором.
• Асинхронных двигателей с фазным ротором.
• Синхронных двигателей.
• Синхронных электродвигателей с постоянными магнитами.

Преобразователь частоты – основная часть привода. Устройство обеспечивает управление скоростью и моментом на валу в зависимости от требований к оборудованию. Наряду с преобразователями со звеном постоянного тока применяют устройства с непосредственной связью с сетью. Область применения таких ПЧ – низкоскоростное оборудование с высокой нагрузкой. Преобразователи частоты могут возвращать электроэнергию, которая вырабатывается при работе двигателя в генераторном режиме.

При необходимости регулирования скорости в широком диапазоне, точного управления моментом и частотой, применяют преобразователи со звеном постоянного тока.

В состав частотно-регулируемого привода также могут входить:

• Входные и выходные фильтры. Устройства служат для снижения гармонических искажений тока и напряжения во входной цепи, уменьшения электромагнитных помех, повышения качества напряжения в выходной цепи, а также для дополнительной защиты электронных ключей при коротких замыканиях в цепи нагрузки.

• Тормозные резисторы. Элементы служат для рассеивания энергии, выделяющейся при высокой скорости торможения двигателя.

В состав привода также могут входить датчики скорости и момента, электроаппараты защиты входной и выходной цепи.

Состав, структуру и функциональность частотно-регулируемого привода определяют при проектировании. При этом исходят из требований к техническим возможностям оборудования, электромагнитной совместимости, учитывают условия технологического процесса, внешние факторы, а также другие условия.

Преимущества частотно-регулируемого электропривода

Применение электроприводов на базе преобразователей частоты позволяет существенно увеличить техническую и экономическую эффективность оборудования. Уменьшение затрат осуществляется за счет:

• Снижения потребления электроэнергии. Частотно-управляемый привод не потребляет полную мощность в режиме недозагрузки, что особенно заметно на примерах систем вентиляции. Экономия электроэнергии может составлять до 50-70%.
• Уменьшения количества аварий. Преобразователи частоты продлевают срок службы двигателей, технологических магистралей, оборудования. Пуск на пониженной частоте, плавное регулирование производительности, уменьшение инерционности снижает вероятность гидроударов, ударные нагрузки на механизмы, замедляет старение изоляции, износ механической части.

За счет применения приводов на базе ПЧ значительно уменьшаются простои, связанные с авариями, удлиняются межремонтные промежутки.

Помимо функции регулирования скорости и момента на валу, плавного пуска, разгона и торможения двигателя, преобразователи частоты обладают следующими возможностями:

• Автоматическое регулирование по ПИ, ПИД или другому закону. ПЧ имеют встроенные функции регулятора, на базе устройств можно реализовать любые законы управления, в том числе по изменению одного или нескольких параметров.
• Защиты от ненормальных и авариных режимов. Преобразователи частоты осуществляют отключение при коротком замыкании, несимметричной нагрузке, перегреве обмоток. Устройства также формируют и выдают предупреждение о возникновении ненормального режима. Специализированные преобразователи с пропуском резонансных частот позволяют избежать автоколебаний в контурах вентиляционных или тягодутьевых систем и предотвратить их разрушение.
• Обеспечивают связь с внешними устройствами. Промышленные ПЧ оборудованы модулями поддержки базовых протоколов цифровой связи, частотно-регулируемые приводы легко встраиваются в любые АСУ ТП.

Внедрение частотно-регулируемых приводов позволяет полностью или частично автоматизировать работу как производственного оборудования, так и целых предприятий и инженерных систем, снизить потребление ресурсов без потери эффективности. Относительно высокая стоимость таких электроприводов – несущественный недостаток. Средний срок окупаемости их внедрения составляет от 3 месяцев до 3 лет.