Казачковський_аппч2

грами для вибору ПЧ і розрахунку економічної ефективності їхнього застосування, оцінки гармонічного вмісту струмів, споживаних ПЧ з мережі.

Багато хто з виробників для швидкого копіювання настроювань до ПЧ пропонують спеціальні малогабаритні карти пам’яті (завантажувачі). Деякі з них завдяки наявності вмонтованого джерела живлення здатні це робити без підключення ПЧ до мережі.

З) Електромагнітна сумісність

Оскільки ПЧ побудований на ключових напівпровідникових елементах, його властивості як споживача і як джерела електричної енергії, звичайно, не є ідеальними. Хоча cos ПЧ з діодним вхідним випрямлячем близький до одиниці, форма споживаного ним струму далека від синусоїдальної. Частково цю проблему можна вирішити, застосувавши індуктивні елементи в колі живлення ПЧ та в його ланці постійного струму. За більших потужностей економічно доцільними можуть виявитися багатопульсні схеми випрямлення та активні випрямлячі. У деяких ПЧ для поліпшення форми мережного струму знижено ємність фільтру в ланці постійного струму. Однак рекомендувати такий заход можна лише для приводів, що працюють в умовах стабільної напруги живлення та малих перевантажень.

Вихідний струм ПЧ з ШІМ має форму, близьку до синусоїдальної і тим ближче до неї, чим більша частота модуляції. Проте застосування в АІН швидкодіючих IGBT-транзисторів призводить до іншої проблеми. Якщо кабель, що з’єднує ПЧ та двигун, достатньо довгий, у ньому за високих частот модуляції можуть виникнути хвильові процеси, збуджувані крутими фронтами вихідної напруги ПЧ. Це призводить до появи на обмотці статора перенапруг, які у 1,7...2 рази перевищують напругу на виході ПЧ, підвищення електромагнітного шуму двигуна, зниження рушійного моменту, підвищення електромагнітного випромінювання кабелю, зростання ємнісних струмів спливу в кабелі, а також струмів, що проходять підшипниками двигуна (за потужностей, більших за 75 кВт, можуть привести до приварювання підшипників). Для придушення хвильових процесів слугують спеціальні фільтри, що вмикаються між ПЧ і кабелем або паралельно двигуну. У деяких ПЧ передбачено модифікацію закону керування ключами, що пом’якшує цю проблему. Зі зростанням потужності ПЧ допустима довжина кабелю збільшується і з урахуванням усіх можливих заходів може сягати 150 м для екранованого кабелю та 1000 м для неекранованого.

Захист ПЧ від наведених електромагнітних завад здійснюється низкою конструктивних заходів (заземлення, екранування, роздільне прокладення силових і контрольних кабелів). Ті ж заходи, а також використання фільтрів радіозавад на вході и виході ПЧ дозволяють придушити випромінювання, генеровані самим ПЧ.

І) Конструкція, апаратні опції та вартість

Охолодження ПЧ потужністю до 1,1…2,2 кВт звичайно природне з радіатором, більш потужні мають повітряне примусове охолодження (деякі серії мають тільки такий спосіб охолодження). Є також конструктивні модифікації,

241

призначені для монтажу до герметизованої шафи на спільний охолоджувач. Є приклади конструкцій, які дозволяють виносити силову частину ПЧ за межі шафи для поліпшення умов тепловіддачі. Примусове рідинне охолодження низьковольтних ПЧ застосовується доволі рідко.

ПЧ малої і середньої потужності звичайно виготовляються у вигляді моноблока, призначеного для монтажу на стіну або до шафи, більш потужні мають шафову конструкцію для встановлення на підлогу. Більшість ПЧ допускає монтаж впритул один до одного. Можуть поставлятися комплектні ПЧ у шафі з пускачем, запобіжниками та автоматичним вимикачем. Іноді вхідний випрямляч та інвертор виконуються у вигляді окремих конструктивних модулів. За потужності до кількох кВт можливе виготовлення ПЧ, вмонтованого у двигун. Це максимально спрощує монтаж, знімає проблему хвильових процесів у довгому кабелі.

Додаткові елементи, які розширюють функціональні можливості, можуть вмонтовуватися в ПЧ або монтуватися окремо. До пристроїв, що вмонтовуються в ПЧ, належать:

плати розширення входів/виходів з логічними, аналоговими та імпульсними входами і аналоговими, логічними та релейними виходами;

плати програмованого логічного контролера;

плати прикладних задач;

інтерфейсні плати для підключення різного роду датчиків положення;

мережні плати для опціональних протоколів.

Апаратні опції, монтовані окремо:

гальмівні резистори і гальмівні ключі (окрім ПЧ потужністю до кількох десятків кВт, де вони звичайно є вмонтованими);

реактори змінного струм та дроселі постійного струму;

вхідні та вихідні фільтри для забезпечення електромагнітної сумісності ПЧ з мережею та двигуном;

фільтри для придушення генерованих ПЧ радіоперешкод;

активні випрямлячі (рекуператори).

Вартість ПЧ зі зростанням потужності закономірно зростає, однак вартість 1 кВт потужності знижується (рис. 5.34). Розміщення ПЧ в оболонці IP54 збільшує вартість на 35…42%, використання реакторів змінного струму – на 13…50%, дроселя на виході ПЧ – на 10…50% (менші значення відповідають більшій потужності).

К) Висновки

Наявність на ринку великої кількості виробників ПЧ та їхня конкуренція призводить до швидкого оновлення серій ПЧ, поліпшення їхніх якісних показників (масогабаритних, регулювальних, енергетичних), запозичення нових функцій і розширення функціональних можливостей, підвищення зручності налагодження та експлуатації. Про ступінь поліпшення якісних показників ПЧ можна судити на прикладі 4 поколінь перетворювачів з ШІМ потужністю до 15 кВт компанії Schneider Electric, які послідовно заступали один одного (рис. 5.35). Масогабаритні показники покращилися практично вдвічі, кількість налагоджу-

242

Різко змінився характер праці наладчика (від паяльника, викрутки та осцилографа до ноутбуку і меню параметрів, від індивідуального настроювання кожного перетворювача до копіювання настроювань). Основними тенденціями розвитку сучасних ПЧ є:

тенденція універсалізації (розширення переліку параметрів и прикладних функцій, опціональних апаратних вузлів і програмних опцій, діапазону вихідних частот, збільшення кількості керуючих входів/виходів, застосування для керування не тільки асинхронними, а й синхронними машинами);

243

тенденція спеціалізації (за характером технологічних задач, рівнем функціональності, умовам експлуатації);

тенденція децентралізації та інтелектуалізації (зростання обчислювальних і комунікаційних можливостей ПЧ, надання йому засобів автоматизації

технологічних процесів, вмонтовування ПЧ у двигун).

На сьогодні низьковольтні ПЧ є переважним різновидом перетворювачів енергії для електроприводів (від простих до високотехнологічних), основним знаряддям енергозбереження засобами електропривода.

Контрольні запитання

1.Перелічіть засоби, за допомогою яких забезпечується гальмівні режими в ПЧ із ШІМ.

2.Які параметри характеризують форму струму, споживаного ПЧ із мережі?

3.За якої вихідної частоти ПЧ з амплітудною модуляцією споживання ним реактивної енергії з мережі максимальне?

4.Чим обумовлене значення коефіцієнту потужності некерованого випрямляча, менше від одиниці?

5.Як змінюється цей коефіцієнт зі збільшенням навантаження випрямляча?

6.З якою метою на вході вхідного некерованого випрямляча вмикають реактори?

7.Що є причиною великого пускового струму під час вмикання ПЧ?

8.Яким чином коректор коефіцієнту потужності забезпечує поліпшення форми струму, споживаного випрямлячем?

9.Як вхідний струм активного випрямляча має бути сфазованим відносно ЕРС мережі, щоб остання не завантажувалася реактивними струмами?

10.Скільки ключів одночасно відкрито у двоступеневому ПЧ, побудованому на основі трифазних мостових випрямляча та АІС?

11.Що є причиною виникнення великих аварійних струмів після короткого замикання в АІН?

12.Чому в електроприводі поліпшення форми вихідного струму АІН з амплітудною модуляцією за допомогою вихідних (синусних) фільтрів неефективне?

13.Як змінюються середні струми тиристорів та діодів АІН зі збільшенням кута навантаження?

14.Запишіть рівняння балансу потужностей трифазного автономного інвертора.

15.Як потрібна ємність конденсатора в колі постійного струму АІН із ШІМ змінюється зі збільшенням частоти модуляції?

16.Яка найбільш поширена схема силового кола сучасних ПЧ?

17.Чим обумовлені коливання напруги на конденсаторі в схемі рис. 5.13?

Відповіді:

1: гальмівний резистор у колі постійного струму, ведений мережею інвертор на вході, активний вхідний випрямляч, АІН у режимі переривника постійного струму для динамічного гальмування; 2: коефіцієнти викривлень та гармонік струму; 3: за мінімальної; 4: наявністю в ланці постійного струму ємнісного фільтру та паузами випрямленого струму; 5: зростає; 6: для поліпшення форми вхідного струму, обмеження струмів КЗ та пускових струмів, захист випрямляча від перенапруг із боку мережі та перекосу фаз у ній; 7: наявність великої єм-

244

ності на виході випрямляча; 8: шляхом формування випрямленого струму тієї ж форми, що й випрямлена напруга; 9: у випрямному режимі синфазно, у режимі інвертора – у протифазі; 10: 4; 11: наявність великої ємності в ланці постійного струму; 12: оскільки частоти вищих гармонік пропорційні вихідній частоті, яка в електроприводі повинна змінюватися; 13: струм транзисторів зменшується, діодів – зростає; 14: рівняння (5.1); 15: зменшується; 16: некерований вхідний випрямляч та трифазний АІН із ШІМ; 17: пульсаціями його середнього струму.

Вправи

1. Розрахуйте мінімальну ємність фільтру, необхідну для обмеження коливань

2.ПЧ з амплітудною модуляцією (=180) живиться від мережі змінного струму з лінійною напругою U л =380 В через трифазний мостовий випрямляч та

вхідний реактор. Від АІН живиться асинхронний двигун із номінальною частотою 50 Гц. У режимі холостого ходу його струм I х =20 А, а cos x =0,1.

ПЧ здійснює регулювання вихідної частоти таким чином, що найвища вихідна напруга відповідає куту керування вхідного випрямляча =0 і номінальній частоті АД, найнижча – куту =70, а відношення U f const . Індуктивність фази реактора Lр =0,01 Гн. Розрахувати індуктивність дроселя в ко-

лі постійного струму, яка забезпечує безперервний випрямлений струм у режимі холостого ходу АД на найнижчій швидкості, а також ємність конден-

сатора. (Відповідь: 0,0329 Гн та 7860 мкФ).

Висновки

У результаті опрацювання даного розділу студент повинен:

знати:

принципи утилізації гальмівної енергії в електроприводах із ПЧ;

особливості вхідного випрямляча як споживача електроенергії;

способи підвищення енергетичних показників та поліпшення форми вихідних напруги та струму перетворювачів частоти;

способи обмеження зарядного струму силового конденсаторного фільтра та придушення електромагнітних завад;

схеми та принцип дії активних вхідних випрямлячів та коректорів коефіцієнту потужності;

принципи вибору елементів силового кола ПЧ;

засоби захисту ПЧ від аварійних режимів;

структурні та експлуатаційні особливості сучасних ПЧ для електроприводів;

уміти:

розрахувати параметри гальмівного резистора у колі постійного струму ПЧ;

порівняти способи поліпшення енергетичних показників та форми його вихідних напруги та струму;

вибирати елементи силового кола дволанкового ПЧ.

245

третини періоду їх зміни. Частіше використовується варіант цієї схеми без нульового проводу. Схему рис. 6.3 у разі застосування цілком керованих ключів іноді називають також матричним перетворювачем.

Мостовий трифазно-трифазний БПЧ зі спільним живленням мостів та потенційно зв’язаними фазами навантаження зображений на рис. 6.4. Як і у

247

249