Слайд 1Сучасні частотно-керовані електроприводи змінного струму
Місюренко В.О.-НУ «Львівська Політехніка
e-mail: vmissur@polynet.lviv.ua
Слайд 2Зміст
Основи теорії частотного керування асинхронними електроприводами
Принцип роботи асинхронного
двигуна, основні співвідношення
Закони частотного керування: поняття, визначення особливості та характеристики
Принцип роботи перетворювачів частоти
Принцип формування вихідної напруги: амплітудна та широтно-імпульсна модуляція
Способи формування гальмівного режиму роботи двигуна
Особливості роботи вхідного випрямляча
Електроприводи ALTIVAR від SE
Принцип роботи, основні характеристики та функціональні можливості,
Проблема ЕМС
Проблема захисту та координації комутаційної апаратури
Слайд 3Основи теорії частотного керування асинхронними електроприводами
Принцип роботи асинхронного двигуна,
основні
співвідношення
Закони частотного керування:
Скалярне керування, поняття, закони U/f , IR- компенсація
Векторне
керування, принцип, особливості
Закон збереження енергії
Приклади структурних схем САК
Слайд 4КОНСТРУКЦІЯ АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ
Слайд 5ПРИНЦИП РОБОТИ АСИНХРОННОГО ДВИГУНА
Створення магнітного поля
(3 катушки)
iA=Imsint
iB=Imsin(t-120º)
iC=Imsin(t-240º)
A
B
C
120º
240º
Слайд 6ПРИНЦИП РОБОТИ АСИНХРОННОГО ДВИГУНА
Формування момента
Магнітне поле статора
Струми у роторі
Магнітне поле
ротора
Струми у статорі
Рушійний момент
Момент: M=cФ2I1
Слайд 7МЕХАНІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА АД
Mk
0
Mп
(1-sk)0
Режим двигуна
Режим противмикання
Рекуперативний режим
Ділянка нестійкого режиму роботи
Гілка стійкої
роботи
Слайд 8ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ
Uн
fн
fmax
U1
Mk
Застосування:
Потужні АД з моментом навантаження , яке не
залежить від швидкості;
приводи з невисокими вимогами до точності
Вольт-частотна характеристика
Слайд 9ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ
Застосування:
вентилятори;
насоси;
компресори
Слайд 10ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ
Uн
fн
fmax
U1
Mk
Застосування:
конвейори
млини, тощо
Слайд 11ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ
Uн
fн
fmax
Застосування:
двигуни малої потужності
IR-компенсація
f1=50 Гц
f1=25 Гц
f1=12 Гц
Слайд 12ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ
ВЧХ користувача
Застосування:
реализація особливих умов та вимог до
вольт-частотної характеристики
Слайд 13СКАЛЯРНЕ КЕРУВАННЯ
АІН з амплітудною модуляцією
АІН з широтно-імпульсною модуляцією
Регулювання напруги (струму)
та частоти
Недоліки:
низька швидкодія;
відносно малий діапазон регулювання D=10-20
Слайд 14.
Векторне керування, принцип, особливості
Слайд 16Векторне керування
приклад структурної схеми
Слайд 18Векторне керування
функціональна схема САК (FVC)
Слайд 19Векторне керування
осцилограми пуску приводу з ПЧ типу ATV58F
Слайд 20БЕЗДАВАЧЕВЕ ВЕКТОРНЕ КЕРУВАННЯ
(Sensorless vector control, SVC)
Передумови:
трудність вимірювання магнітного потоку
Не
завжди є можливість встановлення давача швидкості (положення)
Переваги:
Покращення регулювальних властивостей
приводу без застосування давачів швидкості
Принцип:
вимірювання струмів з наступним розрахунком швидкості та моменту
Недоліки:
діапазон регулювання, точність і швидкодія гірші, ніж при «повному» векторному керуванні. (з давачем швидкості)
Слайд 21Векторне керування
без давача швидкості (SVC)
Слайд 23Принцип роботи перетворювачів частоти
Принцип формування вихідної напруги: амплітудна та широтно-імпульсна
модуляція
Способи формування гальмівного режиму роботи двигуна
Особливості роботи вхідного випрямляча
Переваги ПЧ
з ШІМ
Основні вимоги до систем керування
Функціональна та структурні схеми сучасного ПЧ типу Altivar
Слайд 24Общая структура преобразователей частоты
В – выпрямитель;
Ф – сглаживающий фильтр;
АИ –
автономный инвертор
Назначение ПЧ – преобразование энергии переменного тока неизменных уровня
и частоты в энергию переменного тока с регулируемыми уровнем и частотой
Двухзвенный ПЧ
Слайд 25Силові
напівпровідникові модулі
Переваги:
зменшення габаритів;
спрощення конструкції ПЧ та його
вартості;
Підвищення надійності;
збільшення швидкодії
Особливості конструкції:
об’єднання в модулі:
силового керованого
ключа та зворотнього діода,
декількох ключів;
силової схеми цілого перетворювача енергії
Напівпровідниковий кристал та електрична схема ізольовані від основи
Слайд 27ua
Трифазний АІН
з амплітудної модуляції
uу1
uу2
t
Tм
uу3
uу4
uу5
uу6
ub
uc
ia
ib
ic
t
t
Tм 3
Ud 3
2Ud 3
I
II
III
IV
V
VI
I
II
III
IV
V
Слайд 28Трехфазный АИН
Основные принципы управления
для обеспечения непрерывности выходного тока
управляющие импульсы всегда присутствуют на трех ключах (по одному в
каждой фазе);
во избежание сквозного короткого замыкания источника постоянного тока не могут быть одновременно открыты оба ключа одной фазы;
выходной ток фазы после коммутации в ней не может измениться скачком;
после запирания ключа отпирается обратный диод в той же фазе, который обеспечивает протекание фазного тока в том же направлении, что и до запирания ключа
Слайд 29Амплітудна модуляція в ПЧ
Переваги:
простота алгоритму керування інвертором
малі втрати
в ключах інвертора
Недоліки:
необхідність використання двох керованих перетворювачів;
суттєва несинусоїдальність
струмів двигуна;
вузький діапазон регулювання швидкості двигуна;
низький вхідний коефіцієнт потужності , несприятловий вплив на мережу живлення
Слайд 30Трехфазный АИН с широтно-импульсной модуляцией
Слайд 31Широтно-импульсная модуляция в ПЧ
Преимущества:
входной выпрямитель может быть неуправляемым;
практически
синусоидальная форма выходного тока;
возможность глубокого регулирования скорости;
Cos близкий
к 1;
возможность питания нескольких АИН от общего выпрямителя
Недостатки:
необходимость применения более дорогих ключей;
повышенные потери в ключах вследствие высокой частоты их переключения;
повышенное излучение электромагнитных помех;
возможность перенапряжений на обмотке двигателя при большой длине кабеля
Области применения:
электроприводы с повышенными требованиями к точности, диапазону регулирования скорости или энергетическим показателям;
силовые активные фильтры для систем электроснабжения;
источники бесперебойного питания
Слайд 32Способы торможения в электроприводах с ПЧ
Рекуперативное с возвратом энергии в
сеть:
энергосбережение;
дополнительные капитальные затраты
С ведомым сетью
инвертором (ВИ):
несинусоидальная
форма тока сети;
cos<1
С активным выпрямителем (АВ)
синусоидальная форма тока сети;
cos=1
Слайд 33Способы торможения в электроприводах с ПЧ
Динамическое торможение (торможение постоянным током)
тормозная энергия рассеивается в двигателе;
дополнительные капитальные затраты отсутствуют
Рекуперативное
с
разрядным резистором:
тормозная энергия рассеивается в резисторе;
дополнительные капитальные затраты невелики
Слайд 34Способы торможения в электроприводах с ПЧ
Обмен тормозной энергией
по сети
постоянного тока:
рекуперируемая энергия может быть использована другими потребителями;
мощность
выпрямителя меньше суммы мощностей инверторов;
целесообразно использование в многодвигательных механизмах
Слайд 35Входные выпрямители двухзвенных ПЧ
Особенности:
выпрямленный ток прерывистый;
потребляемый из сети
ток существенно несинусоидальный
Слайд 36Ограничение зарядного тока
Цель:
снижение тока заряда конденсатора при первом подключении
ПЧ сети
Слайд 37Перенапряжения на выходе АИН
Причины:
быстрый темп изменения выходного напряжения АИН
при переключениях ключей;
проявление волновых свойств длинного кабеля
Следствия:
перенапряжения на
обмотке статора двигателя (до двойного по сравнению с номинальным напряжением);
рост емкостных токов утечки в кабеле;
более интенсивное электромагнитное излучение кабеля
Выходные фильтры
Слайд 38ТРЕБОВАНИЯ К ПЧ
регулирование (как согласованное, так и раздельное) частоты и
уровня выходного напряжения в широких границах;
форма выходного тока, максимально приближенная
к синусоидальной;
способность к кратковременным перегрузкам;
создание условий для протекания тормозных токов двигателя;
минимальное внутреннее сопротивление для обеспечения максимальной жесткости механических характеристик електропривода;
высокое быстродействие;
легкость интеграции в системы автоматизации высшего уровня;
высокие КПД и коэффициент мощности;
высокая надежность;
удобство и безопасность наладки и эксплуатации;
минимальные генерируемые электромагнитные помехи и акустический шум;
минимальные габариты и масса;
уровень защиты от влияния окружающей среды, соответствующий условиям эксплуатации;
возможность выбора комплектации в зависимости от решаемых задач и условий эксплуатации
Слайд 39ЗАДАЧИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ПЧ
формирование логических сигналов управления ключами
(т.е. управление самим ПЧ);
управление координатами електропривода (током, скоростью);
управление технологическим параметром
(положением рабочих органов, давлением, натяжением, производительностью и т.п.);
диагностирование и защита узлов и элементов преобразователя и электропривода в целом;
программирование и настройка ПЧ и системы управления электроприводом;
обеспечение диалога с пользователем и системой автоматизации высшего уровня.
Слайд 41Структурна схема електроприводу ATV71
Силовая
секция
Контроллер
управления
двигателем
Контроллер прикладных задач
Слайд 43Прості механізми
Установки кондиц. та вентиляцыъ
Складні механізми
ATV11
0,18- 2,2 кВт
ATV31
0,18-15
кВт
ATV71
0,37-500 кВт
ATS01
1,1-75кВт
ATS48
4 - 1200 кВт
Електроприводи Altivar від SE
ATV61
0,37-630 кВт
Вентилятори, насоси
ATV21
0,75-30 кВт
ALTiSTART 01
ALTiSTART 48
Слайд 44Оновні функціональні можливості
електроприводів Altivar
Формування статичних та динамічних характеристик
електроприводу( механізму)
Формування команд та режимів роботи адаптованих до конкретного механізму
Організація
діалогу з оператором та/або АСУ ТП
Моніторинг стану (діагностика) та захист системи
Слайд 45Формування команд та режимів роботи адаптованих до конкретного механізму
Слайд 52
Застосування макро-конфігурацій (ATV71) або спеціальних функцій (ATV31, ATV71)
Застосування вільно програмованої
плати(ATV71) або спеціальних прикладних плат (,ATV71,ATV61)
Створення проблемно-орієнтованого електропривода ( ATV61,
ATV21)
Три рішення для створення проблемно-орієнтованих електроприводів:
Слайд 53Пуск/стоп (заводське налаштування)
Транспортування
Загальне застосування
Підйомно-транспортні механізми
ПІД-регулятор
Комунікація
Ведучий/ведений
Застосування макро-конфігурацій
( ATV71)
Слайд 54Проблемно-орієнтований електропривод ATV61
Орієнтований на застосування для механізмів з вентиляторною
характеристикою
ЗАБЕЗПЕЧУЄ:
- ПІД-регулювання технологічного параметра
- режим енергозбереження
- Режим підхоплення на
ходу,
-адаптивне струмове обмеження у функції швидкості,
-підрахунок годин роботи та спожитої електроенергії , тощо
Слайд 55
Проблема електромагнітної сумісності ПЧ
Поняття про ЕМС
Характеристика електромагнітних завад
Вплив ПЧ на
мережу
Вплив ПЧ на двигун (перенапруги та градіент dU/dt)
Слайд 56ЕМС –це можливість використання пристрою чи системи в електромагнітному середовищі
без створення недопустимых для оточення чи іншого пристрою електромагнітних завад.
Поняття
про ЕМС
Слайд 58Спектральний склад гармонік струму
Слайд 61Засоби зменшення впливу ПЧ на мережу
Використання мережного дроселя
Використання
дроселя постійного струму
Використання додаткового вхідного фільтра радіочастот
Слайд 62Вплив ПЧ на двигун
Проблема градієнту dU/dt
Проблема довгого кабелю
Слайд 64Наслідки такої вихідної напруги ПЧ:
Виникнення хвильових процесів у кабелі
та явища накладання падаючої та відбитої хвилі- результат: перенапруга на
обмотці двигуна
Круті фронти імпульсів напруги (dU/dt) викликають нерівномірний розподіл напруги між витками обмотки двигуна
Слайд 65Засоби для зменшення впливу ПЧ
на двигун
Використання дроселя двигуна
Використання вихідного фільтра
(у тому числі т.з. синусного фільтра)
Активізація у програмі ПЧ спеціальної функції ( ATV71)
Слайд 66Проблема захисту ПЧ
Види захисту
Поняття про координацію комутаційної апаратури
Слайд 67Мета координації
Захистити обслуговуючий персонал та установку при виникненні будь-яких аварійних
струмів (перевантаження або струми к.з.)
Зменшити витрати на уведення в експлуатацію
після аварії та мінімізувати час на заміну та вартість апаратури.
Слайд 68Координація захисту
Ідея координації у стандарті МЕК 947
Пріоритет захисту персоналу та
обладнання
Не повинно бути ніяких проявів ззовні шафи
Ніякої небезпеки пожежі
Приймати до
уваги обслуговування обладнання
Обмежити небезпеку пошкодження апаратури силового кола
Скорочення часу простою
Неперервність стану працездатності для покращення продуктивності
Слайд 69МЕК 947: 3 рівня координації
Координація типу 1 (МЕК 947-4-1)
Координація типу
2 (МЕК 947-4-1)
Координація повна (МЕК 947- 6-2)
Координація силового кола
двигуна залежить
головним чином від:
електричного середовища
- вибору апаратури
Слайд 70Координація типу 1
(МЕК 947-4-1)
Ніякої небезпеки для персоналу та установки
Контактор
та/або реле можуть бути пошкоджені
Перед повторним пуском потрібно замінити апаратуру
Слайд 71Координація типу 2
МЕК 947-4-1
Ніякої небезпеки для персоналу та обладнання.
Не допускається
ніякого пошкодження апаратури.
Ризик зварювання контактів допускається. Контакти можуть бути легко
роз’єднанні за допомогою інструменту (викруткою).
Ніяких повторних налагоджень не потрібно робити.
Електрична ізоляція повинна зберігатися після аварії. Коло повинна бути готовим для повторного вмикання в роботу.
Слайд 72Повна координація
(МЕК 947-6-2)
Ніякої небезпеки для персоналу та обладнанн
Ніякого пошкодження пускача
(контактора), не допускається ніякого зварювання контактів, електрична ізоляція не повинна
бути порушена
Негайний повторний пуск є можливим без інспектування апаратури
