Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №4

Использование ПЧ в производственных процессах влечет за собой множество приятных побочных эффектов помимо ставящейся основной задачи — регулирования частоты вращения электродвигателя. Например, экономию электроэнергии при использовании в насосных станциях и системах вентиляции (да и в любых других системах с обратной связью) до 45 % в год. В какие суммы это выливается при постоянном повышении тарифов на электроэнергию, думаю, объяснять не стоит.

Кроме того, снижаются затраты на техническое обслуживание (ремонт) механической части системы двигатель-нагрузка. Связанно это с тем, что в процессе эксплуатации при пусках-остановах двигателя не возникает резких рывков скорости — ведь при прямом пуске электродвигатель стремится запуститься в максимально короткий промежуток времени — пусковые токи превышают номинально потребляемый в 4–6 раз. С этим нюансом связана и повышенная нагрузка на электросистему предприятия, что тоже приводит к случаям отказа электрооборудования. И это даже более серьезно по своим последствиям, чем механическая поломка единичного агрегата.

Получается, что установить преобразователь частоты можно не просто для решения текущих технических задач, но и как энергосберегающее оборудование.

Теоретические и практические основы работы преобразователя частоты

Конструкция асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Трехфазный ток создает симметричное вращающееся магнитное поле

Эквивалентная электрическая схема асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором

_{Rs, Rr — Омические потери в статоре и роторе}

_{Rfe — Потери в железе}

_{Lss (L1) — Индуктивность рассеяния статора}

_{Lsr (L2) — Индуктивность рассеяния ротора}

_{LM (LH) — Индуктивность намагничивания}

_{(1-s)/s Rr — Нагрузка}

Обычное регулирование частоты вращения электродвигателя (т. н. скалярное, т. е. безвекторное) отношением напряжение/частота (U/f).

Преобразователь частоты выпрямляет переменное напряжение сети в постоянное, которое затем преобразуется в переменный ток с изменяющейся амплитудой и частотой. Двигатель, таким образом, запитывается регулируемым напряжением и частотой, которое позволяет обеспечить плавное изменение скорости вращения в трехфазном стандартном двигателе (АС) переменного тока.

1. Напряжение сети

3 х 200–240 В, 50/60 Гц;

3 х 380–460 В, 50/60 Гц;

3 х 550–600 В, 50/60 Гц.

2. Выпрямитель

Трехфазный выпрямляющий мост, который преобразует переменный ток в постоянный.

3. Промежуточная цепь

Напряжение постоянного тока = v2 х напряжение сети [В].

4. Катушки промежуточной цепи

Сглаживают ток в промежуточной цепи и снижают токи высших гармоник, поступающие в сеть.

5. Конденсаторы промежуточной цепи — сглаживают напряжение промежуточной цепи.

6. Инвертор

Преобразует постоянное напряжение в переменное с изменяемой амплитудой и частотой.

7. Напряжение двигателя

Переменное изменяемое напряжение, 10-100 % от напряжения сети питания.

8. Плата управления

Здесь находится компьютер, который управляет инвертором, генерирующим импульсную последовательность, с помощью которой постоянное напряжение преобразуется в переменное с регулируемой частотой.

Большинство современных преобразователей частоты (далее ПЧ) реализуют изменение частоты вращения вала электродвигателя обычным изменением соотношения на входе электродвигателя напряжения и частоты. При этом у электродвигателя не отслеживается ни вектор тока, ни вектор магнитного потока. Такие технические характеристики ПЧ определяют его использование на относительно простых задачах с постоянным моментом на валу электродвигателя, с отсутствием необходимости в широком динамическом диапазоне регулирования скоростей вращения вала электродвигателя.

Кроме того, как правило, ввиду простоты реализации данного метода управления, большинство конкурентных преобразователей частоты весьма плохо реализуют функции энергосбережения в виду того, что практически процессорная система таких ПЧ осуществляет простую коммутацию выходного напряжения IGBT-ключами, зачастую не отслеживая даже величину их открытия, не имеет математической модели электродвигателя, не компенсирует должным образом скольжение электродвигателя и т. д. То есть у производителей наблюдается четкая тенденция для ПЧ, реализующих простое скалярное управление электродвигателем, осуществлять простейшие схемотехнические решения, не усложняя программное обеспечение и алгоритмы работы IGBT-модулей.

Это ведет к тому, что любой подобный ПЧ, спроектированный по принципу упрощения схемы, не дает никаких дополнительных получаемых пользователем функций, кроме одной — изменения частоты вращения вала электродвигателя, да и то реализует ее лишь условно.

Таким образом, из-за несовершенства скалярного управления как метода и качества его реализации со стороны многих производителей, было внедрено новое технологическое решение в области управления электродвигателем — векторный метод управления скоростью вращения вала. Рассмотрим его подробнее:

Определение вектора напряжения

Модуляция положения вектора в пространстве

Используя трансформацию

Вектор тока

Вектор тока определяется так же, как и напряжения. Каждый вектор представляется либо Ist (а, Ь) координатами либо величиной и углом (r,q).