2. Общие сведения

С энергетической точки зрения электропривод - главный потребитель электрической энергии: сегодня в развитых странах он потребляет более 60% всей производимой электро­энергии. Электропривод, являясь крупнейшим потребителем электроэнергии и  потенциально огромным резервом энергосбережения, обеспечивает за счет экономии энергоресурсов самый большой экономический эффект.

Среди всего многообразия ресурсо- и энергосберегающего оборудования (гидромуфты, устройства плавного пуска, энергосберегающие лампы и др.) частотно-регулируемый электропривод занимает заслуженное лидирующее место (объем продаж: 70% - ЧРП, 15% - гидромуфты, 15% - все остальное).

В промышленно развитых странах техника применения частотно-регулируемых электроприводов используется более 35 лет. В течение этого времени закладывались научные и методические осно­вы, разрабатывались и совершенствовались технические средства управления электроприводом, накопился большой опыт в принятии технических решений при создании систем, использующих этот тип электроприводов, ряд решений стандартизирован. По данным EPRI (институт электроэнергетики США), в рамках реализации программы по реконструкции 60 энергоблоков ТЭС в период с 1986 по 1995 год введены более 300 частотно-регулируемых асинхронных электроприводов мощностью от 630кВт до 4500кВт напряжением 2400В, 4160В и 6600В, что обеспечило годовую экономию электроэнергии около 1 млрд. кВт∙ч.

Мировая и отечественная инженерная практика показала, что наибольший экономический эффект при реализации программ энергосбережения дает переоснащение энергетических сетей и коммуникаций устройствами частотно-регулируемого электропривода. Разработка и внедрение регулируемого электропривода является одним из самых перспективных и экономически оправданных направлений из  всех энергосберегающих технологий. Срок окупаемости данного оборудования находится в интервале от одного месяца до пяти лет.

В России начало применения частотно-регулируемых электроприводов относится к середине 90-х годов прошлого столетия. Одним из первопроходцев является ОАО «Мосэнерго». В рамках реализации программы энергосбережения были внедрены 28 частотно-регулируемых асинхронных электроприводов мощностью от 500кВт до 4000кВт напряжением 3300В и 6000В. Только прямая экономия электроэнергии от внедрения этих электроприводов на ТЭЦ и насосно-перекачивающих станциях тепловых сетей превысила 100 млн. кВт∙ч в год.

За прошедшие 15 лет в России зарегистрированы сотни тысяч внедрений частотно-регулируемого электропривода с превосходными результатами во всех отраслях промышленности (горнодобывающие и горно-обогатительные предприятия, нефтедобыча и нефтепереработка, транспортировка нефтепродуктов и газа, машиностроение, химическое производство, ЖКХ, тепло и электроэнергетика и др.). Исключение составляет атомная энергетика. Единственное значимое внедрение на Белоярской АЭС (БН-600).

Возможность управления частотой вращения короткозамкнутых асинхронных электродвигателей была доказана сразу же после их изобретения. Реализовать эту возможность удалось лишь с появлением силовых полупроводниковых приборов - сначала тиристоров, а позднее транзисторов IGBT. В настоящее время во всём мире широко реализуется способ управления асинхронной машиной, которая сегодня рассматривается не только с точки зрения экономии энергии, но и с точки зрения совершенствования управления технологическим процессом.

В промышленности и быту применяют двигатели переменного и постоянного тока. Исторически сложилось, что для регулирования скорости вращения чаще использовали двигатель постоянного тока. Преобразователь в данном случае регулировал только напряжением, был прост и дешёв.  Однако двигатели постоянного тока имеют сложную конструкцию, критичный в эксплуатации щёточный аппарат и сравнительно дороги.

Асинхронные двигатели переменного тока широко распространены, надёжны, имеют относительно  невысокую стоимость, хорошие эксплуатационные качества, но регуляторы скорости их вращения из-за сложности систем электронного регулирования частоты питающего напряжения стоили до начала 80-х годов дорого и не обладали качествами, необходимыми для широкого внедрения в индустрию. Быстрый рост рынка преобразователей частоты для асинхронных двигателей стал возможен в связи с появлением новой элементной базы - силовых модулей на базе IGBT транзисторов (биполярный транзистор с изолированным затвором), рассчитанный на токи до нескольких десятков килоампер, напряжением до нескольких киловольт и имеющих частоту коммутации 30 кГц и выше.   

В зависимости от характера нагрузки преобразователь частоты обеспечивает различные режимы управления электродвигателем, реализуя ту или иную зависимость между скоростью вращения электродвигателем и выходным напряжением.

Режим с линейной зависимостью между напряжением и частотой ( U/f=const ) реализуется простейшими преобразователями частоты для обеспечения постоянного момента нагрузки и используется для управления асинхронными электродвигателями или двигателями, подключёнными параллельно. Вместе с тем при уменьшении частоты, начиная  с некоторого значения, максимальный момент двигателя начинает падать. Для повышения момента на низких частотах в преобразователях предусматривается функция повышения начального значения выходного напряжения, которая используется  для компенсации падения момента для нагрузок с постоянным моментом или увеличения начального момента для нагрузок с высоким пусковым моментом, таких, например, как промышленный миксер.

Для регулирования электроприводов насосов и вентиляторов используется квадратичная зависимость напряжения/частоты (U/f2=const). Этот режим, так же как и предыдущий, можно использовать для управления параллельно подключенными двигателями.  Вместе с тем для повышения качества управления приводом требуется использование других,  более совершенных методов управления. К ним относятся метод управления потокосцеплением (Flux Current Control - FCC) и метод безсенсорного векторного управления (Sensorless Vector Control - SVC). Оба метода базируются на использовании адаптивной модели электродвигателем, которая строится с помощью специализированного вычислительного устройства, входящего в состав управления преобразователя.

Наиболее точное и эффективное управление  обеспечивает режим векторного управления без датчика обратной связи по скорости (SVC).  Если в двигателях постоянного тока имеются две обмотки (статорная, или возбуждённая и роторная, или якорная), что позволяет управлять раздельно скоростью вращения ( ток возбуждения ) и электромагнитным моментом ( ток якоря ), то в двигателях переменного тока с короткозамкнутым ротором имеется всего лишь одна статорная обмотка, через которую формируется возбуждающее магнитное поле и определяет вращающий момент. С этим и связаны все трудности управления электродвигателем. Выход остаётся один: необходимо управлять амплитудой и фазой статорного тока, то есть его вектором, однако для управления фазой тока, а значит, и фазой магнитного поля статора относительно вращающегося ротора необходимо знать точное положение ротора в любой момент времени. Эта задача может быть решена с использованием датчика положения, например, шифратора приращений. В такой конфигурации привод переменного тока по качеству регулирования становится сопоставим с приводом постоянного тока, но в составе большинства стандартных электродвигателей переменного тока встроенные датчики положения отсутствуют, поскольку их введение неизбежно ведёт к усложнению конструкции двигателя и существенному повышению его стоимости.

Применение же современной технологии векторного управления позволяет обойти это ограничение путём использования математической адаптивной модели двигателя для предсказания положения ротора. При этом система управления должна с высокой точностью измерять значение выходных токов и напряжений, обеспечивать расчёт параметров двигателя (сопротивление статора, значение индуктивности рассеяния и.т.д.), точно моделировать тепловые характеристики двигателя с различными режимами его работы, осуществлять большой объём вычислений с очень высокой скоростью. Последнее обеспечивается применением в составе системы управления преобразователя специализированных интегральных схем ASIC.

Векторное управление без датчиков обратной связи по скорости позволяет обеспечивать динамические погрешности, характерные для регулируемого привода с замкнутой обратной связью. Однако полное управление моментом при скорости, близкой к нулевой, невозможно без обратной связи по скорости. Такая обратная связь становится необходимой и для достижения погрешности регулирования менее 1%.  Контур обратной связи при этом легко реализуется с помощью самого преобразователя частоты.

Основу современной системы управления асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором (АД) составляет преобразователь частоты (ПЧ).

В зависимости от решаемых задач в ее состав входит электротехнический шкаф(ы) с преобразователем частоты и аппаратными средствами систем защиты, автоматики и контроля, пульт дистанционного управления (ПДУ) и датчик обратной связи (Д).

Асинхронный электродвигатель с преобразователем частоты получили название частотно-регулируемый электропривод (ЧРП), который вместе с датчиком обратной связи (Д) представляет собой, по сути, систему автоматического регулирования (САР). Название обусловлено тем, что регулирование скорости вращения ротора асинхронного электродвигателя осуществляется посредством изменения частоты питающего напряжения (U_вых) электродвигателя, которая не зависит от частоты напряжения питающей сети (U_вх).