Автоматизация производственных процессов определяется характеристиками систем автоматического управления: динамическими показателями, точностью и т.д. Задача построения систем автоматического управления (САУ) сводиться к построению систем, обеспечивающие стабильность показателей качества функционирования, при изменении параметров системы управления, которые зависят от внешних факторов. САУ удается обеспечить компенсацию этих факторов.

Постоянный рост цен на электроэнергию и топливные ресурсы привели к обострению проблем энергосбережения во многих отраслях производства, особенно энергоемких.

Значительные резервы снижения потребляемой электроэнергии заложены в совершенствовании технологии производства. Так, например, замена нерегулируемого асинхронного электропривода (ЭП) на регулируемый, дает значительную экономию электроэнергии.

Большинство разработок в области регулируемого электропривода посвящено теории и практики систем преобразователь частоты-асинхронный электропривод. В связи с этим на рынке электротехнических изделий наиболее массово представлен широкий спектр современных преобразователей частоты (ПЧ).

Преобразователи зарубежных фирм и корпорации Триол в настоящее время имеют высокую стоимость за счет заложенного в них широкого спектра возможностей.

Несмотря на высокую стоимость современных производителей частоты существуют и др. препятствия их массового применения. К ним относятся специфические условия окружающей среды некоторых промышленных предприятий, ограничения, обусловленные проблемой “длинного кабеля” и не изученность ШИМ на срок службы изоляции асинхронного двигателя. Частотно-регулируемые ЭП по областям применения можно разделить на две группы.

Первая группа ПЧ, предназначена для использования в ЭП, работающих в длительном режиме и обеспечивающих поддержание технологического параметра, задаваемого программно. В этом случае целесообразно использовать ПЧ не имеющих аппаратной и программной избыточности, которые не требуют для обслуживания высококвалифицированного персонала и легко вводятся в эксплуатацию.

Вторая группа ПЧ ориентированна для плавного регулирования скорости АД в широком диапазоне и с высокой точностью, для прямого управления моментом и реализации других показателей регулирования.

В машиностроении получил наибольшее распространение частотный привод, состоящий из автономного инвертора напряжения (АИН) с шестью полностью управляемыми ключами (ТК) и асинхронного двигателя без нулевого провода в обмотке статора. Этот вид ЭП обладает более высоким к.п.д. по сравнению с другими типами приводов. При формировании напряжения с выхода АИН применяется один из законов широтно-импульсной модуляции, этим достигается уменьшение потерь в АД за счет приближения формы напряжения, питающего двигатель к синусоидальной. Регулирование частоты трехфазного напряжения на входе АИН осуществляется путем переключения ТК. Изменение амплитуды трехфазного напряжения осуществляется с помощью широтно-импульсного регулирования (ШИР), суть которого состоит в изменении ширины импульсного напряжения.

Этот способ регулирования характеризуется большими потерями мощности, как в самих ключах, так и формирователях несущей частоты ШИМ. Во всех этих элементах потери пропорциональны частоте переключения силовых ключей. Поэтому снижение несущей частоты ШИМ является нежелательным, но это приводит к росту амплитуд высших гармоник напряжения, что влечет за собой увеличение потерь в двигателе. Т.е при частотном регулировании тяжело добиться уменьшения потерь за счет изменения законов ШИМ.

Для решения этой проблемы может быть использован способ многоуровневых автономных инверторов напряжения (АИН). По принципу действия многоуровневые инверторы можно подразделить на автономные инверторы фазных напряжений (АИФН) и автономные инверторы линейных напряжений (АИЛН).

Снижение потерь в многоуровневом инверторе достигается за счет уменьшения мощности ТК с увеличением числа уровней инвертора.

Наличие нулевого провода в АИФН дает важное преимущество перед АИЛН, т.к. результирующий вектор фазных напряжений, изображенный в трехфазной системе координат или на комплексной плоскости, в любом положении может находиться произвольную длительность времени относительно других его положений. Это означает, что АИФН, в отличие от АИЛН, способен формировать многофазный ступенчатый периодический сигнал произвольной формы. Поэтому такой инвертор наиболее целесообразно применять в частотном приводе. С выхода таких инверторов необходимо обеспечить плавное регулирование напряжения. В этом случае ШИР не целесообразно.

За счет выбора соответствующих продолжительностей ступеней формируемого ступенчатого сигнала с помощью АИФН можно осуществить приближение фазного напряжения к синусоиде.

Многоуровневые инверторы напряжения для управления асинхронным двигателем в частотном приводе позволяют уменьшить потери в инверторе при одновременном улучшении гармонического состава напряжения, питающего двигатель.

Литература:

1. Ядыкин И.Б., Шумских В.М., Овсепян Ф.А. Адаптивное управление непрерывными технологическими процессами. М.: Энергоиздат. – 1985
2. Алиев Р.А. инвариантности и его применение для проектирования промышленных систем управления. М.: Энергоиздат. – 1985