8.4. Электромагнитная совместимость системы “сеть - преобразователь частоты – асинхронный двигатель” при импульсной модуляции

Электропривод, являясь энергосиловой основой современного производства, потребляет около 60% всей вырабатываемой электроэнергии. Анализ структуры потерь в сфере производства, распределения и потребления электроэнергии показывает, что определяющая потерь (до 90%) приходится на сферу потребления. Большая часть электроэнергии потребляется электроприводами на основе повсеместно используемых асинхронных электродвигателей (АД) с короткозамкнутым ротором, для которых основным направлением энергосбережения является переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому. Выдающиеся успехи силовой электроники и микроэлектроники обусловили появление в последние годы на мировом и отечественном рынках весьма совершенные и доступные электронные преобразователи электрической энергии.

Выбор типа преобразователя для частотно-регулируемого привода связан, в первую очередь, с решением задачи компенсации реактивной мощности нагрузки для исключения перенапряжений при мгновенной коммутации тока с фазы на фазу двигателя. В автономном инверторе тока (АИТ) такие конденсаторы находятся на стороне нагрузки (на стороне переменного тока). Как любые токовые источники подобного типа они содержали в звене постоянного тока дроссель большой индуктивности, работающий как фильтр. Схемная модификация первых АИТ, в которых компенсирующие конденсаторы через мост обратных диодов были вынесены на сторону постоянного тока, получила в дальнейшем название автономного инвертора напряжения (АИН), поскольку, оказавшись на входе инвертора, конденсаторы стали одновременно играть роль С-фильтра, придав такому инвертору свойства источника напряжения. На протяжении нескольких десятилетий именно вид входного фильтра являлся основным классификационным признаком АИТ и АИН, поскольку в обеих схемах использовались обычные тиристоры. Не принципиальным оказалось и различие в форме выходного напряжения и тока в двух схемах. Полностью согласуясь с принципом дуальности, на статор двигателя с выхода АИТ поступало практически синусоидальное напряжение и ступенчато-прямоугольный ток, а с выхода АИН - ступенчато-прямоугольное напряжение и квазисинусоидальный ток. В обоих случаях форма напряжения была приемлемой для серийного двигателя, рассчитанного на «чистую» синусоиду. Что же касается формы тока, то состав высших гармоник на выходе АИН существенно хуже, чем на выходе АИТ, что вызывало на практике необходимость выбирать двигатель, питающийся от АИН, на 1-2 ступени больше по мощности для исключения перегрева обмоток статора. Пути улучшения гармонического состава выходного тока АИН были очевидны - это методы широтно-импульсной модуляции (ШИМ), прекрасно разработанные в теории, но плохо реализуемые на практике из-за отсутствия совершенных полностью управляемых приборов. Первым таким прибором стал IGВТ, соединивший в себе достоинства биполярного и полевого транзисторов. При этом разработчики преобразовательных схем прекрасно понимали, что конечной целью их работы является достижение электромагнитной совместимости преобразователя и двигателя. Казалось, IGВТ -инвертор напряжения с ШИМ-управлением полностью решает эту задачу и «закрывает научный поиск» в области преобразователей частоты. Однако диалектика практического внедрения IGВТ -инверторов оказалась сложнее. Методы управления с ШИМ, оказав благотворное влияние на выходной ток АИН и приблизив его к синусоиде, одновременно превратили ранее «безболезненную» для двигателя прямоугольную форму выходного напряжения в серию прямоугольных импульсов, следующих с высокой частотой и имеющих передний фронт высокой крутизны. Крайне негативное воздействие напряжения такой формы на изоляцию двигателя усугубляется проблемой «длинного кабеля». Наличие кабеля между преобразователем и двигателем приводит к тому, что на выводы двигателя поступает напряжение с пиками на фронтах, превышающими выходное напряжение инвертора, что также недопустимо для изоляции двигателя. Данные обстоятельства, вполне очевидные для любого разработчика электрических машин, в течение длительного времени «не рекламировались» потребителю. Этому имелось несколько причин. Во-первых, влияние на изоляцию двигателя имело временной характер, т.е. снижался срок службы двигателя, а пробой наблюдался не сразу, а через 3-5 лет эксплуатации. Во-вторых, первые IGВТ -инверторы небольшой мощности часто можно было расположить близко к двигателю и свести к минимуму проблему длинной линии. В-третьих, очевидное средство улучшения качества выходного напряжения - LС или RLС выходной фильтр хоть и являлся инородным элементом между преобразователем и двигателем, но для приборов малой мощности имел относительно небольшие размеры.

Обратимся еще раз к классификационным признакам АИТ и АИН. Сегодня в любой рекламе под термином «IGВТ - инвертор» понимается инвертор напряжения, что теоретически неверно. При определенных схемных условиях АИТ также может быть построен на IGВТ (как и входной выпрямитель), а такой полностью управляемый прибор как GТО- тиристор, ранее бывший «приметой» инверторов напряжения, идеально (благодаря наличию обратной блокирующей способности) подходит к схемам АИТ. Таким образом, наличие IGВТ, как и любого другого одно- или двухоперационного прибора не может являться классификационным признаком АИТ или АИН.

Все известные типы двухзвенных преобразователей частоты при прочих равных потребительских характеристиках (габаритные размеры, масса, цена, надежность, простота обслуживания) следует сравнивать по трем основным критериям: электромагнитная совместимость с двигателем, электромагнитная совместимость с питающей сетью, элементная база силовой части собственно преобразователя.

Электромагнитная совместимость ПЧ с двигателем

Наибольшее распространение получили регулируемые электроприводы на базе преобразователей частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока, формирование выходных сигналов которых осуществляется методами импульсной прямоугольной формы одинаковой амплитуды, но разной длительности, полезная составляющая которой имеет форму синусоиды заданной частоты и амплитуды.

Крутизна фронта импульсов определяется скоростью переключения силовых ключей автономных инверторов напряжения (рис. 1) и при использовании различных полупроводниковых приборов составляет: однооперационные тиристоры SCR – (4 – 10) мкс; запираемые тиристоры GTO – (2 – 4) мкс; силовые биполярные тиристоры GTR – (0,5 – 2) мкс; транзисторы IGBT – (0,05 – 0,1) мкс.

Рис.8.32. Выходное напряжение АИН с ШИМ

Существенно более высокое быстродействие IGBT – транзисторов, являющееся преимуществом для реализации высокочастотной ШИМ и минимизации потерь энергии в АИН и АД, негативно проявляется в протекании переходных процессов в цепи АИН – соединительный кабель – АД на интервалах времени фронта (рис.8.32) [1]. В этом случае согласно теории цепей [4,7] кабель следует рассматривать как однородную длинную линию с распределенными параметрами, элементарный участок которой показан на рис. 8.33. Ввиду относительной малости последовательным активным сопротивлением и параллельной активной проводимостьюучастка линии можно пренебречь.

Рис.8.33. Цепь соединения АИН с АД (эквивалентная схема элементарного

участка кабеля)

Прохождение импульсного сигнала с крутым фронтом вызывает волновые процессы в кабеле, приводящие к появлению перенапряжений на зажимах двигателя (рис. 3). Волновое сопротивление кабеля при этом определяется последовательной индуктивностьюи параллельной емкостьюучастка линии:

Значение параметров изависят от типа, конструкции и сечения кабеля (кабельной линии).

Рис.8.34. Напряжение на зажимах АД при подключении «длинным кабелем».

Для широкого ассортимента монтажных проводов и кабелей усредненные значения этих параметров составляют

=1 мкГн/м; =50 пФ/м. При этом=140 Ом.

Можно с большой степенью достоверности принять Ом для всех применяемых в электроприводах монтажных проводов и кабелей.

Входное сопротивление кабеля представлено выходным сопротивлением полупроводниковых вентилей и внутреннимсопротивлением конденсаторов (с малой индуктивностью) входного фильтра и являются относительно малой величиной, которой можно пренебречь.

Выходным сопротивлением кабеля является относительно большое для высокочастотного сигнала входное сопротивление АД, определяемое индуктивностью рассеянияL его обмоток и эквивалентной частотой фронта импульса напряжения, поэтому

.

Ориентировочный расчет для АД на напряжение 0,4 кВ в диапазоне мощностей от 10 до 400 кВт при=0,1 мкс дает следующие результаты: для АД мощностью 10 кВт=30 кОм, для АД мощностью 400 кВт=800 Ом.

В связи с этим при прохождении крутого фронта импульса напряжения входная часть силового монтажного кабеля электропривода (со стороны АИН) работает в режиме короткого замыкания, выходная часть кабеля (на зажимах асинхронного двигателя) – в режиме холостого хода. С учетом значений параметров волновые характеристики монтажных проводов и кабелей приближаются к характеристикам линии без искажений и потерь

В такой линии скорость распространения высокочастотной волны (в нашем случае фронта импульса) определяется выражением

и равна примерно половине скорости света в вакууме. Для приведенных выше параметров и

Этой скорости соответствует длина волны

Время прохождения фронта импульса от выхода АИН к зажимам АД определяется длинойкабеля

.

Если это время больше или равно времени фронта , то в конце кабеля из – за его несогласованности с нагрузкойвозникает отраженная волна напряжениякоторая суммируется с падающей (прямой) волной напряженияобразуя стоячие волны.

В результате на зажимах АД образуется напряжение

где 0<1 –коэффициент отражения.

Максимальное значение

и напряжение на зажимах удваивается.

Возвращаясь к началу кабеля отраженная волна гасится входным сопротивлением Поэтому напряжениена зажимах АИН не изменяется.

При коэффициент отражениярассчитывается по формуле

Таким образом, от длины волны зависит критическая длина кабеля. Кабель, длина которого соизмерима с длиной волны, считается «длинным кабелем». Критической считается длина кабеля, равная половине длины волны, при которой к обмоткам АД прикладываются импульсы напряжения, близкие к двойному напряжению.

В работах [2,3] показано, что распространение волны напряжения, поступающей на зажимы АД носит характер затухающих колебаний.

Распространение волны напряжения внутри обмотки сопровождается сложными электромагнитными явлениями. В первую очередь это обусловлено сильными электромагнитными связями между проводниками, расположенными в одном пазу. Поэтому, как только импульс начинает распространяться по первому витку первой катушки, на остальных витках появляется индуцированное напряжение. Распространение волны также сопровождается явлениями отражения и преломления при переходе с катушки на катушку, отражениями от конца и начала обмотки. В результате многочисленных отражений и преломлений волна, проникающая в глубь обмотки, деформируется. Деформация волны происходит также из–за потерь энергии.

Поэтому при волновых процессах обмотку АД можно рассматривать как длинную линию, которая замещается цепной П – образной схемой (рис.8.35). В трехфазных обмотках допустимо рассмотрение каждой фазы в отдельности ввиду незначительных индуктивных и емкостных связей. Каждое звено этой схемы должно соответствовать одной секции обмотки фазы. Цепная схема считается однородной.

Рис. 8.35. Схема замещения одного звена обмотки АД при волновых процессах

Параметры схемы замещения по рис.4: L – индуктивное сопротивление катушки; R – активное сопротивление катушки; K – продольная емкость катушки, т. е. частичная емкость между ее первыми и последними витками вдоль обмотки; C – поперечная емкость катушки, т. е. частичная емкость ее проводников относительно корпуса; G – активная проводимость, эквивалентная диэлектрическим потерям в корпусной изоляции.

В качестве индуктивности L принимается эквивалентная величина, учитывающая как собственную, так и взаимную индуктивность одного звена. Активное сопротивление секции R эквивалентно потерям в стали на вихревые токи и потерям в проводниках обмотки с учетом поверхностного эффекта. Потери на гистерезис составляют 3 – 4 % от потерь на вихревые токи и ими можно пренебречь. Такие параметры схемы замещения как L, R и G существенно зависят от фронта волны или эквивалентной частоты.

Волновые процессы наиболее опасны для изоляции обмотки АД, так как в ней возникают значительные перенапряжения (до 1000 В при номинальном напряжении 400 В). При быстром нарастании напряженности электрического поля на фронте волны в изоляции машины возникают заметные диэлектрические потери.

Увеличение несущей частоты ШИМ с целью улучшения энергетических показателей преобразователей частоты и приближения полезной составляющей выходного напряжения преобразователя к синусоиде, также приводит к повышению вероятности возникновения перенапряжений и увеличению диэлектрических потерь. В результате этих процессов, к сожалению с большим опозданием, получен весьма печальный результат, когда срок службы изоляции АД сократился до 3 - 4 лет [5].

Электромагнитная совместимость с питающей сетью

Обратимся к вопросам электромагнитной совместимости ПЧ с АИТ и ПЧ с АИН с питающей сетью. При этом различаем два самостоятельных вопроса: высшие гармоники, генерируемые преобразователем в сеть (коэффициент искажений) и потребляемая из сети реактивная мощность (фактор «»). В ПЧ с АИТ сетевой преобразователь представляет собой управляемый (тиристорный) выпрямитель, работающий на сглаживающий дроссель большой индуктивности (рис.8.36). В ПЧ с АИН сетевой преобразователь - это неуправляемый (диодный) выпрямитель, работающий на емкостный фильтр (рис.8.37). Высшие гармоники тока, генерируемые сетевым выпрямителем ПЧ с АИТ в питающую сеть, относительно невелики, поскольку ступенчато-прямоугольная форма входного тока обеспечивает реальный коэффициент не ниже 0,96-0,97. При правильном выборе согласующего трансформатора в мощных преобразователях или при установке входного реактора в преобразователях средней мощности коэффициент искажения напряжения в точке подключения без дополнительных мероприятий не превышает нормируемое значение 5%.

Иная картина при работе ПЧ с АИН. Форма сетевого тока такого преобразователя в общем случае представляет несколько синусоидальных импульсов, возникающих при заряде емкости фильтра.

Гармонический состав такого тока крайне неблагоприятен. Для его улучшения необходимо устанавливать реакторы и на вход выпрямителя, и в звено постоянного тока (LС - фильтр), причем сводить всю индуктивность только в одно место схемы не рекомендуется, так как при этом ухудшаются другие характеристики выпрямителя (либо , либо коэффициент искажений напряжения).

Рис. 8.36. Схема преобразователя частоты с автономным инвертором тока

На рисунке 8.36 приняты обозначения: 1 – сетевой реактор или индуктивность согласующего трансформатора; 2 - фильтрокомпенсирующее устройство; 3 – управляемый выпрямитель; 4 – дроссель; 5 – автономный инвертор тока; 6- емкость 7- двигатель.

П

5

6

о вопросу потребления реактивной мощности картина достоинств и недостатков ПЧ с АИТ и ПЧ с АИН зеркально меняется. В ПЧ с АИТ сетевой= 0,87-0,9 в номинальном режиме и ухудшается (снижается) пропорционально величине выходного напряжения инвертора. В ПЧ с АИН сетевой, как правило, не ниже значения 0,97. Улучшение сетевогодля ПЧ с АИТ в настоящее время решается путем установки на вход компенсирующих или фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ).

1

2

3

6

4

7

АД

9

8

Рис. 8.37. Схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения: 1 – выходной автоматический выключатель; 2 - входной трехфазный реактор; 3 - входной фильтр радиопомех; 4 – выпрямитель; 5 – сглаживающий дроссель фильтра; 6 – блок динамического торможения; 7 - автономный инвертор напряжения; 8 – выходной фильтр радиопомех; 9 - выходной фильтр напряжения двигателя

При этом для приводов с диапазоном регулирования 25-50 Гц удается выполнить ФКУ нерегулируемым с обеспечением во всем диапазоне на уровне 0,95-1,0.Такое ФКУ, решая одновременно задачу фильтрации 5, 7 и 11-й гармоник, оказывается весьма небольшим и недорогим благодаря использованию современных малогабаритных косинусных конденсаторов. Ряд западных фирм предлагает ПЧ с АИТ в комплекте со встроенными ФКУ.

Таким образом, ни ПЧ с АИТ, ни ПЧ с АИН в классическом варианте не обладают необходимой электромагнитной совместимостью и требуют установки дополнительных устройств, поставляемых как опции.

В главе 3 приведено описание регулируемого компенсированного выпрямителя с улучшенными энергетическими показателями, обладающего способностью работать без потребления реактивной мощности при любых углах управления.

При питании АИТ от управляемых компенсированных выпрямителей можно решить проблему электромагнитной совместимости с питающей сетью при значительном сокращении потерь активной энергии в питающей системе за счет отсутствия обмена реактивной мощностью между выпрямителем и сетью.

Элементная база

Третий критерий для сравнения ПЧ с АИТ и ПЧ с АИН - это элементная база силовой части, рано или поздно требуемая потребителю для замены вышедшей из строя. Три основных группы элементов - полупроводниковые элементы, конденсаторы и реакторное оборудование. В современных преобразователях на базе АИТ тиристоры и диоды подобно IGВТ выполняются в модульном исполнении. При этом реальная нагрузочная способность внешне сходных тиристорных и IGВТ - модулей резко отличается. IGВТ -транзистор имеет в 1,5 - 2 раза большее падение напряжения в открытом состоянии и значительные динамические потери при работе на высокой частоте (не менее 50% статических). В результате ПЧ с АИТ будет содержать в 3-4 раза меньше параллельных приборов в инверторе, чем ПЧ с АИН соответствующей мощности.

Необходимо отметить тот факт, что IGВТ - модули оснащаются импортными приборами, а современные тиристорные и диодные модули со специально разработанными для цепей АИТ быстродействующими структурами выпускаются российским производителем - АО «Электровыпрямитель», г. Саранск.

Как отмечалось выше, конденсаторы на стороне переменного тока в АИТ и конденсаторы фильтра в АИН выполняют одну и ту же роль - энергопоглощение. Однако, если в качестве таковых в АИТ могут быть применены обычные косинусные конденсаторы соответствующего напряжения, являющиеся продукцией массового производства и практически не имеющие ограничений по сроку службы, то в АИН для фильтра должны быть использованы специальные электролитические конденсаторы. Эти конденсаторы существенно более дорогие, чем косинусные. Данные конденсаторы имеют ограниченный срок службы (как правило, не более 5 лет) и не рекомендуются для длительного складского хранения.

Реакторное оборудование в АИТ и АИН - это реакторы звена постоянного тока и сетевые реакторы. Достаточно часто это оборудование является продукцией собственного производства. В России крупнейшим изготовителем реакторного оборудования был и остается Московский электрозавод (реакторы серий ФРОС, РТСТ и др.). Реакторы для мощных преобразователей частоты изготавливает также АО «Уралэлектротяжмаш».

Сопоставление двух основных типов преобразователей частоты показывает, что для мощных регулируемых электроприводов переменного тока в большинстве случаев более целесообразным оказывается применение ПЧ с АИТ. Это особенно актуально для отечественного потребителя, выполняющего модернизацию нерегулируемого электропривода и не имеющего возможности замены серийного двигателя на специальный IGВТ - совместимый.