Что такое привод переменной частоты (ППЧ)? Как работает ППЧ?

ДонНТУ > Портал магистров > Артеменко О.К.

RUS | UKR | ENG

Дейв Полка
Что такое привод переменной частоты (ППЧ)? Как работает ППЧ?

Вы можете разделить электрический привод на две категории: привод переменного тока и привод постоянного тока. К регулируемым параметрам привода относятся: скорость вращения, вращающий момент, направление вращения и результирующая мощность двигателя. Регулирование скорости вращения в приводе постоянного тока обычно осуществляется при помощи генератора постоянного тока, который имеет отдельную оболочку и работает в режиме холостого хода. В приводе переменного тока в качестве приводного используется асинхронный двигатель, который имеет такие же регулируемые параметры, как и двигатель постоянного тока: скорость, вращающий момент, мощность.

Пример применения.

Обратимся к примеру применения электропривода. На рис. 1 приведен пример простого применения пускателя для вентилятора с постоянной скоростью вращения. Вы могли бы заменить 3-фазный пускатель приводом переменной частоты (ППЧ) для регулирования скорости вращения вентилятора. Так как регулирование скорости может осуществляться ниже максимальной, изменение расхода воздуха можно осуществлять путем изменения скорости вращения приводного двигателя, вместо применения задвижки.

Рисунок 1 – Применение пускателя для вентилятора с постоянной скоростью вращени

Привод позволяет управлять двумя основными параметрами трехфазного асинхронного двигателя: скоростью и вращающим моментом. Чтобы понять, как привод управляет этими элементами, обратимся к устройству трехфазного асинхронного двигателя. На рис. 2 приведено устройство данного двигателя.

Две основных части двигателя, ротор и статор, взаимодействуют при помощи магнитного поля. Также двигатель имеет несколько пар полюсов. Они представляют собой железные части статора, которые расположены таким образом, чтобы обеспечить направление магнитного потока от северного полюса к южному.

Рисунок 2 – Устройство трехфазного асинхронного двигателя

Рисунок 3 – Принцип действия асинхронного двигателя

Если статор имеет одну пару полюсов, ротор (вал) вращается с определенной скоростью – основной скоростью. Эта скорость определяется числом пар полюсов и частотой напряжения, подведенного к двигателю (1). Эта формула включает эффект, называемый «скольжением». Скольжение – это разница между скоростью вращения магнитного поля статора и скоростью вращения ротора. При прохождении магнитного поля статора через проводники ротора, в них индуцируются собственные магнитные поля. Эти магнитные поля ротора будут пытаться «догнать» вращающееся магнитное поле статора. Однако этого никогда не произойдет – эта разница и является скольжением. Скольжение можно сравнить с расстоянием между борзыми и зайцем, за которым они гонятся. Пока борзые не поймают зайца, они продолжат бежать вокруг трека. Скольжение – это то, что позволяет двигателю вращаться.

Выражение для определения скорости вращения ротора представлено ниже.

где n – частота вращения ротора (вала), об/мин;
f₁ – частота напряжения, подведенного к ротору, Гц;
2р – число полюсов;
s – скольжение. Для двигателей типа NEMA B скольжение составляет 3-5 % от основной скорости, которая составляет 1800 об/мин.

Пример. Определим скорость вращения ротора при f1 = 60 Гц, 2р = 4 и s = 3%:

Регулировать скорость вращения двигателя можно, изменяя частоту питающего напряжения. Также можно регулировать скорость двигателя, изменяя число полюсов, но это требует изменения конструкции двигателя. Изменение числа полюсов требует перемотки обмоток статора и приводит к ступенчатому изменению скорости. Поэтому для обеспечения удобства, экономической эффективности и точности, мы изменяем частоту.

На рис. 5 приведено изменение развиваемого вращающего момента в зависимости от отношения напряжения к частоте, В/Гц. Мы изменяем это отношение, чтобы изменить вращающий момент двигателя. Так, двигатель, запитанный от источника 460 В, 60 Гц имеет отношение напряжения к частоте 7,67 В/Гц. Пока отношение напряжения к частоте остается равным указанному числу, двигатель разовьет оцененный вращающий момент. Привод позволяет получить различные значения частоты на выходе. Используя любую частоту привода, можно получить новые кривые момента.

Рисунок 5 – Отношение напряжения к частоте

Как привод изменяет скорость двигателя.

Как же привод обеспечивает необходимые значения напряжения и частоты на выходе, чтобы обеспечить изменение скорости двигателя? Это мы рассмотрим позже.

На рис. 6 приведены основные составляющие привода PWM. Все приводы PWM содержат эти основные части, с некоторыми различиями в компонентах программного обеспечения и аппаратных средствах.

Рисунок 6 – Основные компоненты привода PWM

Хотя некоторые привода питаются однофазным напряжением, мы рассмотрим трехфазные привода. Но для простоты на графиках, сопровождающих схемы привода, приведена одна фаза входного или выходного напряжения.

Входная часть привода – выпрямитель. Он содержит шесть диодов, соединенных в мостовую схему. Эти диоды преобразовывают переменное напряжение в постоянное.

Следующая секция – шина постоянного тока, пропускает фиксированное напряжение постоянного тока.

Шина постоянного тока фильтрует и сглаживает форму волны. Диоды фактически переносят отрицательные полуволны на положительную половину. При напряжении переменного тока в 460В, среднее напряжение постоянного тока составит около 650-680 В. Вы можете посчитать, что отношение величины напряжения постоянного тока к максимальному значению переменного напряжения составит 1,414. Катушка индуктивности (L) и конденсатор (C) предназначены для того, чтобы отфильтровать переменные составляющие напряжения постоянного тока.

Шина постоянного тока питает заключительную секцию привода – инвертор. Как указано в названии, эта секция инвертирует напряжение постоянного тока обратно в напряжение переменного тока. Как же это происходит? Это зависит от того, какие силовые преобразовательные устройства используются в приводе. Если Вы имеете привод на основе SRC (силовых однооперационных тиристоров), смотрите ссылку ниже. В середине 70-х тиристоры начали заменять биполярными транзисторами. А те, в свою очередь, в начале 90-х уступили технологии с использованием биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), которую мы будем обсуждать.

Подключение шины с использованием IGBT.

В настоящее время в инверторах используются биполярные транзисторы с изолированным затвором, чтобы подключать шину постоянного тока в определенные промежутки времени. При этом инвертор фактически создает переменное напряжение и частоту на выходе. Как показано на рис. 7, выходные параметры привода не являются точной копией входного синусоидального напряжения. Вместо этого имеются импульсы постоянного напряжения.

Рисунок 7 – Форма напряжения на выходе привода

Пульт управления привода подает сигналы в цепь управления силовыми преобразователями на включение положительной или о трицательной части преобразователей. Это поочередное включение воспроизводит на выходе трехфазное напряжение. Чем дольше преобразователь остается включенным, тем выше выходное напряжение. Чем меньше времени преобразователь включен, тем ниже выходное напряжение (рис. 8). И наоборот, чем дольше преобразователь выключен, тем ниже частота на выходе.

Рисунок 8 – Составляющие выходной волны напряжения привода

Скорость, с которой силовые преобразователи включают и выключают несущую частоту, называется частотой включений. Чем выше частота включений, тем большую разрешающую способность имеет каждый импульс. Типичные частоты включений – от 3 000 до 4 000 раз в секунду или от 3 до 4 кГц. На старых приводах, основанных на SRC, частота включений составляет 250-500 раз в секунду. Как Вы понимаете, чем выше частота включений, тем более гладкая форма волны на выходе. Однако высокие частоты включений уменьшают эффективность привода из-за увеличенной температуры в силовых преобразователях.

Сокращение стоимости и размера

Привода изменяются, в зависимости от их конструкции, а конструкции продолжают улучшаться. Двигатели входят в более меньшие корпуса с каждым поколением. Подобную тенденцию имеют персональные компьютеры. Больше особенностей, улучшенные рабочие характеристики и более низкая стоимость, по сравнению с предыдущими поколениями. Однако, в отличие от компьютеров, у приводов резко улучшились показатели надежности и упростилось использование. И также в отличие от компьютеров, типичный привод сегодня не производит всплесков энергии в вашей распределительной сети, то есть при этом не затрагивается энергетический фактор. Привода все более и более становятся устройством типа "установить и запустить". Поскольку силовые преобразователи становятся более надежными и уменьшаются в размере, стоимость и размер ППЧ продолжают уменьшаться. И пока это продолжается, их работа будет улучшаться, а использование – становиться все более простым.

Ссылка: Если у Вас привод на SRC?

Так как много приводов основано на SRC, Вы наверняка хотели бы знать, как они работают. SRC (тиристор) содержит элемент контроля, который называется затвор. Затвор действует как выключатель, который позволяет устройству полностью проводить напряжение. Устройство проводит напряжение до перемены полярности, и затем это автоматически "выключает" тиристор. Специальная схема, требующая отдельную плату и сопутствующие соединения, управляет этим переключением.

Выходные параметры SRC зависят от того, как быстро открывается затвор в контрольном цикле. Выходные параметры IGBT также зависят от отрезка времени, в течение которого затвор открыт. Однако, его можно отключить в любой момент контрольного цикла, обеспечив более гладкую форму волны выходного сигнала. IGBTs также требуют схему контроля открытия затвора, но эта схема менее сложна и не требует инвертирования полярности. Таким образом, Вы приблизились бы к поиску неисправностей по-другому, если Вы имеете привод, основанный на SRC.

Источник

ДонНТУ > Портал магистров > Артеменко О.К.

RUS | UKR | ENG

Индивидуальное
задание