Современные силовые преобразователи мощных электроприводов

СОДЕРЖАНИЕ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СОВРЕМЕННЫХ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ 2

2. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 5

3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ СКАЛЯРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 7

4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 9

5. ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ВЕНТИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ 10

6. ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ РОССИЙСКИХ ИЗГОТОВИТЕЛЕЙ 12

7. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ КОНЦЕРНА ABB 14

8. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ФИРМЫ «SIEMENS» 17

9. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ КОМПАНИИ «SCHNEIDER ELECTRIC» 20

10. ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК МАГИСТРАЛЬНОГО ТРАНСПОРТА УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ 22

11. ПРЕИМУЩЕСТВА УСТРОЙСТВ ПЛАВНОГО ПУСКА ПО СРАВНЕНИЮ С ТРАДИЦИОННЫМИ ПУСКОВЫМИ УСТРОЙСТВАМИ 26

12. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ 28

13. ДИАГРАММА ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЗАЖИМАХ СТАТОРА ДВИГАТЕЛЯ. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ 29

14. КРИТЕРИИ ВЫБОРА УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА 33

15. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ПРИМЕНЕНИЯ 35

16. ФУНКЦИИ ЗАЩИТ УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА И ДВИГАТЕЛЯ 38

17. ФУНКЦИИ КОНТРОЛЯ 40

18. ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА НАСТРОЙКИ 42

19. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 43

20. ВЫПРЯМИТЕЛИ 49

21. ИНВЕРТОРЫ 57

22. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ 61

23. РЕВЕРСИВНЫЕ ТИРИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 65

24. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНКОВЫМИ ПРЕОРАЗОВАТЕЛЯМИ 69

25. ЗАЩИТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 73

27. РЕВЕРСИВНЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПО СИСТЕМЕ ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ - ДВИГАТЕЛЬ 77

28. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ЭЛЕТРОПРИВОДА С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ 78

29. ВОСЬМИРАЗРЯДНЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ КОМПАНИИ FREESCALE SEMICONDUCTOR В КОРПУСАХ С МАЛЫМ ЧИСЛОМ ВЫВОДОВ 80

30. МОДЕЛЬНЫЙ РЯД МК 81

31. ТРИ ПРОЦЕССОРНЫХ ЯДРА HC08 82

32. ПОДСИСТЕМА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ 87

1. Общие сведения о современных частотно-регулируемых электроприводах

Большая часть рабочих машин в горной промыш­ленности в настоящее время оснащена нерегулируемыми электроприводами с асинхронными и синхронными электро­двигателями.

Частотно-регулируемый электропривод обеспечивает:

плавный пуск;

длительную работу в заданном диапазоне изменения ско­рости и нагрузки;

реверсирование, торможение и останов;

защиту электрического и механического оборудования от аварийных режимов.

Частотно-регулируемый электропривод является не только устройством экономичного преобразования электрической энергии в механическую, но и эффективным средством управления технологическим процессом, в том числе в замк­нутых системах автоматического управления в составе раз­личных автоматизированных систем управления технологиче­скими процессами (АСУ ТП).

Эффективность применения частотно-регулируемых элек­троприводов обусловлена:

высокими энергетическими показателями;

гибкой настройкой программными средствами параметров и режимов работы электропривода;

развитым интерфейсом и приспосабливаемостью к раз­личным системам управления и автоматизации, в том числе высокого уровня;

простотой и удобством управления и обслуживания в экс­плуатации;

высоким качеством статических и динамических характе­ристик, обеспечивающих высокую производительность управляемых машин.

Оптимальная по энергетическим показателям, а также по регулировочным и механическим характеристикам структура современного частотно-регулируемого электропривода с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором включает в себя преобразователь частоты (ПЧ) с промежуточным звеном постоянного тока (рис. 1), состоящий из выпрямителя с индуктивно-емкостным фильтром постоянного напряжения и автономно­го инвертора напряжения, построенного на силовых транзи­сторах IGBT. Инвертор формирует основную гармонику вы­ходного напряжения ПЧ методом ШИМ.

Регулируемый электропривод, силовая часть которого ба­зируется на указанной структуре, обладает следующими преимуществами:

широким диапазоном регулирования скорости (D = 30÷60);

высоким значением КПД (без учета двигателя он достигает 0,98);

высоким значением коэффициента мощности (до 0,98);

высокой надежностью и малыми габаритами преобразова­теля;

легким обеспечением электромагнитной совместимости электропривода с источником питания и другими потребите­лями электрической энергии.

При регулировании скорости электропривода частота и напряжение на выходе ПЧ изменяются взаимосвязано в со­ответствии с требуемым соотношением. Изменяя частоту, можно плавно в широких пределах регулировать скорость вращения ротора двигателя. При этом скольжение асинхрон­ного двигателя в процессе регулирования при заданном зна­чении нагрузки изменяется незначительно, а следовательно, потери в цепи ротора, пропорциональные скольжению, также изменяются незначительно, что обеспечивает энергосбере­жение.

В настоящее время выпуск частотно-регулируемых элек­троприводов осуществляют десятки различных фирм во мно­гих странах. К их числу можно отнести: ABB (Швейцария), «General Electric» (США), «Siemens» (Германия), «Schneider Electric» (Франция), «Mitsubishi» (Япония), «Hitachi» (Япония), «Триол» (Россия) и др.

Несмотря на то что ПЧ различных фирм отличаются ти­пами применяемых силовых полупроводниковых приборов, исполнением, видами защит и другим, следует отметить об­щие принципы построения современных частотно-регулируе­мых электроприводов. Отметим некоторые из них:

1. Силовая часть — преобразователь частоты состоит из выпрямителя, фильтра постоянного напряжения и IGBT-, GCT- или IGCT-инвертора с модулем торможения в звене постоянного напряжения.

2. Система управления — микропроцессорная, формирует сигналы управления инвертором согласно алгоритму, позво­ляющему максимально использовать напряжение источника с минимальными искажениями формы выходного напряжения

Для управления внешними устройствами электропривод может содержать релейные и аналоговые выходы. Назначе­ния цифровых входов и выходов могут быть перепрограмми­рованы. Предусматривается также возможность увеличения числа входов (выходов) с помощью дополнительных встраи­ваемых субмодулей расширения.

3. Система защит электропривода может включать защи­ты от:

токов недопустимой перегрузки и короткого замыкания;

замыкания на «землю»;

обрыва фазы;

перенапряжений на силовых элементах схемы;

недопустимых отклонений и исчезновения напряжения питающей сети;

недопустимого перегрева силовых элементов схемы;

неисправностей и сбоев системы управления;

недопустимых отклонений технологического параметра и др.

Кроме того, могут быть предусмотрены режимы ограниче­ния максимальной и минимальной мощности электропривода, минимальной и максимальной рабочей частоты и других параметров.

4. Система сигнализации электропривода сообщает о:

наличии напряжения питающей сети;

включенном (отключенном) состоянии;

аварийном отключении и др.

Дополнительная информация о состоянии электропривода выводится на дисплей пульта управления в виде текстовых сообщений или кодов.

Для получения высокого качества управления электропри­водом в статических и динамических режимах в широком диапазоне регулирования скорости, в том числе в области нулевых скоростей, необходимо иметь возможность быстрого непосредственного управления моментом электродвигателя.

Основным узлом векторного управления является преоб­разователь сигналов задания магнитного потока и момента в сигналы задания токов для фаз двигателя. В системах мик­ропроцессорного управления асинхронным двигателем эта задача решается программными средствами.

В современных частотно-регулируемых электроприводах заложены следующие принципы структурно-функциональ­ного построения:

блочно-модульная компоновка;

комплектность поставки;

компьютеризация;

наличие средств визуализации процесса;

развитая система диагностики;

встроенный ПИД-регулятор контролируемого параметра электропривода или технологического процесса;

автоматическая компенсация скольжения, основанная на увеличении частоты на выходе ПЧ по сравнению с заданной частотой;

компенсация падения напряжения на активном сопротив­лении цепи статора двигателя (IR компенсация), применяемая для электроприводов рабочих машин с постоянным моментом сопротивления;

плавный пуск (торможение) по линейному, S или U-законам во времени с программными средствами настройки про­должительности пуска (торможения). возможность блокировки 2- или 3-х частот механического резонанса;

защита от блокировки ротора;

возможность реализации различных законов взаимосвя­занного регулирования напряжения и частоты на выходе ПЧ, наиболее полно отвечающих требованиям конкретной рабо­чей машины с целью достижения наилучшего энергосбере­гающего режима;

возможность программными средствами выбора режимов работы с нормальным или увеличенным моментом (для рабо­чих машин с повышенными требованиями к перегрузочной способности);

многоскоростной режим, заключающийся в наличии большого количества уставок скорости, который использует­ся, если по условиям технологического процесса требуется несколько фиксированных скоростей электропривода;

автоматический самозапуск электропривода после кратко­временного исчезновения напряжения сети;

предотвращение опрокидывания ротора, заключающееся в том, что если при разгоне (торможении) электропривода за­дано слишком большое ускорение (замедление), а мощность ПЧ недостаточна, то автоматически увеличится время пуска (торможения);

Для гибкой настройки частотно-регулируемых электроприводов к конкретным объектам применения предусматриваются дополнительные модули (опции), расширяющие возможность базового исполнения.

В настоящее время в частотно-регулируемых электропри­водах мощностью до 1 МВт используются IGBT-инверторы, а в электроприводах большей мощности GTO-, GCT- или IGCT-инверторы.

Однако с увеличением параметров IGBT-транзисторов мощности ПЧ, выполненных на их базе, и соответствен­но частотно-регулируемых электроприводов будут воз­растать.