Приводы с регулируемой скоростью: устройство, принцип работы и применение.

Введение

Тип привода с регулируемой скоростью

Преобразователь частоты (VFD, или регулируемый частотный привод, привод с регулируемой скоростью, привод с переменной скоростью, привод переменного тока, микропривод, инверторный привод или просто привод) – это тип привода двигателя переменного тока (система, включающая двигатель), который регулирует скорость и крутящий момент путем изменения частоты подаваемого электропитания. В зависимости от своей топологии, он управляет соответствующим изменением напряжения или тока. Преобразователи частоты используются в широком спектре применений, от бытовой техники до крупных компрессоров. Системы, использующие преобразователи частоты, могут быть более эффективными, чем гидравлические системы, например, в системах с насосами и регулированием заслонок вентиляторов. С 1980-х годов развитие технологий силовой электроники привело к снижению стоимости и размеров преобразователей частоты, а также к повышению их производительности благодаря прогрессу в полупроводниковых коммутационных устройствах, топологиях приводов, методах моделирования и управления, а также аппаратному и программному обеспечению управления. Преобразователи частоты включают в себя топологии переменного тока низкого и среднего напряжения, а также топологии постоянного тока.

История

Проекты частотно-импульсной модуляции (ШИМ) с переменной частотой начались в 1960-х годах в компании Strömberg в Финляндии. Марти Хармойнен считается изобретателем этой технологии. Компании Strömberg удалось продать идею ШИМ-привода для Хельсинкского метрополитена в 1973 году, а в 1982 году первый ШИМ-привод SAMI10 был введен в эксплуатацию.

Описание системы и ее эксплуатация

Частотный преобразователь — это устройство, используемое в системе привода, состоящей из следующих трех основных подсистем: электродвигатель переменного тока, основной контроллер привода и интерфейс привода/оператора.

Интерфейс оператора

Интерфейс оператора позволяет оператору запускать и останавливать двигатель, а также регулировать рабочую скорость. Преобразователь частоты (ПЧ) также может управляться программируемым логическим контроллером (ПЛК) через Modbus или аналогичный интерфейс. Дополнительные функции управления оператором могут включать реверс и переключение между ручной регулировкой скорости и автоматическим управлением по внешнему сигналу управления процессом. Интерфейс оператора часто оснащен буквенно-цифровым дисплеем или индикаторными лампами и приборами для отображения информации о работе привода. Клавиатура и дисплей интерфейса оператора часто располагаются на передней панели контроллера ПЧ, как показано на фотографии выше. Дисплей клавиатуры часто можно подключить кабелем и установить на некотором расстоянии от контроллера ПЧ. Большинство ПЧ также оснащены входными и выходными (I/O) клеммами для подключения кнопок, переключателей и других устройств интерфейса оператора или управляющих сигналов. Кроме того, часто имеется последовательный коммуникационный порт для настройки, регулировки, мониторинга и управления ПЧ с помощью компьютера.

Контроль скорости

Существует два основных способа управления скоростью частотного преобразователя (VFD): сетевой и проводной. Сетевое управление предполагает передачу заданной скорости по протоколу связи, такому как Modbus, Modbus/TCP, EtherNet/IP, или через панель управления с использованием последовательного интерфейса дисплея, в то время как проводное управление использует исключительно электрические средства связи. Типичными средствами проводной связи являются сигналы 4-20 мА, 0-10 В постоянного тока, или использование встроенного источника питания 24 В постоянного тока с потенциометром. Управление скоростью может осуществляться как удаленно, так и локально. Удаленное управление предписывает частотному преобразователю игнорировать команды скорости с панели управления, а локальное управление предписывает игнорировать внешнее управление и реагировать только на команды с панели управления.

Программирование VFD

В зависимости от модели, рабочие параметры частотного преобразователя (VFD) могут быть запрограммированы с помощью специализированного программного обеспечения, встроенной клавиатуры, внешней клавиатуры или SD-карты. Большинство изменений в настройках VFD обычно блокируются во время работы. Типичные параметры, которые необходимо задать, включают: данные с заводской таблички двигателя, источник задания скорости, источник управления включением/выключением и управление торможением. Кроме того, VFD часто предоставляют отладочную информацию, такую как коды неисправностей и состояния входных сигналов.

Запуск и поведение программного обеспечения

Большинство VFD допускают включение автоматического запуска, который приведет выход на заданную частоту после включения питания, после устранения неисправности или после восстановления сигнала аварийной остановки (как правило, аварийные остановки используют логику активного низкого уровня). Один из распространенных способов управления VFD – включить автоматический запуск и подключить фазы L1, L2 и L3 к контактору. Включение контактора, таким образом, включает привод и заставляет его выдавать заданную скорость. В зависимости от сложности привода можно реализовать различные сценарии автоматического запуска, например, привод автоматически запускается при включении питания, но не запускается автоматически после снятия аварийной остановки до выполнения цикла сброса.

Доступная номинальная мощность

VFD доступны с номинальными значениями напряжения и тока, охватывающими широкий спектр однофазных и многофазных асинхронных двигателей. Приводы низкого напряжения (LV) предназначены для работы при выходном напряжении, равном или меньшем 690 В. Хотя приводы LV для применения с двигателями доступны в диапазоне мощности до 5–6 МВт, экономические соображения обычно склоняются в пользу приводов среднего напряжения (MV) с существенно меньшей мощностью. Различные топологии приводов MV (см. таблицу 2) конфигурируются в соответствии с комбинациями напряжения и тока, используемыми в коммутационных устройствах различных контроллеров приводов, таким образом, что любое заданное номинальное напряжение превышает или равно одному из следующих стандартных номинальных напряжений двигателей: как правило, 2,3/4,16 кВ (60 Гц) или 3,3/6,6 кВ (50 Гц), при этом один производитель тиристоров имеет допуск к коммутации до 12 кВ. В некоторых приложениях повышающий трансформатор устанавливается между приводом LV и нагрузкой двигателя MV. Приводы MV обычно используются для двигателей мощностью более… (указать диапазон). Исторически, проектирование приложений для приводов MV требовало значительно больших усилий, чем для приводов LV. Номинальная мощность приводов MV может достигать… (указать диапазон), при этом для различных требований к мощности, производительности, качеству электроэнергии и надежности используются различные топологии приводов. Подробные топологии преобразователей переменного тока представлены в таблицах 2 и 3 ниже. ^ Инверторное переключающее устройство (со стандартным диодным выпрямителем) ^^ Инверторное и выпрямительное переключающее устройство ^^^ Вращающийся или линейный AFE Активный выпрямитель BLDM Трапециевидная машина с постоянными магнитами (бесщеточный двигатель постоянного тока) CME Подавление синфазной помехи CHB Каскадный H-мост CSI Инвертор с источником тока CSR Выпрямитель с источником тока GCT Тиристор с управляемым затвором GTO Тиристор с выключением затвором IGBT Биполярный транзистор с изолированным затвором LCI Выпрямитель с нагрузочной коммутацией LV Низкое напряжение MV Среднее напряжение NPC Зажим средней точки PAM Широтно-импульсная модуляция PM Постоянный магнит PMSM Синхронный генератор с постоянными магнитами PWM Широтно-импульсная модуляция SCR Силиконовый контролируемый выпрямитель SGCT Симметричный тиристор с управляемым затвором SRM Двигатель с релюктансным моментом SyRM Синхронный двигатель с релюктансным моментом VRM Двигатель с переменным релюктансным моментом VSI Инвертор с источником напряжения VVI Инвертор с переменным напряжением WFSM Синхронная машина с обмоткой возбуждения WRIM Асинхронный двигатель с фазным ротором.

VFDs are available with voltage and current ratings covering a wide range of single phase and multi phase AC motors. Low voltage (LV) drives are designed to operate at output voltages equal to or less than 690 V. While motor application LV drives are available in ratings of up to the order of 5 or 6 MW, economic considerations typically favor medium voltage (MV) drives with much lower power ratings. Different MV drive topologies (see Table 2) are configured in accordance with the voltage/current combination ratings used in different drive controllers' switching devices such that any given voltage rating is greater than or equal to one to the following standard nominal motor voltage ratings: generally either 2 3/4.16 kV (60 Hz) or 3 3/6.6 kV (50 Hz), with one thyristor manufacturer rated for up to 12 kV switching. In some applications a step up transformer is placed between a LV drive and a MV motor load. MV drives are typically rated for motor applications greater than between about MV drives have historically required considerably more application design effort than required for LV drive applications. The power rating of MV drives can reach , a range of different drive topologies being involved for different rating, performance, power quality, and reliability requirements. In terms of various detailed AC AC converter topologies shown in Tables 2 and 3 below. ^ Inverter switching device (with std. diode rectifier) ^^ Inverter and rectifier switching device ^^^ Rotating or linear AFE Active front end BLDM PM trapezoid machine (Brushless DC electric motor) CME Common mode elimination CHB Cascaded H bridge CSI Current source inverter CSR Current source rectifier GCT Gate controlled thyristor GTO Gate turn off thyristor IGBT Insulated gate bipolar transistor LCI Load commutated inverter LV Low voltage MV Medium voltage NPC Neutral point clamped PAM Pulse amplitude modulation PM Permanent magnet PMSM Permanent magnet synchronous generator PWM Pulse width modulation SCR Silicon controlled rectifier SGCT Symmetrical gate controlled thyristor SRM Switched reluctance motor SyRM Synchronous reluctance machine VRM Variable reluctance machine VSI Voltage source inverter VVI Variable voltage inverter WFSM Wound field synchronous machine WRIM Wound rotor induction motor

Гармоники линий переменного тока

Примечание к разъяснению: Хотя гармоники в выходном сигнале ШИМ могут быть легко отфильтрованы индуктивностью фильтра, связанной с несущей частотой, для обеспечения почти синусоидального тока нагрузки двигателя, однако, когда доля частотных преобразователей (VFD) и других нелинейных нагрузок по сравнению с общей нагрузкой или нелинейных нагрузок по сравнению с жесткостью источника питания переменного тока, или и то, и другое, достаточно велика, нагрузка может оказывать негативное влияние на форму волны переменного тока, доступную другим потребителям энергокомпании в той же сети. Когда напряжение энергокомпании искажается из-за гармоник, потери в других нагрузках, таких как обычные асинхронные двигатели, увеличиваются. Это может привести к перегреву и сокращению срока службы. Также негативно влияют на трансформаторы подстанций и конденсаторы компенсации реактивной мощности. В частности, конденсаторы могут вызывать резонансные явления, которые могут недопустимо усиливать уровень гармоник. Для ограничения искажения напряжения владельцам нагрузки VFD может потребоваться установка фильтрующего оборудования для снижения гармонических искажений до допустимых пределов. В качестве альтернативы, энергокомпания может принять решение об установке собственного фильтрующего оборудования на подстанциях, подверженных воздействию большого количества оборудования VFD. В установках большой мощности гармонические искажения можно уменьшить, питая многопульсные выпрямительные мосты VFD от трансформаторов с многофазными сдвинутыми обмотками. Также возможно заменить стандартный диодный выпрямительный мост на двунаправленный мост на IGBT-транзисторах, повторяющий стандартный инвертор, использующий IGBT-транзисторы для управления двигателем. Такие выпрямители известны под различными названиями, включая активный преобразователь питания (AIC), активный выпрямитель, источник питания на IGBT (ISU), активный фронт-энд (AFE) или работа в четырех квадрантах. При использовании ШИМ-управления и подходящего входного реактора, форма волны тока AFE в сети переменного тока может быть почти синусоидальной. AFE по своей природе регенерирует энергию в четырех квадрантах от цепи постоянного тока в сеть переменного тока. Таким образом, тормозной резистор не требуется, и эффективность привода повышается, если привод часто используется для торможения двигателя. Два других метода снижения гармоник используют пассивные или активные фильтры, подключенные к общей шине с как минимум одной нагрузкой VFD, подключенной к шине. Пассивные фильтры включают в себя разработку одного или нескольких LC-фильтров нижних частот, каждый из которых настроен на определенную гармоническую частоту (5-я, 7-я, 11-я, 13-я, . kq+/ 1, где k=целое число, q=количество импульсов преобразователя). Энергокомпании или их потребители часто устанавливают ограничения на гармонические искажения на основе стандартов IEC или IEEE. Например, стандарт IEEE 519 устанавливает ограничения в точке подключения потребителя, требуя, чтобы максимальная индивидуальная частотная гармоника напряжения не превышала 3% от основной гармоники, а общее гармоническое искажение напряжения (THD) не превышало 5% для общей системы электроснабжения переменным током.

Note of clarification:. While harmonics in the PWM output can easily be filtered by carrier frequency related filter inductance to supply near sinusoidal currents to the motor load, However, when the proportion of VFD and other non linear load compared to total load or of non linear load compared to the stiffness at the AC power supply, or both, is relatively large enough, the load can have a negative impact on the AC power waveform available to other power company customers in the same grid. When the power company's voltage becomes distorted due to harmonics, losses in other loads such as normal fixed speed AC motors are increased. This condition may lead to overheating and shorter operating life. Also, substation transformers and compensation capacitors are affected negatively. In particular, capacitors can cause resonance conditions that can unacceptably magnify harmonic levels. To limit the voltage distortion, owners of VFD load may be required to install filtering equipment to reduce harmonic distortion below acceptable limits. Alternatively, the utility may adopt a solution by installing filtering equipment of its own at substations affected by the large amount of VFD equipment being used. In high power installations, harmonic distortion can be reduced by supplying multi pulse rectifier bridge VFDs from transformers with multiple phase shifted windings. It is also possible to replace the standard diode bridge rectifier with a bi directional IGBT switching device bridge mirroring the standard inverter which uses IGBT switching device output to the motor. Such rectifiers are referred to by various designations including active infeed converter (AIC), active rectifier, IGBT supply unit (ISU), active front end (AFE), or four quadrant operation. With PWM control and a suitable input reactor, an AFE's AC line current waveform can be nearly sinusoidal. AFE inherently regenerates energy in four quadrant mode from the DC side to the AC grid. Thus, no braking resistor is needed, and the efficiency of the drive is improved if the drive is frequently required to brake the motor. Two other harmonics mitigation techniques exploit use of passive or active filters connected to a common bus with at least one VFD branch load on the bus. Passive filters involve the design of one or more low pass LC filter traps, each trap being tuned as required to a harmonic frequency (5th, 7th, 11th, 13th, . kq+/ 1, where k=integer, q=pulse number of converter). It is very common practice for power companies or their customers to impose harmonic distortion limits based on IEC or IEEE standards. For example, IEEE Standard 519 limits at the customer's connection point call for the maximum individual frequency voltage harmonic to be no more than 3% of the fundamental and call for the voltage total harmonic distortion (THD) to be no more than 5% for a general AC power supply system.

Переключательная частота foldback

Один привод использует частоту переключения по умолчанию 4 кГц. Снижение частоты переключения привода (несущей частоты) уменьшает тепловыделение IGBT. Для формирования интервалов ШИМ-переключения используется несущая частота, как минимум в десять раз превышающая желаемую выходную частоту. Для ПЧД (низкого напряжения, менее 600 В переменного тока) обычно используется несущая частота в диапазоне от 2000 до 16000 Гц. Более высокая несущая частота обеспечивает лучшую аппроксимацию синусоиды, но приводит к увеличению потерь мощности в IGBT и снижению общей эффективности преобразования энергии.

Углаживание шума

Некоторые накопители имеют функцию шумоподавления, которую можно включить для внесения случайных изменений в частоту переключения. Это распределяет акустический шум по широкому спектру частот, снижая максимальную интенсивность шума.

Долгосрочные эффекты

Импульсное выходное напряжение с частотой несущей ШИМ-ПЧ вызывает быстрое нарастание фронтов этих импульсов, что требует учета эффектов линий передачи. Поскольку волновое сопротивление кабеля и двигателя различно, импульсы склонны отражаться от клемм двигателя обратно в кабель. Эти отражения могут создавать перенапряжения, равные удвоенному напряжению шины постоянного тока или до 3,1-кратному номинальному напряжению сети при большой длине кабеля, что создает повышенную нагрузку на изоляцию кабеля и обмоток двигателя и может привести к ее пробою. Стандарты изоляции для трехфазных двигателей номинальным напряжением 230 В и ниже обеспечивают достаточную защиту от подобных перенапряжений при большой длине кабеля. Для систем 460 В или 575 В и инверторов с IGBT третьего поколения с временем нарастания 0,1 микросекунды максимальное рекомендуемое расстояние между ПЧ и двигателем составляет около 50 м или 150 футов. Для новых приводов на базе SiC MOSFET наблюдались значительные перенапряжения даже при длине кабеля всего 3 метра. Способы решения проблемы перенапряжений, вызванных большой длиной кабеля, включают минимизацию длины кабеля, снижение частоты несущей, установку фильтров dV/dt, использование двигателей, предназначенных для работы с инверторами (с номинальным напряжением 600 В, способных выдерживать импульсные последовательности с временем нарастания менее или равным 0,1 микросекунды и пиковой амплитудой 1600 В), а также установку LCR-фильтров нижних частот для формирования синусоидальной волны. Выбор оптимальной частоты несущей ШИМ для приводов переменного тока предполагает баланс между уровнем шума, тепловыделением, напряжением на изоляции двигателя, повреждением подшипников двигателя, вызванным токами общего режима, плавностью работы двигателя и другими факторами. Дополнительное подавление гармоник можно достичь с помощью LCR-фильтра нижних частот для формирования синусоидальной волны или фильтра dV/dt.

Несущие токи двигателя

Частоты несущих выше 5 кГц могут привести к повреждению подшипников, если не приняты защитные меры. Приводы ШИМ по своей сути связаны с высокочастотными напряжениями и токами синфазного режима, которые могут вызывать проблемы с подшипниками двигателя. Когда эти высокочастотные напряжения находят путь к земле через подшипник, происходит перенос металла или электрическая дуговая обработка (EDM) между шариком подшипника и дорожкой подшипника. Со временем дуговая обработка (EDM) вызывает эрозию дорожки подшипника, проявляющуюся в виде рифления. В больших двигателях паразитная емкость обмоток обеспечивает пути для высокочастотных токов, проходящих через концы вала двигателя, что приводит к циркулирующим токам в подшипниках. Плохое заземление статора двигателя может привести к появлению токов утечки от вала на землю. Малые двигатели с плохо заземленным приводимым оборудованием подвержены воздействию высокочастотных токов в подшипниках. Для предотвращения повреждений подшипников от высокочастотных токов используются три подхода: правильная прокладка кабелей и заземление, прерывание токов в подшипниках, а также фильтрация или демпфирование токов синфазного режима с помощью дросселей синфазного режима. Правильная прокладка кабелей и заземление могут включать использование экранированного симметричного кабеля питания для питания двигателя, установку щеток заземления вала и проводящую подшипниковую смазку. Токи в подшипниках можно прервать, установив изолированные подшипники и специально разработанные индукционные двигатели с электростатическим экранированием. Фильтрация и демпфирование высокочастотных токов в подшипниках может быть выполнено путем установки сердечников из мягкого магнитного материала на трех фазах, создающих высокочастотное сопротивление токам синфазного режима или токам подшипников двигателя. Другой подход заключается в использовании вместо стандартных двух-уровневых инверторных приводов, трех-уровневых инверторных приводов или матричных преобразователей.

Динамическое торможение

Момент, создаваемый приводом, заставляет индукционный двигатель вращаться с синхронной скоростью минус скольжение. Если нагрузка раскручивает двигатель быстрее синхронной скорости, двигатель начинает работать как генератор, преобразуя механическую мощность обратно в электрическую. Эта мощность возвращается в DC-контур привода (конденсатор или реактор). Электронный силовый ключ или тормозной DC-преобразователь, подключенный к DC-контуру, управляет рассеянием этой мощности в виде тепла в наборе резисторов. Для предотвращения перегрева резисторов могут использоваться вентиляторы охлаждения.