1 Работа частотно-регулируемого электропривода

Состав элементов частотно-регулируемого электропривода, их работа и назначение показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 - Состав элементов частотно-регулируемого электропривода

Из питающей сети (1) переменное напряжение промышленной частоты (~ U, = f) поступает на вход выпрямителя (2). Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (±U) на выходе выпрямителя устанавливается фильтр (3). И уже постоянное (= U) (сглаженное) напряжение подаётся на вход управляемого импульсного инвертора тока (4). Электронные ключи инвертора по сигналам системы управления (8) открываются и запираются таким образом, что формируемые при этом различные по длительности импульсы тока складываются в результирующую кривую синусоидальной формы с необходимой частотой. Для сглаживания пульсаций, на выходе инвертора может устанавливаться дополнительный высокочастотный фильтр (5). Затем напряжение подаётся на обмотки электродвигателя (М), который является приводом механизма технологической системы (6).

Подлежащий регулированию параметр технологической системы измеряется датчиком (7), управляющий сигнал от которого подаётся в систему управления ЧРП (8). Либо внешняя система управления (9) собирает информацию о многих параметрах, характеризующих работу технологической системы, обрабатывает её и подаёт результирующий сигнал в систему управления приводом. В зависимости от величины, иногда скорости изменения этого сигнала, и программных установок, микропроцессорная система управления ЧРП формирует и подаёт управляющие импульсы на электронные ключи выпрямителя и инвертора.

Для самоконтроля и защиты система управления собирает и обрабатывает сигналы о наличии или величине ряда параметров, характеризующих работу собственных подсистем. Контролируются токи и напряжения на входе, выходе из преобразователя и в магистрали постоянного тока. Измеряется температура элементов и регулируется производительность системы охлаждения преобразователя. Контролируется состояние отдельных элементов вплоть до отдельного ключа. При наличии специального датчика в корпусе электродвигателя измеряется, а при отсутствии датчика рассчитывается по электрическим характеристикам потребляемой двигателем энергии температура двигателя.

Таковы общие принципы частотного регулирования электроприводов.

Конкретные схемные решения в зависимости от условий различны, различаются и принципы управления частотно-регулируемым электроприводом.

Как и большинство технических решений такого рода, частотное регулирование электроприводов имеет свои недостатки и ограничения.

2 Схемные решения преобразователей частоты в чрп

Схемы, по которым выполняются обычные преобразователи частоты на напряжение 0,4 кВ (380 В), мало отличаются друг от друга и от приведённой структурной схемы. В них используются низковольтные транзисторные ключи, что определяет их невысокую стоимость.

Однако в целях экономии меди, все электродвигатели мощностью 250 кВт и выше выполняются на напряжение 6 или 10 кВ.

В высоковольтном частотно-регулируемом электроприводе приходится использовать достаточно дорогие тиристорные ключи на повышенное напряжение. В преобразователях для высоковольтного асинхронного электропривода необходимы ещё более сложные электронные ключи с полным управлением.

Существует ряд схемных решений позволяющих снизить общую стоимость высоковольтного ЧРП.

Двухтрансформаторная схема включения низковольтного преобразователя.

При двойной трансформации напряжения, допускается использование достаточно дешёвого, низковольтного преобразователя.

Однако обычный трансформатор не может работать на низкой частоте (Т2), поэтому приходится ограничивать диапазон регулирования от n > 0,5·nnom. Немного расширить диапазон позволяет использование специального трансформатора с массивным магнитопроводом, это не решает проблему в принципе, но увеличивает стоимость и массо-габариты установки. Тем не менее, такая схема до сих пор применяется наиболее часто.

Рисунок 2 – Двухтрансформаторная схема

Последовательное включение электронных ключей:

Электронные ключи включаются последовательно (от 4 высоковольтных до 15 низковольтных элементов в плече) и делят напряжение между собой, подобно гирляндам изоляторов.

Реализовать практически это непросто: в том случае, когда один из ключей в плече немного запоздает со своим открытием, к нему будет приложено фазное напряжение сети, что неминуемо выведет его из строя. Полупроводниковые приборы имеют ощутимый разброс временных параметров даже в одной партии, поэтому на управляющую электронику ложиться задача отслеживать и корректировать процесс открытия и запирания каждого ключа.

В связи с тем, что полупроводниковые преобразователи являются виновниками несинусоидальности напряжения, причём номера гармонических составляющих (n) зависят от пульсности преобразователя (n = p·k ± 1, где p – пульсность, k = 1,2,3...), для улучшения характеристик электромагнитной совместимости такие преобразователи частоты выполняют с использованием 2-х, 3-х и 4-х обмоточных согласующих трансформаторов, по 6-и, 12-и и 18-и пульсной схеме соответственно.

Это наиболее распространённая схема, по которой выполняются высоковольтные преобразователи на большую мощность.

Рисунок 3 - Последовательное включение электронных ключей

Преобразователь с многообмоточным трансформатором:

Используя специальный трансформатор с большим количеством вторичных обмоток (до 18), электрически сдвинутых относительно друг друга по фазе, можно использовать последовательное включение дешёвых низковольтных преобразовательных блоков.

Отчасти это напоминает предыдущую схему.

Решение новое. Некоторые производители анонсируют его как сравнительно дешёвое.

Из недостатков следует отметить большие габариты.

В высоковольтном частотном электроприводе на систему управления ложиться большое количество дополнительных и серьёзных задач по управлению преобразованием частоты, и не снимается основная задача — управление работой привода.

Рисунок 4 - Преобразователь с многообмоточным трансформатором