Характеристики преобразователей частоты

Общие

Для регулирования скорости электродвигателя используется ШИМ напряжение на выходе преобразователя частоты. Преобразователи работают в качестве интерфейса между источником энергии (линии электропитания) и асинхронным электродвигателем.

Для того чтобы получить выходной сигнал требуемого напряжения и частоты, входной сигнал должен пройти три этапа:

• Диодный мост - Выпрямление входного напряжения переменного тока постоянной амплитуды и частоты.
• Звено постоянного тока или фильтр - регулирование/сглаживание выпрямленного напряжения с использованием конденсаторов.
• Инвертор на IGBT транзисторах - преобразование напряжения, после звена постоянного тока в переменное напряжение, переменной амплитуды и частоты.

Следующая диаграмма показывает три основных звена преобразователя частоты:

Внимание:

В условиях малых нагрузок (или на холостом ходу) напряжение звена постоянного тока стабилизируется на уровне √2 V_пит ≈ 1.41 V_пит. Однако при полной нагрузке напряжение звена постоянного тока снижается до отметки (3 / π) √2 V_пит ≈ 1.35 V_пит .

Далее представлены критерии, предъявляемые к системе изоляции двигателей WEG, предназначенных для работы от преобразователей частоты. Рассмотрим самый высокий из них (1.41 V_пит), который является наиболее важным для двигателя.

Типы управления

Есть два базовых типа управления: скалярное управление (без обратной связи) и векторное управление (с или без обратной связи).

Скалярное управление основано на оригинальной концепции преобразователей частоты: сигнал определенного соотношения напряжение / частота подается на клеммы электродвигателя и это соотношение сохраняется постоянным во всем диапазоне частот, для того чтобы сохранить постоянным поток намагничивания электродвигателя. Скалярное управление обычно используется, когда нет необходимости быстрого реагирования на изменения задания крутящего момента и скорости, и особенно интересно, когда одним преобразователем регулируется скорость вращения нескольких подключенных к нему электродвигателей.

Управление производится без обратной связи, и точность поддержания скорости является функцией скольжения двигателя, которое зависит от нагрузки, так как частота накладывается на обмотке статора. Для того, чтобы улучшить производительность двигателя на низких скоростях, некоторые привода используют специальные функции, такие как компенсация скольжения (ослабление изменения скорости как функции нагрузки) и повышение крутящего момента (увеличение коэффициента V / F для компенсации падения напряжения на статоре), так что крутящий момент мотора поддерживается постоянным. Это является наиболее широко используемым типом управления благодаря своей простоте, а также тому, что большинство приложений не требуют высокой точности или быстрого изменения скорости.

Векторное управление обеспечивает высокие быстродействие и точность управления скоростью электродвигателя и крутящего момента. По существу ток двигателя разделяют на два вектора, один из них производит поток намагничивания, а другой образует крутящий момент, каждый из которых регулируется отдельно. Векторное управление может быть с разомкнутым контуром (без датчиков обратной связи) или с замкнутым контуром (с датчиками обратной связи).

Обратная связь по скорости - датчик скорости (например, инкрементальный энкодер), устанавливается на электродвигателе. Данный режим обеспечивает высокую точность управления, как крутящим моментом, так и скоростью двигателя даже при очень низких (и нулевой) скоростях.

Бездатчиковое управление - проще, чем регулирование с замкнутым контуром, но его действие ограничено особенно на очень низких скоростях. На более высоких скоростях данный режим практически так же хорош, как и векторное управление с обратной связью.

Основное различие между этими двумя типами управления заключается в том что, что скалярное управление учитывает только величины мгновенных электрических величин (магнитного потока, тока и напряжения), приложенных к статору, с уравнениями на основе эквивалентной электрической цепи электродвигателя, то есть уравнений стационарного состояния. С другой стороны, при векторном управлении рассчитываются мгновенные электрические величины, влияющие на потокосцепление ротора в качестве векторов и его уравнения основываются на пространственной динамической модели двигателя. Асинхронный двигатель при векторном управлении рассматривается как двигатель постоянного тока, с отдельно управляемыми моментом и потоком.

Взаимодействие между преобразователем и линией электропитания

Гармоники

Для сети переменного тока, система преобразователь частоты + двигатель является нелинейной нагрузкой, ток которой включает гармоники (компоненты частот, накладываемые на частоту линии электропередачи). Характеристики гармоник, обычно получаемых от выпрямителя, считаются выражением h = np ±1 на стороне переменного тока, то есть на линии электропередачи (р - число импульсов инвертора и n = 1, 2, 3). Таким образом, в случае c 6-ти диодным выпрямительным мостом (6 импульсов), наиболее выраженными генерируемыми гармониками будут 5-я и 7-я. Их величины могут варьироваться от 10% до 40% от основной компоненты, в зависимости от сопротивления линии электропередач. В случае 12-ти пульсного выпрямительного моста (12 диодов), наиболее вредными генерируемыми гармониками будут 11-я и 13-я. Чем выше порядок гармоники, тем ниже ее амплитуда, так что высшие гармоники могут быть отфильтрованы более легко. Как и большинство производителей преобразователей частоты, WEG производит свои низковольтные стандартные преобразователи с 6-импульсными выпрямителями.

Энергетическую систему гармонических искажений можно количественно оценить коэффициентом THD (Total Harmonic Distortion - коэффициент нелинейных искажений), который получает информацию от изготовителя преобразователя и определяется как:

Где:
Аh - среднеквадратичное значение нефундаментальных гармонических составляющих
А1 - значение основной компоненты тока
Форма сигнала показанного выше - входной измеряемый ток 6-импульсного ШИМ преобразователя частоты, подключенного к энергосистеме с низким сопротивлением.

Сетевой дроссель / дроссель звена постоянного тока

Токи гармоник, которые циркулируют через сопротивления линии электропередачи и зависят от значения входного/выходного сопротивления выпрямителя, вызывают гармонические составляющие падения напряжения, которые искажают напряжение питания преобразователя и других нагрузок, подключенных к этой линии. Искажения гармонического тока и напряжения могут увеличить электрические потери в установке, снижение коэффициента мощности и перегрев компонентов, таких как кабели, трансформаторы, батареи конденсаторов, двигатели и т.д.

Добавление дросселя и / или дросселя шины постоянного тока уменьшает содержание гармоник тока и увеличивает коэффициент мощности. Дроссель шины постоянного тока имеет то преимущество, что не создает падения напряжения на двигателе, но в зависимости от комбинации значения его сопротивления с сопротивлением линии электропередачи и значения емкости промежуточного контура могут появиться нежелательные резонансы в общей системе.

С другой стороны, линейный реактор уменьшает среднее напряжение промежуточной цепи, но более эффективно ослабляет влияние гармоник напряжения питания. Кроме того, он продлевает срок службы полупроводников и промежуточной батареи конденсаторов, в результате уменьшается, как среднеквадратичный ток выпрямительных диодов, так и пульсации тока через конденсаторы.

Форма тока и напряжения с (b) и без (a) сетевого дросселя. Видно, что сетевой дроссель смягчает пики, тем самым уменьшая содержание гармоник и действующее значение входного тока. Кроме того уменьшаются искажения формы сигнала напряжения питания.

Минимальное сопротивление линии электропитания, которое приводит к падению напряжения от 1 до 2%, в зависимости от типоразмера преобразователя, увеличивает срок службы преобразователя.

Как правило, рекомендуется добавлять сопротивление сетевого дросселя к существующим сопротивлениям источника электропитания (в том числе трансформаторов и кабелей), так что общее падение напряжения составляет от 2 до 4%. Эта практика рассматривается как хороший компромисс между падением напряжения на электродвигателе, улучшением коэффициента мощности и уменьшения искажений гармонических составляющих выходного тока.

Значение индуктивности сетевого дросселя, необходимое для желаемого падение напряжения может быть получено следующим образом:

Ниже приведены схемы установки сетевого дросселя (а) и дросселя шины постоянного тока (b).