Общие сведения статических преобразователях частоты и о частотно-регулируемом приводе (ЧРП). Принцип скалярного частотного управления асинхронным двигателем.

 

Электрический привод с асинхронным двигателем является самым распространённым видом привода различных технологических машин и механизмов: асинхронные двигатели потребляют 75% всей производимой в мире электроэнергии, а асинхронные электроприводы машин и механизмов, используемых в жилищно-коммунальном хозяйстве России, расходуют более 30% всей вырабатываемой в стране энергии. Широкое распространение асинхронных электродвигателей во второй половине 20-го века было обусловлено простотой, надёжностью и относительно небольшой стоимостью этих машин.

Основными недостатками асинхронных электродвигателей до недавнего времени оставались сложность и неэкономичность регулирования их частоты вращения, а плавное регулирование двигателей с короткозамкнутым ротором было практически невозможно. В то же время необходимость регулирования частоты вращения была особенно важна для привода механизмов, применяемых для изменения расходов и работающих с переменной нагрузкой.

С развитием силовой полупроводниковой и микропроцессорной техники в последние 15-20 лет стало возможным создание устройств частотного регулирования электроприводов с асинхронными двигателями. Эти устройства позволили экономично и точно управлять скоростью и моментом двигателя, избавиться от дросселирования производительности насосов и вентиляторов при помощи вентилей и заслонок, от применения неэкономичных гидромуфт, а также сложных и дорогостоящих приводов постоянного тока.

Известно, что регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств: механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты.

Применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации.

 

Частотно-регулируемый привод (ЧРП) состоит из асинхронного электрического двигателя М и преобразователя частоты ПЧ (рис.1):

 

Рисунок 1 – Общая структура ЧРП

Асинхронный электрический двигатель приводит в движение рабочий механизм РМ (вал, насос, вентилятор, конвейер, питатель и т.п.). Преобразователь частоты ПЧ представляет собой статическое электронное устройство, которое управляет электрическим двигателем. На выходе преобразователя формируется электрическое напряжение с регулируемыми частотой и амплитудой.

Регулирование частоты вращения ротора асинхронного двигателя основано на изменении частоты вращающегося магнитного поля, создаваемого статором двигателя. Параметры привода при этом связаны следующими формулами:

для угловой скорости вращения ротора

 

 

,рад/сек (1)

и для частоты его вращения

где: – частота напряжения, питающего статор,

– число пар полюсов статора,

– скольжение двигателя, 0 .

В наиболее распространенном частотно-регулируемом приводе на основе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором применяется скалярный вид управления.

При скалярном управлении одновременно изменяют частоту и амплитуду подводимого к двигателю напряжения. Так как автономное изменение частоты питающего напряжения приводило бы к отклонению максимального и пускового моментов двигателя, к.п.д. и коэффициента мощности привода от их расчетных значений, то для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо одновременно с изменением частоты изменять по определённому закону (алгоритму) и амплитуду напряжения. При этом частота является независимым воздействием, а соответствующую ей амплитуду определяют исходя из того, как при изменении частоты должны изменяться форма механической характеристики и максимальный момент привода.

В существующих преобразователях частоты при скалярном управлении чаще всего поддерживают постоянным отношение максимального момента двигателя к изменяющемуся моменту сопротивления на валу, характеризующее перегрузочную способность двигателя.

Максимальный момент, развиваемый двигателем, определяется следующей зависимостью

 

, (3)

где - постоянный коэффициент

 

Для реализации постоянства перегрузочной способности двигателя необходимо при регулировании частоты обеспечивать линейный закон

 

где f – частота, а U – напряжение на статоре.

Закон регулировния (4) пригоден для случая, когда момент нагрузки на валу двигателя не зависит от частоты вращения (конвейеры, компрессоры, поршневые насосы). При этом напряжение должно увеличиваться пропорционально частоте (см. рис. 1.2).

 

 

 

Рисунок 1.2 – зависимость частоты от напряжения

Угол наклона прямой на рис.1.2 зависит от величин момента сопротивления и максимального крутящего момента двигателя. При постоянстве перегрузочной способности коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всём диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.

В случае привода металлорежущего станка, вентилятора или центробежного насоса, у которых момент сопротивления увеличивается пропорционально квадрату частоты вращения, напряжение необходимо изменять по параболическому закону

показанному на рис.1.3

 

 

 

 

Рисунок 1.3 – параболическая зависимость частоты от напряжения

Используя зависимость максимального крутящего момента от напряжения и частоты (3), можно построить необходимый график зависимости напряжения U от частоты f и для любого характера нагрузки. Полученная зависимость U от f реализуется в управляющем блоке преобразователя частоты.

 

1.2 Преимущества использования регулируемого электропривода в технологических процессах:

 

1. Применение регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов.

2. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за счет регулирования какого-либо технологического параметра. Если это транспортер или конвейер, то можно регулировать скорость его движения. Если это насос или вентилятор – можно поддерживать давление или регулировать производительность. Если это станок, то можно плавно регулировать скорость подачи или главного движения.

3. Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей.