Преобразователи частоты в промышленной автоматизации

Сегодня преобразователи частоты широко используются в приводах асинхронных двигателей, обеспечивая плавное регулирование скорости вращения вала двигателя.

В настоящее время трудно представить привод с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором (SK) или синхронным двигателем с постоянными магнитами (PMSM) без использования преобразователя частоты (другими словами: инвертора, преобразователя частоты или инвертора).

Преобразователи частоты

Синхронные двигатели (например, PMSM) со специализированными преобразователями частоты (сервоприводами) в настоящее время используются в робототехнике и в бытовых целях на примере https://smartprivod.ru/ уменьшении стоимости электроэнергии. Промышленные роботы характеризуются высокой динамикой движения, точно определенным числом оборотов вала двигателя, часто с определением углового положения вала двигателя в состоянии покоя.

Двигатели PMSM в стандартной комплектации оснащены инкрементальными или абсолютными энкодерами для обеспечения точного управления скоростью или углового положения вала. Уже известны решения приводов с синхронными двигателями большой мощности, однако они пока не используются в качестве замены асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, несмотря на их высокий КПД и отсутствие потребления реактивной мощности.

В статье рассматриваются перспективные свойства промышленных преобразователей частоты с двухуровневыми инверторами напряжения с широтно-импульсной модуляцией фазных напряжений (широтно-импульсная модуляция), которые используются в приводах асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Приводы с одиночными двигателями, питаемыми от преобразователя частоты, обычно не представляют трудностей при использовании в типичных промышленных приложениях.

Связанные с этим вопросы являются проблематичными: прием несинусоидального тока от силового трансформатора, межфазные (VDM) и заземляющие помехи (VCM) после инвертора, питание двигателя, погруженного в воду или размещенного во взрывоопасной зоне, взаимодействие преобразователя частоты с сетевым трансформатором IT, использование дополнительной защиты в виде устройства защитного отключения. Свойства преобразователей частоты также будут обсуждаться с точки зрения их выбора для многодвигательных приводов, например жесткого барабанного привода с несколькими двигателями или многодвигательного привода нескольких барабанов, соединенных гибкой муфтой.

Типы приводных преобразователей частоты

Преобразователи частоты напряжения — это основной силовой электронный преобразователь, используемый в автоматических приводах машин. Их основная задача — преобразовать переменное напряжение промышленной электросети в трехфазное переменное напряжение с частотой и действующим значением, адаптированными к потребностям двигателя.
В приводе двигатель должен достичь скорости вращения в течение заданного времени и генерировать желаемый крутящий момент, увеличивая эффективность этого процесса. Для повышения производительности двигателя и динамики в преобразователях частоты привода используются векторные модели управления двигателем (VVC, FVC, DTC), которые в реальном времени позволяют устанавливать оптимальные параметры напряжения для данного привода.

Модели управления двигателем, используемые в программном обеспечении преобразователя частоты, должны обеспечивать быстрое определение параметров напряжения двигателя на основе фактических фазных токов и скорости вращения вала. Скорость вращения двигателя может быть измерена напрямую, например, с помощью энкодеров (прямая связь по скорости), или определена косвенно с помощью устройств оценки скорости (косвенная связь по скорости).

Управление двигателями с помощью преобразователей частоты с использованием векторных моделей с прямым измерением скорости вала двигателя позволяет создавать приводы с высокоточным управлением скоростью приводного вала. Точность стабилизации частоты вращения вала двигателя при ступенчатом изменении момента нагрузки вала асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в диапазоне (0–100%) Mn в зависимости от используемой модели двигателя. Он показывает, что преобразователи частоты со скалярным управлением и компенсацией скольжения достигают точности стабилизации скорости на 1%. Скалярные преобразователи используются в насосах, вентиляторах и приводах с двигателями, запускаемыми при нагрузке до 50% Mn,
Преобразователи частоты приводов постоянно развиваются.

С одной стороны, есть управляемые силовые элементы, которые работают в двух состояниях с более высокими запирающими напряжениями и кондуктивными токами (например, транзисторы HVIGBT), а с другой стороны, идет постоянное развитие программного обеспечения, использующего все более и более сложные алгоритмы управления для специализированных типов приводов, например, многодвигательных приводов ведущего типа (настройка двигателя и ведомого двигателя).
После 2000 года преобразователи частоты привода были усовершенствованы функцией установки задания крутящего момента.

В этом режиме работы привод стремится работать с заданным моментом нагрузки.
Скорость вала двигателя изменяется автоматически в определенных пределах — установленной минимальной и максимальной скорости — если фактический момент нагрузки вала соответственно выше или ниже заданного задания.
Приводы с преобразователями частоты (DTC, FVC) могут запускаться с номинальной нагрузкой на вал двигателя, включая низкоскоростные двигатели (например, 4 пары полюсов) и медные сепараторы (двигатели с увеличенным пусковым моментом по сравнению с двигателями с алюминиевым корпусом).

Выше показан график зависимости времени стабилизации крутящего момента двигателя в зависимости от изменения задания (% Mn) в преобразователях частоты. Показано, что преобразователи частоты с векторным управлением и магнитным потоком (FVC), прямым измерением скорости вала двигателя (например, с помощью энкодера) будут устанавливать соответствующие ток и напряжение двигателя в течение 1 мс, с пошаговым изменением задания крутящего момента от нуля до 100% Mn.
В статье говорится о преобразователи частоты с инверторами тока, поскольку они иногда используются в промышленных приводах, а формирование синусоидальных токов инвертора является сложной проблемой и требует отдельного обсуждения.

Свойства преобразователей частоты и КПД приводов

Преобразователи частоты с усовершенствованными алгоритмами управления приводом используют функции, которые максимально повышают эффективность как преобразователей, так и двигателя. Устройства с двухуровневыми инверторами напряжения в настоящее время используются для приводов с асинхронными двигателями малой и большой мощности. В преобразователях реализован алгоритм, реализованный производителем для переключения IGBT инвертора для генерации переменного напряжения (тип широтно-импульсной модуляции). Например, прерывистая модуляция MSI60 (согласно Danfoss) снижает динамические (коммутационные) потери инверторных IGBT на 1/3 по сравнению с непрерывной модуляцией MSI.

Преобразователи частоты — управление приводом

Внутренняя связь между компонентами силовой цепи преобразователя частоты и его цепями управления и защиты осуществляется с помощью протоколов обмена двоичными данными. Специализированный сигнальный процессор (DSP), например TMS320F2812, обрабатывает внешние сигналы управления и защиты, а также управляет работой модулятора MSI в соответствии с принятой моделью векторного управления двигателем.
Стандартный внешний протокол связи, используемый для обмена данными с программными контроллерами ПЛК, — RS485.

Последовательная связь RS485 (Modbus) позволяет построить распределенную систему привода, в которой последовательные преобразователи частоты соединяются друг с другом двухжильным сигнальным кабелем (экранированная витая пара) длиной до 1200 м.
Если требования приложения требуют использования других протоколов для проводной связи с устройствами ПЛК (например, Profibus), они обычно доступны как опции. Для управления многодвигательными приводами, в которых каждый двигатель приводится в действие отдельным преобразователем частоты, но все они работают на общем гибком или жестком приводном валу, используется конфигурация «главный-подчиненный».

Главный преобразователь частоты управляется скоростью, т. Е. Заданием скорости. Скорость вращения двигателя, подключенного к преобразователю, установленная контроллером ПЛК, определяет среднюю скорость многодвигательного привода, например, передних барабанов ленточного конвейера с регулируемой скоростью ленты (в шахте бурого угля), трубчатого окорочного станка (на бумажной фабрике) или опрокидывателя вагонов (на электростанции). Все остальные преобразователи частоты группового привода предназначены для ведомых двигателей и работают в режиме крутящего момента, в котором моменты нагрузки всех двигателей уравниваются.

Опорный крутящий момент для подчиненных преобразователей частоты задается главным преобразователем частоты. Скорость вращения ведомых двигателей варьируется в пределах заданного диапазона в зависимости от гибкости и эластичности общего приводного вала машины. Описанная конфигурация ведущий-ведомый реализована с использованием современных преобразователей с развитым внутренним программным обеспечением, адаптированным для управления многомоторными агрегатами.