Экологический анализ преобразователей частоты при управлении электродвигателем

УДК 621.31                         Е.А. Севрюкова, И.З. Мирзоев                                   

Экологический анализ преобразователей частоты при управлении электродвигателем

(НИУ «МИЭТ»)

В статье рассматриваются принципы действия преобразователей частоты, экономическая и экологическая обоснованность их применения. Приведены схемы преобразователей и примеры их применения.

Преобразователь частоты является электронным устройством для изменения частоты электрического тока или напряжения.

Частотные преобразователи используются для плавного регулирования скорости вращения электродвигателей, для обеспечения их защиты от перегрузок и перегрева. Устройства также выполняют функции УПП (устройство плавного пуска), обеспечивая плавный пуск и торможение двигателей. В основе принципа работы лежит эффективный способ управления напряжением, известный как широтно-импульсная модуляция (ШИМ). В процессе работы преобразователь формирует выходное импульсное напряжение заданной частоты в диапазоне от 1 до 800 Гц. Путем частотного регулирования и достигается изменение скорости вращения в соответствии с заданными параметрами. Современные модели преобразователей также используют бездатчиковый способ векторного регулирования (Vector Control Sensorless). В этом случае на валу электродвигателя отсутствует датчик скорости, а сама скорость изменяется в небольших диапазонах. Подобные преобразователи применяются для управления низковольтными двигателями переменного тока. В зависимости от условий подключения и модели, частотный преобразователь может быть как однофазным (220/230 В), так и трехфазным (380/400 В).

Рассмотрим теперь конструкцию преобразователей частоты. Электронный преобразователь частоты состоит из схем, в состав которых входит тиристор или транзистор, которые работают в режиме электронных ключей. В основе управляющей части находится микропроцессор, который обеспечивает управление силовыми электронными ключами. В зависимости от структуры и принципа работы электрического привода выделяют два класса преобразователей частоты (ПЧ): с непосредственной связью и с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока (рис. 1).

Рис. 1. Классы преобразователей частоты. ИТ-преобразователь частоты источник тока, ИН-преобразователь частоты источник напряжения, АИМ-преобразователь частоты амплитудно-импульсной модуляцией

В преобразователях с непосредственной связью электрический модуль представляет собой управляемый выпрямитель. Система поочерёдно отпирает группы тиристоров и подключает обмотки к сети. У данного типа ПЧ есть существенный минус: частота выходного напряжения у такого преобразователя не может быть выше частоты питающей сети. Как следствие, мы получаем малый диапазон управления (от 1 до 30 Гц).

Решает эту проблему использование незапираемых тиристоров в ПЧ с непосредственной связью, однако такое решение ведёт к созданию сложных систем управления и, как следствие, значительному повышению стоимости оборудования.

Наиболее широко применяются преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 2). В таких преобразователях используется двойное преобразование энергии: входное синусоидальное напряжение выпрямляется, фильтруется, сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование приводит к значительному снижению КПД и ухудшению массо-габаритных показателей.

Рис. 2. Преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока. L1,2,3-дроссели, В-звено постоянного тока, Lв-дроссель фильтра, Св-конденсатор фильтра, АИН-автономный инвертор напряжения, СУИ-система управления инвертором, ШИМ-широтно-импульсное модулирование, САР-система автоматического регулирования, fвых-выходная частота, U-входное напряжение, f-входная частота, Uупр-источник управляющего напряжения, fс-частота среза, М-двигатель

Так же различаются способы управления ПЧ. Существует два основных способа контроля частоты: скалярное и векторное управление

Скалярное управление основано по линейному закону - частота и амплитуда пропорционально зависят друг от друга. Изменение частоты влечет изменение амплитуды питающего напряжения тем самым изменяя уровень крутящего момента, КПД и коэффициента мощности электродвигателя.

Векторное управление позволяет существенно удерживать постоянство момента во всей области регулирования частоты, повысить точность, увеличить реакцию электропривода на изменение выходной нагрузки. Векторное управление обеспечивает непосредственное управление моментом вращения электродвигателя. Момент вращения зависит от тока статора. Протекая в цепи, ток создает возбуждающее магнитное поле. Векторное управление позволяет изменять фазу статорного тока, то есть вектор тока при непосредственном управлении моментом.

Одной из наиболее интересных для нас особенностей преобразователя является сокращение расхода электроэнергии (по сравнению с дроссельным методом управления электродвигателем), о чём нам свидетельствует график (рис. 3).

Рис. 3. Расход электроэнергии преобразователя

Вторым положительным с экономической точки зрения аспектом является уменьшение износа оборудования за счёт плавных пусков, устранение гидроударов, снижение напора (при использовании в насосных системах). Таким образом, использование ПЧ должно значительно увеличить ресурс оборудования, тем самым снизив расходы на ремонт и техническое обслуживание.

При рассмотрении ПЧ в сравнении с альтернативными методами управления двигателем, например: механический вариатор, гидравлическая муфта, электромеханический преобразователь частоты (система Генератор-Двигатель), выясняется что он лишён основных недостатков этих систем, таких как неэкономичность, низкое качество и диапазон регулирования, а так же сложности в применении и обслуживании.

Можно так же выделить механизмы, отличающиеся высокой эксплуатационной и экономической эффективностью при внедрении преобразователей частоты и систем автоматизации на их базе, например насосы, вентиляторы, конвейеры, транспортёры, подъемники, краны, лифты и т.п.

Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня абсолютно доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора. Можно заметить, что при дросселировании энергия потока вещества, сдерживаемого задвижкой или клапаном, просто теряется, не совершая никакой полезной работы. Применение преобразователя частоты в составе насосного агрегата или вентилятора позволяет просто задать необходимое давление или расход, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снижение потерь транспортируемого вещества. Из выше сказанного можно заключить, что применение преобразователей частоты в сфере защиты окружающей среды, на очистных сооружениях, в системах фильтрации и вентиляции позволит не только снизить энергопотребление данных объектов и систем, но также повысить качество и точность их работы, снизить потери рабочего материала за счёт более точного управления, и создать более комфортные условия труда для сотрудников, снизив уровни шума и вибрации в рабочих помещениях и значительно упростив управление системами.

Литература

1. ВРД 39-1.10-052-2001 Методические указания по выбору и применению асинхронного частотно-регулируемого электропривода мощностью до 500 кВТ.