Управление напряжением и частотой, подаваемыми на двигатель, используется для регулирования скорости асинхронных двигателей переменного тока.
Система частотно-регулируемого привода состоит из трехфазного двигателя, частотного преобразователя и системы управления. Двигатель обычно представляет собой стандартный трехфазную асинхронную электрическую машину с короткозамкнутым якорем на номинальное напряжение 230 или 400 В частотой 50 Гц.
Частотный преобразователь представляет собой электронное устройство, которое может питаться от однофазной сети 230 В или трехфазной сети 400 В частотой 50 Гц. Этот блок регулирует выходное напряжение и выходную частоту в постоянном соотношении в соответствии с заданной характеристикой управления двигателем.
Частотный преобразователь обеспечивает пуск, останов и регулирование скорости двигателя. Это управление может осуществляться вручную с помощью клавиатуры управления или через аналоговые и цифровые входы. В полностью автоматизированных приложениях для переключения может использоваться связь через одну из стандартных полевых шин.
Защита двигателя
В соответствии с действующими стандартами должна быть обеспечена защита двигателя от перегрузки.
Современные частотные преобразователи оснащены электронной схемой защиты с обратной характеристикой или с характеристикой I2t, соответствующей стандартному тепловому реле перегрузки.
Для защиты двигателей, работающих с нагрузкой с постоянным крутящим моментом, минимальная скорость должна быть установлена таким образом, чтобы они не перегревались на малых скоростях.
Наилучший способ защитить двигатели переменного тока от перегрева — это прямое считывание температуры с помощью термоконтакта или термисторов, вставленных в обмотку двигателя.
Термоконтакты представляются более выгодными из-за возможности прямого подключения к частотному преобразователю. Для подключения термисторов обычно требуется использование специального измерительного реле или дополнительного модуля частотного преобразователя.
Прямая защита от перегрева предпочтительнее защиты с помощью устройства от перегрузки по току, поскольку двигатель может перегреваться даже при нормальных рабочих токах на низких рабочих скоростях.
Подшипники двигателя
Высокие частоты переключения широтно-импульсной модуляции, используемые в современных частотных преобразователях, могут вызвать нежелательное протекание тока в подшипниках двигателя. Это явление вызвано емкостной связью вала двигателя. Результирующий ток может повредить подшипники при длительной эксплуатации.
К эффективным методам снижения вероятности этого повреждения относятся:
- использование двигателя с более низким напряжением питания (например, 230 В вместо 400 В),
- работа частотного преобразователя на минимально возможных несущих частотах, отвечающих шумовым и тепловым требованиям,
- заземление вала двигателя с помощью щетки (ток не проходит через подшипники, а проводится с помощью щетки),
- использование двигателя с изолированными подшипниками (остерегайтесь других неизолированных подшипников в механической системе, которые могут быть связаны с валом токопроводящим образом и могут быть повреждены вместо подшипников двигателя),
- использование непроводящего соединения системы механической нагрузки или другого оборудования, которое может быть разрушено током от подшипников,
- надлежащее заземление частотного преобразователя в соответствии с инструкциями в руководстве по установке,
- использование фильтра, снижающего напряжение (высокая частота коммутации также может привести к большим пикам напряжения на клеммах двигателя).
Проблемы dU/dt на выходе инвертора
В широтно-импульсной модуляции используются быстродействующие полупроводниковые устройства, известные как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), для создания импульсов, подходящих для управления выходным напряжением и частотой.
Включение и выключение этих транзисторов происходит очень быстро и приводит к высокому уровню dU/dt, что в сочетании с длинной линией питания вызывает большие скачки напряжения на клеммах двигателя, которые могут приветси к повреждению изоляции двигателя.
Производители двигателей могут предоставить информацию о максимальном напряжении изоляции и соотношении dU/dt. Дроссели двигателя или фильтры dU/dt рекомендуются для установок с длинными кабелями двигателя.
Торможение и рекуперация
В случае запроса на снижение скорости двигателя или превышения скорости нагрузки (инерция нагрузки противодействует тормозному моменту)частотные преобразователи развивают тормозной момент.
Когда двигатель создает тормозной момент, он действует как генератор напряжения. Это означает, что двигатель получает энергию (механическую) от своей нагрузки и возвращает ее в виде электрической энергии обратно в источник питания.
Если инвертор получает энергию, генерируемую двигателем, эта энергия проявляется как ток в звене постоянного тока с обратным знаком. Поскольку стандартный входной выпрямитель привода не может работать с обратным током, этот ток заряжает конденсаторы звена постоянного тока.
Этот зарядный ток вызывает повышение напряжения в звене постоянного тока, поэтому частотные преобразователи оснащены функциями измерения напряжения в звене постоянного тока и защитой от перенапряжения. Если эту зарядку не ограничить, перенапряжение в звене постоянного тока может вывести из строя весь частотный преобразователь.
Еще одним уровнем защиты привода является схема ограничения рекуперации. С помощью этой схемы управление двигателем во время рекуперации может быть ограничено, что предотвращает отказ инвертора из-за перенапряжения.
Если повышение напряжения в звене постоянного тока вызвано замедлением нагрузки, система управления приводом определяет соответствующую скорость торможения по запрограммированной рампе, чтобы не было превышено максимальное напряжение в звене постоянного тока.
Если рекуперация вызвана перегрузкой двигателя, инвертор двигателя позволяет увеличить скорость выше установленного значения, чтобы инвертор не был поврежден.
Ограничение рекуперации защищает двигатель от увеличения тормозного момента выше значения, соответствующего нормальным электрическим потерям двигателя и частотного преобразователя.
Если привод оснащен цепью динамического торможения, двигатель может развивать более высокий тормозной момент, а рекуперированная энергия торможения используется в тормозном резисторе.
Полностью рекуперативные частотные преобразователи предназначены для очень требовательных приложений, которые могут возвращать энергию, вырабатываемую при торможении, обратно в сеть благодаря активному выпрямителю.
IR-компенсация
Частотные преобразователи с управлением соотношением V/f могут обеспечить лучшую устойчивость к крутящему моменту и перегрузке на низких скоростях, если повышение напряжения на низких скоростях контролируется автоматически. Эта функция называется IR-компенсацией.
Без этой компенсации очень сложно добиться максимально возможного крутящего момента двигателя при малой нагрузке. Без этой компенсации необходимое увеличение напряжения для максимального крутящего момента приведет к насыщению двигателя и слишком большому току, протекающему через двигатель.
Цепи компенсации IR контролируют нагрузку двигателя и автоматически регулируют рост напряжения при низкой нагрузке.
Управление магнитным потоком двигателя переменного тока позволяет достичь аналогичного результата, изменяя его мгновенное напряжение и частоту так, чтобы двигатель развивал требуемый крутящий момент по отношению к нагрузке.
Шум
В некоторых установках необходимо уменьшить шум, создаваемый двигателем, управляемым частотным преобразователем. В промышленной среде это увеличение шума практически незначительно и не требует устранения. В офисной среде, особенно в системах воздухораспределения, необходимо решать вопросы повышенного шума.
Повышенный шум вызван тем, что двигатель питается с помощью широтно-импульсной модуляции. Шум также может быть вызван резонансными частотами, которые могут возникать в разных местах при определенных условиях эксплуатации.
Использование несущих частот выше 6 кГц может снизить уровень шума двигателя до уровня, сравнимого с прямым подключением двигателя к сети.
Шум двигателя также можно уменьшить, добавив выходной дроссель двигателя, который сглаживает выходное напряжение, уменьшая влияние привода на шум двигателя.
Третьим вариантом, ведущим к снижению шума, является уменьшение выходного напряжения преобразователя частоты. Если двигатель нагружен не полностью, снижение напряжения питания уменьшит магнитный поток в воздушном зазоре, что снизит уровень шума.
Смотрите также:
Входные и выходные фильтры для частотного преобразователя
Четыре тенденции в управлении приводом
Современные энергоэффективные электроприводы - тенденции и перспективы