Частотный преобразователь

Методы управления
Методы модуляции
Топология силовой части электрических преобразователей
- Инверторы напряжения
- Инверторы тока
- Прямые преобразователи

Согласно ГОСТ 23414-84 полупроводниковый преобразователь частоты — полупроводниковый преобразователь переменного тока, осуществляющий преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты

Частотный преобразователь — это устройство, используемое для того чтобы обеспечить непрерывное управление процессом. Обычно частотный преобразователь способен управлять скоростью и моментом асинхронных и/или синхронных двигателей.

Преобразователи частоты находят все более широкое применение в различных приложениях промышленности и транспорта. Благодаря развитию силовых полупроводниковых элементов, инверторы напряжения и инверторы тока с ШИМ управлением получают все более широкое распространение. Устройства, которые преобразуют постоянный сигнал в переменный, с желаемым напряжением и частотой, называются инверторами. Такое преобразование может быть осуществлено с помощью электронных ключей (BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO) и тиристоров в зависимости от задачи.

На данный момент основная часть всей производимой электрической энергии в мире используется для работы электрических двигателей. Преобразование электрической мощности в механическую мощность осуществляется с помощью электродвигателей мощностью от меньше ватта до нескольких десятков мегаватт.

максимальный КПД;
широкий диапазон плавной установки скорости вращения, момента, ускорения, угла и линейного положения;
быстрое удаление ошибок при изменении управляющих сигналов и/или помех;
максимальное использование мощности двигателя во время сниженного напряжения или тока;
надежность, интуитивное управление.

Конструкция частотного преобразователя

Основными элементами частотного преобразователя являются силовая часть (преобразователь электрической энергии) и управляющее устройство (контроллер). Современные частотные преобразователи обычно имеют модульную архитектуру, что позволяет расширять возможности устройства. Также зачастую имеется возможность установки дополнительных интерфейсных модулей и модулей расширения каналов ввода/вывода.

Методы управления

Инвертор напряжения

Двухуровневый инвертор напряжения
Трехуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой

Каскадный Н-мостовой преобразователь
Преобразователь с плавающими конденсаторами

Инвертор напряжения наиболее распространен среди силовых преобразователей.

Двухуровневый инвертор напряжения

Двухуровневый инвертор напряжения (two-level voltage-source inverter) – наиболее широко применяемая топология преобразователя энергии. Он состоит из конденсатора и двух силовых полупроводниковых ключей на фазу. Управляющий сигнал для верхнего и нижнего силовых ключей связан и генерирует только два возможных состояния выходного напряжения (нагрузка соединяется с положительной или отрицательной шиной источника постоянного напряжения).

Используя методы модуляции для генерирования управляющих импульсов возможно синтезировать выходное напряжение с желаемыми параметрами (формой, частотой, амплитудой). Из-за содержания высоких гармоник в выходном сигнале для генерирования синусоидальных токов выходной сигнал необходимо фильтровать, но так как данные преобразователи обычно имеют индуктивную нагрузку (электродвигатели) дополнительные фильтры используются только при необходимости.

Максимальное выходное напряжение определяется значением постоянного напряжения звена постоянного тока. Для эффективного управления мощной нагрузкой требуется высокое постоянное напряжение звена постоянного тока, но на практике это напряжение ограничено максимальным рабочим напряжением полупроводников. Для примера низковольтные IGBT транзисторы обеспечивают выходное напряжение до 690 В. Для того чтобы обойти данное ограничение по напряжению в последние десятилетия были разработаны схемы многоуровневых преобразователей. Данные преобразователи сложнее, чем двухуровневые в плане топологии, модуляции и управления, но при этом имеют лучшие показатели по мощности, надежности, габаритам, производительности и эффективности.

Трехуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой

В трехуровневом преобразователе с фиксированной нейтральной точкой (three-level neutral point clamped converter) постоянное напряжение делится поровну посредством двух конденсаторов, поэтому фаза может быть подключена к линии положительного напряжения (посредством включения двух верхних ключей), к средней точке (посредством включения двух центральных ключей) или к линии отрицательного напряжения (посредством включения двух нижних ключей). Каждому ключу в данном случае требуется блокировать только половину напряжения звена постоянного тока, тем самым позволяя увеличить мощность устройства, используя те же самые полупроводниковые ключи, как и в обычном двухуровневом преобразователе. В данном преобразователе обычно используются высоковольтные IGBT транзисторы и IGCT тиристоры.

Дисбаланс конденсаторов, создающий асимметрию в преобразователе. Данную проблему предлагается решать путем изменения метода модуляции.
Неравное распределение потерь из-за того, что потери на переключение внешних и центральных ключей отличаются в зависимости от режима работы. Данная проблема не может быть решена с использованием обычной схемы, поэтому была предложена измененная топология – активный преобразователь со связанной нейтральной точкой (active NPC). В этой схеме диоды заменены управляемыми ключами. Таким образом, выбирая соответствующую комбинацию ключей, возможно уменьшить и равномерно распределить потери.

Преобразователь с фиксированной нейтральной точкой может масштабироваться для достижения больше чем трех уровней выходного сигнала путем деления напряжения звена постоянного тока более чем на два значения посредством конденсаторов. Каждое из этих деленных напряжений может быть подключено к нагрузке с использованием расширенного набора ключей и ограничительных диодов. Вместе с увеличением мощности преимуществами многоуровневого преобразователя является лучшее качество электроэнергии, меньшее значение скорости нарастания напряжения (dv/dt) и связанных электромагнитных помех. Однако, когда преобразователь со связанной нейтральной точкой имеет более трех уровней, появляются другие проблемы. С точки зрения схемотехники в таком случае ограничительные диоды требуют более высокое максимальное рабочее напряжение чем основные ключи, что требует использования различных технологий или нескольких ограничительных диодов соединенных последовательно. В дополнение становится критическим неравномерное использование силовых элементов в схеме. В итоге из-за увеличения количества элементов снижается надежность. Приведенные недостатки ограничивают использование преобразователей с фиксированной нейтральной точкой с более чем тремя уровнями в промышленных приложениях.

Многоуровневые преобразователи

Каскадные преобразователи основанные на модульных силовых ячейках со схемой H-мост (cascaded H-bridge — CHB) и преобразователи с плавающими конденсаторами (flying capacitor converter) были предложены для обеспечения большего количества уровней выходного напряжения в сравнении с преобразователями с фиксированной нейтральной точкой.

Каскадный Н-мостовой преобразователь

Каскадный преобразователь — высоко модульный преобразователь, состоящий из нескольких однофазных инверторов, обычно называемыми силовыми ячейками, соединенными последовательно для формирования фазы. Каждая силовая ячейка выполнена на стандартных низковольтных компонентах, что обеспечивает их легкую и дешевую замену в случае выхода из строя.

Основным преимуществом данного преобразователя является использование только низковольтных компонентов, при этом он дает возможность управлять мощной нагрузкой среднего диапазона напряжения. Несмотря на то что частота коммутации в каждой ячейке низкая, эквивалентная частота коммутации приложенная к нагрузке – высокая, что уменьшает потери на переключение ключей, дает низкую скорость нарастания напряжения (dv/dt) и помогает избежать резонансов.

Преобразователь с плавающими конденсаторами

Выходное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами получается путем прямого соединения выхода фазы с положительной, отрицательной шиной или подключением через конденсаторы. Количество уровней выходных напряжений зависит от количества навесных конденсаторов и отношения между различными напряжениями.

Этот преобразователь, как и в случае каскадного преобразователя, также имеет модульную топологию, где каждая ячейка состоит из конденсатора и двух связанных ключей. Однако, в отличие от каскадного преобразователя добавление дополнительных силовых ключей к конденсаторному преобразователю не увеличивает номинальную мощность преобразователя, а только уменьшает скорость нарастания напряжения (dv/dt), улучшая коэффициент гармоник выходного сигнала. Как и у каскадного преобразователя, модульность уменьшает стоимость замены элементов, облегчает поддержку и позволяет реализовать отказоустойчивую работу.

Конденсаторный преобразователь требует только один источник постоянного тока для питания всех ячеек и фаз. Поэтому, можно обойтись без входного трансформатора, а количество ячеек может быть произвольно увеличено в зависимости от требуемой выходной мощности. Подобно преобразователю с фиксированной нейтральной точкой, этому преобразователю требуется специальный алгоритм управления для регулирования напряжения на конденсаторах.

Инвертор тока

Для работы инвертору тока всегда требуется управляемый выпрямитель, чтобы обеспечить постоянный ток в звене постоянного тока. В стандартной топологии обычно используются тиристорные выпрямители. Чтобы уменьшить помехи в нагрузке, в звене постоянного тока используется расщепленная индуктивность. Инвертор тока имеет схему силовых ключей наподобие инвертора напряжения, но в качестве силовых ключей используются тиристоры с интегрированным управлением (IGCT). Выходной ток имеет форму ШИМ и не может быть напрямую приложен к индуктивной нагрузке (электродвигателю), поэтому инвертор тока обязательно включает выходной емкостной фильтр, который сглаживает ток и выдает гладкое напряжение на нагрузку. Этот преобразователь может быть реализован для работы на средних напряжениях и более того он по природе имеет возможность рекуперации энергии.

Прямые преобразователи

Прямые преобразователи передают энергию прямо от входа к выходу без использования элементов накопления энергии. Основным преимуществом таких преобразователей является меньшие габариты. Недостатком – необходимость более сложной схемы управления.

Циклоконвертер относится к категории прямых преобразователей. Данный преобразователь широко использовался в приложениях требующих высокую мощность. Этот конвертер состоит из двойных тиристорных преобразователей на фазу, который может генерировать изменяемое постоянное напряжение, контролируемое таким образом, чтобы следовать опорному синусоидальному сигналу. Вход каждого преобразователя питается от фозосмещающего трансформатора, где устраняются гармоники входного тока низкого порядка. Выходное напряжение является результатом комбинации сегментов входного напряжения в котором основная гармоника следует за опорным сигналом. По своей природе данный преобразователь хорошо подходит для управления низкочастотными мощными нагрузками.

Матричный преобразователь в его прямой и непрямой версии также принадлежит к категории прямых преобразователей. Основной принцип работы прямого матричного преобразователя (direct matrix converter) — возможность соединения выходной фазы к любому из входных напряжений. Преобразователь состоит из девяти двунаправленных ключей, которые могут соединить любую входную фазу с любой выходной фазой, позволяя току течь в обоих направлениях. Для улучшения входного тока требуется индуктивно-емкостной фильтр второго порядка. Выход напрямую соединяется с индуктивной нагрузкой. Не все доступные комбинации ключей возможны, они ограничены только 27 правильными состояниями коммутации. Как говорилось ранее, основное преимущество матричных преобразователей — меньшие габариты, что важно для автомобильных и авиационных приложений.

Непрямой матричный преобразователь (indirect matrix converter) состоит из двунаправленного трехфазного выпрямителя, виртуального звена постоянного тока и трехфазного инвертора. Количество силовых полупроводников такое же как у прямых матричных преобразователей (если двунаправленный ключ рассматривается как два однонаправленных ключа), но количество возможных состояний включения отличается. Используя ту же самую конфигурацию непрямого матричного преобразователя, возможно упростить его топологию и уменьшить количество элементов ограничив его работу от положительного напряжения в виртуальном звене постоянного тока. Уменьшенная топология называется разреженный матричный преобразователь (sparse matrix converter).

Что такое частота коммутации двигателя

Выпуск энергосберегающих насосных станций

Сервисный центр

Продажа и ремонт преобразователей частоты и устройств плавного пуска.
Телефон горячей линии: +38 096 1111 628
E-mail: [email protected]

Главное меню

Главная
Артезіанські насосні станції
Сервис
Продукция Danfoss
Наша продукция
О нас
Наши статьи
Контакты

Преобразователи частоты

Перетворювачі частоти від сервісного центру
Диагностика и ремонт преобразователей частоты
Преобразователи частоты с низким уровнем гармоник
Преобразователи частоты вместо водонапорных башен
Перетворювачі частоти, яким довіряє світ
VLT® 2800
VLT® Micro Drive FC 51
VLT® HVAC Drive FC 102
VLT® AQUA Drive FC 202
VLT® Automation Drive FC 300
Преобразователь частоты VLT Micro Drive FC 51
Преобразователи частоты VLT 2800
Преобразователи частоты FC 202 – программирование
Преобразователи частоты и заземление
Преобразователи частоты и их «капризы»
Перетворювачі частоти – чому виходять з ладу?
Перетворювачі частоти і дистанційне управління
Ремонт перетворювачів Данфосс
Преобразователи частоты и ПИД-регулятор
Преобразователи частоты и электромагнитная совместимость
Преобразователи частоты и моторный кабель
Почему именно Danfoss ?
Гарантия на преобразователи частоты
Заявка на Ремонт

Устройства плавного пуска

Устройства плавного пуска
Які Пристрої Плавного Пуску кращі?!
VLT® Soft Starter MCD 100
VLT® Soft Starter MCD 200
VLT® Soft Starter MCD 500
MCD 500 – Запуск в работу. Практическое пособие
Устройства плавного пуска и байпас

Нестандартное оборудование

Источники sin-напряжения
Разряд мощных аккумуляторов
Электронные ЛАТРы
Диагностические устройства
Резонансный инвертор на IGBT
Матричные преобразователи частоты
Источники питания для мощных СВЧ магнетронов

Преобразователь частоты и выходное напряжение

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ И ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

Преобразователь частоты формирует выходное напряжение, которое имеет форму sin-модулированного широтно-импульсного сигнала, которое может вызвать повышенный шум двигателя. Чтобы уменьшить его — изменяют частоту коммутации, как правило, в сторону увеличения от заводской уставки, что ведет к улучшению формы тока. При этом КПД уменьшается приблизительно на 7% на каждый кГц над заводской уставкой за счет увеличения динамических потерь при переключении силовых IGBT-транзисторов. При увеличении частоты коммутации кроме уменьшения КПД, увеличиваются токи утечки, увеличивается уровень радиопомех, а при частотах > 10 кГц, в некоторых двигателях, появляется искрение на подшипниках.

Учитывая эти обстоятельства, компания Danfoss (Данфосс) разработала специальный режим коммутации силовыми ключами, при котором частота коммутации незначительно, случайно изменяется. Такой режим имеет название «Случайная частота ШИМ» и, несмотря на то, что форма выходного напряжения преобразователя частоты практически не изменяется, дает возможность значительно уменьшить шум двигателя, не увеличивая частоту коммутации. Его еще называют «белый» шум — ШИМ, мягкий шум, мягкая — ШИМ и т.д.

Преобразователь частоты Danfoss (Данфосс) имеет три режима задания частоты коммутации. Фиксированную частоту коммутации выбирает (программирует) Пользователь, и она остается постоянной в процессе эксплуатации. В режиме «Случайная частота ШИМ» частота коммутации незначительно изменяется относительно выбранной фиксированной частоты. В автоматическом режиме система управления ПЧ учитывает нагрузку двигателя и изменяет частоту коммутации так, чтобы получить оптимальное энергосбережение.

Преобразователь частоты в большинстве случаев работает со стандартным асинхронным двигателем общепромышленного применения. Технические условия на этот двигатель не предусматривают его испытания при питании выходным напряжением преобразователя частоты. Такие испытания проводят некоторые производители приводной техники и обязательно указывают максимальную длину кабеля двигателя, при которой гарантируется безопасность изоляции двигателя. Компания Данфосс регулярно проводит испытания асинхронных двигателей общепромышленного применения в составе частотно-регулируемого электропривода VLT Danfoss Drives и гарантирует их безопасную работу с длиной кабеля до 300 м. Это очень важный параметр.

Если у двигателя особые требования к изоляции или длина кабеля, соединяющего выход преобразователя частоты с двигателем, больше, чем позволяют технические характеристики, то Вам необходимо между его выходом и двигателем установить фильтр-dU/dt. Если установить выходной синусный фильтр (sin-фильтр, LC – фильтр), то выходное напряжение будет иметь синусоидальную форму, которое обеспечит бесшумную работу двигателя. Компания Danfoss (Данфосс) поставляет выходные VLT® dU/dt filter и sin-фильтры VLT® LC – filter как отдельные полнофункциональные устройства.

Наличие функции перемодуляции дает возможность поднять действующее значение выходного напряжения на 15% относительно напряжения сети питания, что особенно важно при регулировании скорости электродвигателя выше номинального значения.

Некоторые системы при регулировании скорости могут войти в механический резонанс. Во избежание проблем механического резонанса необходимо пропустить резонансные частоты. Преобразователь частоты Danfoss (Данфосс) позволяет осуществить пропуск четырех «резонансных» частот, при этом программируется не только их значение, но и полоса пропуска.

Рекомендации по выбору длин кабелей, соединяющих частотный преобразователь и электрический двигатель

В связи с большим количеством вопросов связанных с выбором длин кабелей между частотными преобразователями и асинхронными, и синхронными электродвигателями, сотрудники ООО «КоСПА» (сервисного центра YASKAWA), подготовили статью, затрагивающую как теоретические, так и практические аспекты, связанные с данным вопросом. При написании статьи были использованы материалы www.yaskawa.com.

Выбор длины кабеля между ПЧ и двигателем

Общая теория частотного регулирования

Преимущества использования частотных преобразователей (преобразователей частоты, ПЧ, частотников, инверторов) включают в себя: увеличение экономии энергии при использовании в высоковольтном сегменте, превосходное управление скоростью и моментом, а также более современное обеспечение защиты двигателя. Преобразователи частоты эволюционировали от схем, состоящих из Дарлингтоновых пар транзисторов (усилители на биполярных транзисторах), до современных IGBT-транзисторных модулей. Уникальные особенности IGBT-транзисторов, такие как снижение энергозатрат на переключение, значительно увеличили производительность и сделали возможным уменьшение габаритных размеров преобразователей частоты.

Однако было замечено, что двигатели, которые безотказно работали в течение длительного времени от сети, внезапно выходили из строя спустя несколько недель после установки частотного преобразователя. Такой вид аварии, обычно обуславливается выходом из строя обмотки двигателя из-за перенапряжения. Точнее, авария происходит и из-за короткого замыкания фаз между собой, и из-за замыкания фазы на корпус. Исследования показали, что возможность быстрого переключения IGBT-транзисторов, в совокупности с чрезмерной длиной кабеля между двигателем и преобразователем частоты способны значительно снизить срок жизни двигателя.

Чтобы понять, почему преобразователь частоты может стать причиной более быстрого выхода из строя двигателя, необходимо рассмотреть два явления. Первым является отраженная волна, по -другому явление стоячей волны, вторым – перенапряжение (перерегулирование напряжения при коммутациях), также известное как условие резонансного контура. Теоретически эти два явления могут быть рассмотрены по-разному, но на практике решение по их устранению одинаково.

Отраженная волна. При рассмотрении длины кабеля в качестве линии электропередач, следующая формула может быть применена при расчете критической длины, или длинной линии, где имеет место отражение волны напряжения. Критическая длина кабеля определяется формулой:

где, -скорость нарастания волны (мc), м/c –скорость света в вакууме, -приблизительная распределенная индуктивность кабеля, -время нарастания импульса напряжения, -длина кабеля.

Следующее уравнение соотносит время включение IGBT- транзистора и максимальную длину проводящей линии (кабеля):

При превышении этого значения длины возможно возникновение явления стоячей волны. При увеличении периода ШИМ преобразователя частоты с 0,1 мс до 0,3 мс, минимальная длина необходимая для перенапряжения, возрастет с 16 до 48 м.

Перенапряжение (перерегулирование напряжения). Более точное описание того, что происходит в двигателе, выглядит следующим образом. Перенапряжение (дребезг) это функция энергии, запасенной в проводнике, в течение времени нарастания каждой выходной пульсации напряжения (ШИМ). В то время, как распределенная индуктивность – особенность длинного проводника, лежащего между двигателем и преобразователем. Индуктивность увеличивает время, необходимое для зарядки емкости двигателя, что в свою очередь приводит к увеличению запаса энергии в линии. Когда двигатель все же заряжается до необходимого потенциала, оставшаяся энергия линии продолжает подзаряжать двигатель, увеличивая значения потенциала обмоток, способствуя возникновению перенапряжения. Фактически, при достаточно большой длине проводника (кабеля), к обмотке двигателя может быть приложено двойной напряжение звена постоянного тока частотного преобразователя. Т.е. чем больше расстояние между двигателем и преобразователем, тем больше перенапряжение. Однако, некорректно утверждать, что перенапряжение пропорционально длине кабеля. Максимальное значение перенапряжения можно рассчитать:

где, Vmax-максимальное напряжение сети, — максимальное напряжение звена постоянного тока, — максимальное значение перенапряжения.

В типовых системах на 460В, максимальное перенапряжение на клеммах двигателя может достигать 1500 В. Почти 80% этого напряжения распределяется по первичной обмотке двигателя.

Время включения IGBT-транзисторов разработано с целью возможности влияния на перенапряжение. Если ключи переключаются достаточно медленно, емкость двигателя имеет возможность зарядиться, а после этого разрядиться в линию. Однако, при увеличении скорости переключения, напряжение, прикладываемое к линии, увеличивается, значении запасенной энергии возрастает, и, как следствие возрастает перенапряжение.

Это объясняет, почему 6-ступенчатые, медленные по сравнению с современными, преобразователи, использующие технологию Дарлингтона (усилитель) редко встречались с проблемой перенапряжения при той же длине кабеля. Также важно отметить, трехфазные двигатели на 230В в достаточной мере защищены от пробоя в следствие перенапряжения, благодаря существующему стандарту изоляции.

5-е поколение IGBT ПЧ

4-е поколение IGBT ПЧ

3-е поколение IGBT ПЧ

1-е поколение IGBT ПЧ

Запираемый тиристор (GTO)

Возникающие проблемы

Явление коронного разряда

Для того, чтобы понять, почему перенапряжение столь губительно для двигателя, необходимо рассмотреть явление коронного разряда. Представим, что между проводниками с током существует относительный потенциал, который создает электрическое поле. Напряженность электрического поля вокруг проводников может быть достаточной для осуществления пробоя воздуха. Так как энергии электрического поля достаточно для ионизации кислорода (O2), чтобы осуществить его перехода в озон (O3), происходит пробой. Озон представляет собой высокоактивный элемент, поэтому он незамедлительно вступает в реакцию с органическими компонентами изоляции. А примеси кислорода в этой системе способствуют разрушению изоляции. Явление коронного заряда происходит, когда потенциал проводников достигает некоторого порогового значения, называемого начальным напряжением коронного заряда. Начальное напряжение коронного заряда зависит от расположения проводников, типа изоляции, температуры, особенностей поверхности и влажности.

Если у двигателя нет соответствующей изоляции, он может выйти из строя раньше срока. Предполагается, что двигатель, управляемый с помощью частотного преобразователя, произведён с изоляцией класса F или выше, а также имеет фазовую изоляцию.

Генерация радиочастотных и электромагнитных помех

Значение электрического шума, вырабатываемого проводниками на выходе преобразователя частоты, также зависит от длины используемого кабеля. Во избежание возникновения помех, необходимо экранировать кабель при установке соединения. Если осуществить это не получается, необходимо использовать фильтрующие устройства для снижения индуктивных помех.

Защитное отключение двигателя

В некоторых ситуациях возможно создать условия, при которых преобразователь частоты защитит себя от Замыкания на Землю (Ground Fault) или от перегрузки по току (Over Current). Эти аварии происходит в ситуациях, когда множество кабелей прокладывают в непосредственной близости друг к другу, без соответствующей изоляции. Используя основные законы физики, можем доказать, что ток, протекающий по одному проводу, наводит напряжение на другой, так же, как и ток протекающий по другому проводу наводит напряжение на этот провод. Имея множество проводников в непосредственной близости, могут возникнуть условия, когда неравные потенциалы и токи могут навестись в разных фазах привода, результатом может стать замыкание на землю.

Также известно, что емкость между фазами и емкость между фазой и землей возрастает при увеличении длины проводника. Поэтому возможно возникновение ошибки перегрузки по току в течение времени заряда фазных емкостей и емкостей фазы относительно земли.

Если виды этих защитных отключений встречаются довольно редко, то эти ситуации можно обойти, правильно установив оборудование. Если это уже сделано, возможно улучшить ситуацию, применив фильтрующие устройства.

Решение проблем

Снижение длины проводника

Для снижения вероятности возникновения чрезмерного перенапряжения на клеммах двигателя, необходимо, чтобы длина кабеля, соединяющего преобразователь с двигателем была меньше 45 м. Также хорошим вариантом будет снизить несущую частоту ШИМ преобразователя, что, в свою очередь непременно скажется на шуме двигателя, но снизит число выходных импульсов напряжения в секунду, увеличив срок жизни двигателя и уменьшив нагрев IGBT-транзисторов.

Специальный двигатель для частотного регулирования

Простейшим и наиболее выгодным решением является использование специального двигателя для частотного регулирования. Стандарт NEMA Standart MG-1, устанавливает, что такие двигатели должны быть способны выдержать 1600 В импульсного напряжения, продолжительностью 0.1 мс или более, для двигателей класса напряжения 600В и менее. Если двигатель правильно спроектирован и соответствует этому стандарту, то можно расчитывать на безотказную работу в течение длительного времени при любой длине кабеля.

Трехфазный выходной реактор (дроссель)

Реактор расположенный на выходе преобразователя, снижает градиент напряжения, прикладываемый к обмоткам двигателя. Время нарастания импульса снижается до 1,1 мс, таким образом снижая dV/dt до 540В/мс. Это в свою очередь эквивалентно времени переключения Дарлингтоновской схемы, используемой в прошлом, а, следовательно, очень эффективно для продления жизни двигателя. Выходной реактор решает приблизительно 75% проблем, связанных с преждевременным выходом из строя двигателя, из-за большой протяженности кабеля. Обычно используются реакторы с 3% и 5% импедансом (входным сопротивлением). При полной нагрузке приблизительно от 3 до 5 % выходного напряжения спадет на реакторе. Однако, если возникает сомнения относительно развиваемого момента электродвигателем, его необходимо проверить при максимальной скорости.

При наличии возможности разместите выходной реактор максимально близко к электродвигателю. Это позволяет увеличить длину кабеля до 198 м без влияния на производительность двигателя. В этом случае реактор может начать изнашиваться, но выход из строя дросселя займет значительно большее время, чем двигателя при тех же условиях. Однако это может стать одним из наиболее эффективных и бюджетных решений, особенно если речь идет о электродвигателях с плохой изоляцией, которые зачастую встречаются в погружных насосах.

Для обеспечения безотказной работы при длине до 610м при недостаточном классе изоляции двигателя, необходимо использовать специально разработанные выходные фильтры. Эти фильтры разработаны для устранения высших гармоник, возникающих из – за ШИМ, а также для снижения времени импульса до 1,2 мс. Это обеспечивает чистый ШИМ- сигнал на клеммах двигателя.

Экспериментальная оценка влияния работы преобразователей частоты на форму сигналов токов и напряжений

Рубрика: 5. Энергетика

Опубликовано в

Дата публикации: 02.11.2016

Статья просмотрена: 169 раз

Библиографическое описание:

Экспериментальная оценка влияния работы преобразователей частоты на форму сигналов токов и напряжений / А. В. Литвинов, П. А. Бернс, Е. Г. Абишов [и др.]. — Текст : непосредственный // Технические науки в России и за рубежом : материалы VI Междунар. науч. конф. (г. Москва, ноябрь 2016 г.). — Москва : Буки-Веди, 2016. — С. 24-28. — URL: https://moluch.ru/conf/tech/archive/228/11282/ (дата обращения: 29.08.2021).

Исследуемая схема испытаний состоит из двух однотипных преобразователей частоты 1 и 2, получающих питание от трехфазной сети, двух однотипных испытуемых асинхронных двигателей АМ1 и АМ2, механически связанных между собой посредством муфты 3 и получающих питание от преобразователей частоты 1, 2. Преобразователи частоты 1 и 2, используемые в схеме испытаний, состоят из неуправляемых выпрямителей 1.1 и 2.1, звеньев постоянного тока 1.2 и 2.2, управляемых инверторов 1.3 и 2.3. Связь преобразователей частоты 1 и 2 реализуется с помощью шины постоянного тока 4, соединяющей звенья постоянного тока 1.2 и 2.2 частотных преобразователей 1 и 2 (рисунок 1).

Схема работает следующим образом. Подведенное трехфазное напряжение поступает к неуправляемым выпрямителям 1.1 и 2.1, где оно преобразуется в постоянное напряжение, инвертируется с помощью управляемых инверторов 1.3 и 2.3 в переменное напряжение, требуемой амплитуды и частоты и подается для питания испытуемых асинхронных двигателей АМ1 и АМ2. Для реализации режима взаимной нагрузки необходимо уменьшить частоту вращения магнитного поля на одном из асинхронных двигателей АМ1 или АМ2 по сравнению с частотой вращения вала: разогнав двигатели АМ1 и АМ2 на холостом ходу до определенной частоты вращения, снизить частоту питающего напряжения на одном из частотных преобразователей 1 или 2. Например, если АМ1, получает напряжение от преобразователя 1 с меньшей частотой, то АМ1 переходит в генераторный режим. Вырабатываемая генератором АМ1 электрическая энергия поступает в звено постоянного тока 1.2 преобразователя частоты 1, и далее по шине постоянного тока 4 поступает в звено постоянного тока 2.2 преобразователя частоты 2, который осуществляет питание испытуемого двигателя АМ2 [1].

Рис. 1. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки с использованием двух преобразователей частоты

Основными элементами схемы испытаний, за счет которых достигается эффект энергосбережения, являются преобразователи частоты 1 и 2. Как отмечалось выше, в состав преобразователей частоты входят неуправляемые и управляемые выпрямители, которые являются нелинейными элементами. Нелинейность этих элементов напрямую влияет на показатели качества электрической энергии. В работе не ставилась задача определения показателей качества, необходимо было лишь оценить, как влияет работа преобразователей частоты в составе схемы испытаний асинхронных двигателей, на форму сигнала токов и напряжений в сети и поступающих для питания испытуемого асинхронного двигателя.

Испытания проводились прибором по оценке качества электрической энергии МИК-3, разработанным на кафедре «Автоматика и системы управления» Омского государственного университета путей сообщения, на стенде [2], предназначенном для проведения испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки.

Результаты полученных осциллограмм токов и напряжений представлены на рисунках 2–5. При этом на рисунке 2 — результаты измерений прибором МИК-3 со стороны сети (на входе преобразователей частоты) (рисунок 1), рисунки 3–5 — результаты измерений прибором МИК-3 со стороны питания испытуемого асинхронного двигателя (на выходе преобразователей частоты).

Рис. 2. Форма сигналов токов и напряжений по каждой из фаз, полученная в результате измерений со стороны сети (на входе частотных преобразователей)

Рис. 3. Форма сигналов токов и напряжений по каждой из фаз, полученная в результате измерений со стороны испытуемого двигателя (на выходе частотных преобразователей) при частоте коммутации транзисторов преобразователей 4 кГц

Рис. 4. Форма сигналов токов и напряжений по каждой из фаз, полученная в результате измерений со стороны испытуемого двигателя (на выходе частотных преобразователей) при частоте коммутации транзисторов преобразователей 8 кГц

Рис. 5. Форма сигналов токов и напряжений по каждой из фаз, полученная в результате измерений со стороны испытуемого двигателя (на выходе частотных преобразователей) при частоте коммутации транзисторов преобразователей 16 кГц

Таким образом, по результатам проведенных экспериментов, можно сделать следующие выводы: работа преобразователей частоты влияет на форму сигналов токов и напряжений, как при измерении этих сигналов на входе преобразователей частоты, так и на выходе. На входе преобразователей частоты (рисунок 2) следует отметить, что напряжения носят синусоидальный характер, а токи — нелинейный. На выходе преобразователей частоты (рисунки 3–5) при различной частоте коммутации транзисторов этих преобразователей, отмечается синусоидальный характер изменения токов и несинусоидальный характер напряжений с большим количеством спектра гармоник высших порядков, при этом ширина спектра гармоник высших порядков увеличивается с увеличением частоты коммутации транзисторов.

Литвинов А. В. Совершенствование технологии испытаний асинхронных тяговых двигателей локомотивов: дис. канд. технических наук. Омский гос. университет путей сообщения, Омск, 2014.
Авилов В. Д., Данковцев В. Т., Попов Д. И., Литвинов А. В. Физическая модель испытательной станции асинхронных тяговых двигателей с использованием метода взаимной нагрузки // Инновационные проекты и новые технологии для транспортного комплекса: Материалы четвертой научно-практической конференции, посвященной Дню российской науки и 110-летию ОмГУПСа (8 февраля 2012 г.). Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения., 2012. С. 69–73.

Частотный преобразователь