31. Резистивное и рекуперативное торможение частотно управляемых электроприводов

В частотно-регулируемых электроприводах можно реализовать все три основные способы торможения: рекуперативное, динамическое и противовключением. В силу известных недостатков: большие токи и трехкратные потери энергии по сравнению с динамическим торможением торможение противовключением не применяются в частотно-регулируемых электроприводов является рекуперативное торможение, т.е. частотное торможение с возвратом энергии в питающую сеть и так называемое резистивное (другое название – инверторное) торможение, т.е. частотное торможение с рассеиванием энергии торможения в двигателе, инверторе и дополнительном тормозном резисторе. При малых скоростях применяется также динамическое торможение, когда постоянный ток от преобразователя частоты подается в обмотки статора АД.

По технико-экономическим соображением желательно использовать рекуперативное торможение. Без дополнительных технических средств рекуперативное торможение можно применять только в двух функциональных схемах ПЧ-АД:

1. Циклоконвертор – асинхронный двигатель (система Ц-АД)

2. Управляемый выпрямитель – автономный инвертор тока – асинхронный двигатель (система УВ-АИТ-АД) – рис. 8.39.

Перевод АД из двигательного режима в режим рекуперативного торможения осуществляется с помощью системы управление СУ преобразователем. В циклоконверторе Ц с помощью СУ обеспечивается обмен активной и реактивной энергией между двигателем и сетью. В системе УВ-АИТ-АД направление тока I_a в звене постоянного тока не изменяется, а изменяется только полярность выходного напряжения УВ путем перевода выпрямителя в режим ведомого сетью инвертора (ВИ). Благодаря этому создаются условия рекуперации энергии торможения в питающую сеть. Однако в настоящее время частотно-регулируемые электроприводы по системе Ц-АД и УВ-АИТ-АД применяются в основном в мегаваттном диапазоне мощностей. Основной структурой современных частотно-регулируемых электроприводов является структура: неуправляемый выпрямитель – фильтр – автономный инвертор напряжения с ШИМ – асинхронный двигатель (система НВ-АИН-АД) – рис. 8.40. По такой структуре создаются регулируемые электроприводы в диапазоне мощностей 1÷500 кВт.

В функциональной схеме рис. 8.40 из-за неуправляемого выпрямителя невозможно изменить полярность напряжения в звене постоянного тока. Поэтому в следствии неизменного направления тока и неизменной полярности напряжения невозможна рекуперация энергии торможения в сеть без дополнительных устройств. Для рекуперации энергии встречно-параллельно НВ подключается инвертор ВИ ведомый сетью (рис. 8.41). При торможении активная мощность передается в звено постоянного тока, а затем с помощью ВИ инвертируется в сеть переменного тока. В процессе рекуперации активной энергии ВИ потребляет реактивную энергию, которая зависит от угла управления тиристорами ВИ, что снижает коэффициент мощности электропривода при торможении.

В многодвигательных электроприводах АИН-АД, например, в электроприводах центрифуг применяемых при производстве сахара, ведомый сетью инвертор ВИ ставится один на общее звено постоянного тока (рис. 8.42). Обычно торможение двигателей происходит в разное время, поэтому энергия торможения одного АД идет на выполнение работы другим двигателем. В результате общее потребление энергии ЭП уменьшается.

По такой же функциональной схеме строится асинхронный тяговый электропривод с частотным управлением. Отличие только в том, что сеть переменного тока однофазная.

Второй способ реализации рекуперативного торможения в системах АИН-АД состоит в применении управляемого выпрямителя с ШИМ, аналогично инвертору (рис. 8.43). В этой системе первый преобразователь, УВ-ШИМ, формирует синусоидальную кривую тока потребляемую управляемым выпрямителем, а второй – АИН-ШИМ формирует квазисинусоидальную кривую напряжения для питания АД. Эта система обеспечивает работу АД в четырех квадрантах параметров ω-М.

Рекуперативное торможение применяется в электроприводах работающих в высокодинамичных режимах (краны – 16%, лифты – 11%, подъемники – 11%, центрифуги – 11%). Реализация рекуперативного торможения АД требует дополнительных капитальных затрат, но при этом уменьшаются годовые эксплутационные расходы за счет возврата части энергии торможения в питающую сеть. Выбор того или иного варианта торможения определяется технико-экономическом расчетом. При оценке тормозных режимов учитывают различные способы торможения, применяемые в электроприводах:

1. механическое (свободный выбег, механический тормоз),

2. редкое электрическое, не влияющая на производительность механизма,

3. электрическое с небольшим тормозным моментом, когда энергия торможения рассеивается в двигателе и инверторе,

4. электрическое со значительным тормозным моментом, когда энергия торможения превышает потери энергии в АД и инверторе.

На основании литературных источников известно, что в общем случае рекуперативное торможение оказывается выгодным при мощности двигателя большей 30 кВт. При меньшей мощности используется резистивное (инверторное) торможение, где энергия торможения, превышающая потери энергии в двигателе и инверторе, рассеивается в тормозном сопротивлении, включаемом через коммутируемый транзистор на шины промежуточного звена постоянного тока (рис. 8.44).

При торможении кинетическая энергия, освобождаемая инерционными массами электропривода при снижении скорости, рассеивается в виде потерь в АД, АИН и тормозном сопротивлении R_т:

(8.277)

где J, ω – момент инерции электропривода и угловая скорость АД,

, – потери мощности в АД и АИН,

I_т – ток в тормозном сопротивлении R_т,

М_дин – динамический момент электропривода.

В выражении (8.277) не учтено изменение электрической энергии в конденсаторе С фильтра выпрямителя:

(8.278)

На основании (8.277) можно рассчитать величину R_т для конкретного электропривода.

С помощью управления тормозным транзистором VT поддерживается заданный уровень напряжения в звене постоянного тока.

Теперь остановимся на причинах по которым структура НВ-АИН-ШИМ-АД стала основной в современном частотно-регулируемом электроприводе. Коэффициент мощности k_м входной цепи НВ-АИН определяется выражением

k_м=k_Icosφ₍₁₎=k_I (8.279)

где

– действующие значения первой гармоники и всего входного тока неуправляемого выпрямителя НВ;

k_I – коэффициент несинусоидальности кривой входного тока НВ.

Если не учитывать индуктивности на входе НВ и принять идеально сглаженный выпрямленный ток I_d, то для трехфазной мостовой схемы выпрямления имеем следующие соотношения:

(8.280)

где U_d0, U_d.ном – максимальное и номинальное выпрямленное напряжение;

I_d, P_d – ток и мощность цепи выпрямленного тока;

U₂ – действующее значение фазного напряжения на входе выпрямителя НВ;

S_тр – полная мощность питающего выпрямитель трансформатора;

I_в,г – действующее значение всех высших гармоник входного тока выпрямителя.

Действующее значение входного тока выпрямителя

(8.281)

Этот ток можно сравнить с потребляемым АД синусоидальным током с коэффициентом мощности cosj=0,85:

(8.282)

где I_а – активный ток АД, который соответствует току первой гармоники I₁₍₁₎, потребляемому трехфазным мостовым выпрямителем. Действующее значение первой гармоники входного тока выпрямителя будет на (3¸4)% больше, чем I_а. Но даже при этом учете видно, что потребляемый АД ток (при cosj=0,85) будет примерно на 8% больше потребляемого выпрямителем тока при той же активной мощности. Следовательно, система электропривода НВ-ШИМ-АИН-АД не требует увеличения сечения проводов по сравнению с прямым подключением к сети АД той же мощности. Связано это с тем, что отсутствие потребления реактивной мощности в неуправляемом выпрямителе перевешивает наличие токов высших гармоник

(8.283)

в кривой потребляемого выпрямителем тока.

В реальном выпрямителе величина высших гармоник тока меньше из-за влияния индуктивных сопротивлений в цепи переменного тока, которые приводят к тому, что потребляемый из сети ток изменяется не скачком, а плавно. При этом увеличение индуктивности в цепи переменного тока способствует снижению гармонических составляющих тока (при угле коммутации вентилей g<30°).

Искажение кривой питающего напряжения обусловлено несинусоидальным входным током выпрямителя. Степень искажения синусоидальности кривой напряжения будет зависеть от индуктивного сопротивления между рассматриваемой точкой питающей сети и местом установки выпрямителя. По мере приближения к выпрямителю искажение будет возрастать. При совместном использовании одно- и трехфазных выпрямителей уменьшается содержание в сети несинусоидальных токов. Так, при нагрузке однофазного выпрямителя, превышающего в три раза нагрузку трехфазного мостового выпрямителя, происходит компенсация 5-й и 7-й гармоник тока. В общем случае векторное суммирование гармоник тока в первичной сети от разных потребителей происходит стохастически. Современный преобразователь АИН-ШИМ имеет к.п.д. около 98% при частоте переключений (3¸5) кГц для IGBT трехфазного инвертора на 400В. Общий к.п.д. преобразователя частоты составляет (95-97)%, что превышает к. п. д. асинхронных двигателей. Кривые выходного напряжения, тока, магнитного потока АД в системе АИН-ШИМ-АД имеют высокое качество, т.е. малое содержание низкочастотных гармоник. Данная структура преобразователя частоты позволяет с помощью системы управления урегулировать скорость стандартных асинхронных двигателей в диапазоне мощностей (0,1¸1000) кВт без обратной связи по скорости. Потери мощности в АД увеличиваются в среднем на (5¸10)% по сравнению с питанием от синусоидальной сети. Поэтому, если используется независимое охлаждение, можно не завышать габаритную мощность двигателей.

Изложенное, опираясь на оценки специалистов, позволяет сказать, что структура частотно-регулируемого электропривода НВ-АИН-ШИМ-АД совместно со стандартными асинхронными двигателями останется главной и в будущем.