Tag Archives: Частотный преобразователь

Гармонические искажения сети частотных преобразователей

Теоретически, питание переменным током представляет собой синусоидальную волну с частотой 50 или 60 Гц. Всё электрооборудование разрабатывается для обеспечения оптимальных характеристик при данном питании.

Гармоники – это частотные составляющие сигналов напряжения и силы тока. Их частота отличается в целое кратное от основной частоты, и их наличие искажает синусоидальную волну.

Силовая электроника, используемая в выпрямителях, частотно-регулируемых приводах, источниках бесперебойного питания, выключателях освещения с регуляторами освещённости, телевизионных системах и в главных ЭВМ другого оборудования, создаёт несинусоидальный ток.

Этот несинусоидальный ток взаимодействует с питанием от сети переменного тока и искажает напряжение в большей или меньшей степени в зависимости от величины питающего напряжения. В целом, чем больше уровень потребляемой мощности коммутационного оборудования на месте эксплуатации, тем больше степень гармонических искажений.

Чрезмерные гармонические искажения в сети питания переменного тока подразумевают, что источник питания обеспечивает ток не только с частотами 50 или 60 Гц, но также гармоники с более высокой частотой. Эти частотные составляющие не могут использоваться электрооборудованием, а неблагоприятные воздействия могут быть достаточно серьёзными и включают в себя:

  • Ограничения питания и использования электрической сети
  • Увеличение потерь
  • Увеличение степени нагрева трансформаторов, электродвигателей и кабелей
  • Уменьшение срока службы оборудования
  • Непреднамеренные остановки с высокими издержками производственного процесса
  • Нарушение нормальной работы системы управления
  • Пульсация и уменьшение двигательного момента
  • Акустический шум

Проще говоря, гармонические искажения снижают надежность, воздействуют на качество изделий и увеличивают эксплуатационные расходы

Существует различное оборудование для уменьшения гармонических искажений, и все подобные устройства имеют свои преимущества и недостатки. Не существует единого решения для всех областей применения и условий эксплуатации электрической сети.

Чтобы добиться оптимального решения по подавлению гармоник, необходимо учитывать несколько параметров. Ключевые параметры можно разделить на четыре группы:

  • Условия эксплуатации электрической сети, включая нагрузки
  • Область применения
  • Соответствие стандартам
  • Стоимость

Самым важным фактором при определении возможности появления гармонических искажений в электрической сети является импеданс системы. Импеданс системы больше всего зависит от мощности трансформатора относительно полной установленной мощности нагрузок. Чем больше трансформатор относительно несинусоидальной мощности, тем меньше гармонических искажений.

Электрическая сеть является взаимосвязанной системой источников электропитания и потребителей электроэнергии, соединённых между собой посредством трансформаторов. Все нагрузки, передающие несинусоидальный ток, способствуют появлению гармонических искажений в электрической сети – не только при низком, но и при высоком напряжении.

При измерении напряжения в сетевой розетке может определяться некоторая степень гармонических искажений. Это относится к гармоническим предыскажениям. Так как не все потребители используют трёхфазный ток, нагрузка на каждой фазе может разной. Это приводит к возникновению различных напряжений на каждой фазе, что вызывает нарушение баланса фаз. Различные решения по уменьшению гармонических искажений имеют различную степень защищённости от предыскажений и дисбаланса, и это необходимо учитывать при выборе наиболее подходящего решения, устраняющего гармонические помехи.

Гармонические искажения усиливаются по мере увеличения мощности, потребляемой нелинейной нагрузкой, поэтому необходимо учитывать количество установленных приводов, их индивидуальные характеристики и диаграммы нагрузок.

Искажение привода определяется общим гармоническим искажением синусоидальности тока (THDi), которое является отношением суммы гармоник к основной частоте.

Нагрузка на каждый привод важна в связи с тем, что искажение THDi увеличивается при неполной нагрузке, при этом приводы слишком большого размера усиливают гармонические искажения в электрической сети.

Помимо этого, необходимо учитывать физические ограничения и ограничения, накладываемые окружающей средой, т.к. различные решения имеют различные характеристики, которые делают их более или менее подходящими для определённых условий.

Необходимо учитывать, к примеру, пространство, охлаждающий воздух (загрязненный), вибрацию, температуру окружающей среды, высоту над уровнем моря, влажность и т.п.

Для обеспечения определённого качества электрической сети большинство энергетических компаний требуют от своих потребителей соблюдения определённых стандартов и рекомендаций.

В различных странах и отраслях промышленности применяются различные стандарты, однако все они имеют одну основную задачу – ограничить искажения напряжения в электрических сетях.

Стандарты зависят от условий эксплуатации электрической сети, и поэтому невозможно гарантировать соблюдение стандартов без знания технических характеристик электрической сети.

Сами стандарты не содержат требований по использованию определённых решений для подавления гармоник, и поэтому важно понимать стандарты и рекомендации для того, чтобы избегать ненужных расходов на оборудование для подавления гармоник. Наконец, необходимо оценить первоначальные затраты и эксплуатационные расходы для того, чтобы обеспечить принятие наиболее экономически эффективного решения.

Первоначальные затраты на различное оборудование по подавлению гармоник применительно к приводам различаются в зависимости от диапазона мощностей. Решение по подавлению гармоник, наиболее эффективное для одного диапазона мощностей, необязательно будет самым экономически эффективным для всего диапазона мощностей.

Эксплуатационные расходы определяются эффективностью решений в области диаграммы нагрузок, а также затратами на техническое обслуживание в течение срока службы этих решений. По сравнению с активными решениями, пассивные решения часто не требуют проведения регулярного технического обслуживания. С другой стороны, активные решения, как правило, поддерживают коэффициент мощности на уровне единицы на протяжении всего диапазона нагрузок, что приводит к лучшей энергоэффективности при неполной нагрузке.

Также необходимо учитывать планы по развитию производства или системы в связи с тем, что одно решение может быть оптимальным для статической системы, в то время как другое решение будет более гибким при расширении системы.

 

Энергосбережение на базе использования частотных преобразователей

На протяжении многих лет цены на электроэнергию неуклонно растут, вызывая у многих промышленных, коммерческих и торговых предприятий желание снизить потребление энергии. Если этого удастся добиться, потребитель сможет поддерживать производственные затраты на постоянном уровне или даже снизить их, несмотря на повышение цен на электроэнергию. Инженеры-механики и инженеры-технологи могут снижать затраты путем снижения энергопотребления своих предприятий, достигая, таким образом, конкурентного преимущества.

Помимо чисто коммерческих соображений, имеется ряд социальных причин — например, глобальное потепление – для максимально эффективного использования ресурсов и снижения выброса диоксида углерода в воздух.

Предпринимаются также и политические инициативы для продвижения энергосберегающих технологий. Так, например, директива ЕС  «Об энергопотребляющих продуктах» (EuP, 2005/32/EC и 2008/28/EC) устанавливает требования по экологически безопасному проектированию энергопотребляющих устройств. Данная директива внедряет использование политики интегрированных продуктов, принимающей во внимание полный жизненный цикл электрооборудования от производства до утилизации.

Электропривод как ключевая технология

Технология электрического привода является ключевой технологией для повышения эффективности использования энергии. На данный момент она является самым быстрым и эффективным способом существенного снижения энергопотребления. Так, например, потребление энергии моторами холодильников, системами кондиционирования воздуха и многими другими промышленными системами приводов может быть оптимизировано путем регулирования их скорости. В одном только промышленном секторе, по подсчетам ЕС, возможно снижение потребления энергии электроприводными системами как минимум на 15%. Однако необходимо действовать осторожно, поскольку вне зависимости от мер, принимаемых пользователями, всегда следует предварительно оценивать их эффективность.

Основной целью внедрения частных преобразователей является существенная экономия электроэнергии как уже существующими, так и новыми системами и машинами. Как правило, операторы, инженеры- механики и системные инженеры склоняются прежде всего к легким в применении и, главное, недорогим мерам.

Практически во всех сферах имеется возможность снижения энергопотребления. Вне зависимости от сферы деятельности — будь это автоматизация зданий, системы конвейеров или химические процессы — основная сложность состоит в обнаружении этого потенциала и нахождении наиболее эффективного способа его использования. Операторы и пользователи, предпринимая попытки использования возможностей сбережения электроэнергии, должны обращать особое внимание на то, какие преимущества дает использование этого способа. В частности, огромным потенциалом для экономии электроэнергии обладают насосы и вентиляционные системы.

Несмотря на то, что энергопотребление этих систем в промышленных условиях является одним из самых высоких, в случае использования центробежных насосов и вентиляторов энергопотребление падает пропорционально кубу скорости. Простым и быстрым решением проблемы в данном случае является оснащение всех насосов и вентиляторов частотными преобразователями для управления скоростью. Данный способ становится все более выгоден также в связи с тенденцией снижения цен на частотные преобразователи.

Необходимо, однако, соблюдать осторожность, так как далеко не у всех насосов и вентиляторов можно регулировать скорость. Кроме того, применение самого дешевого частотного преобразователя не всегда является наиболее экономичным решением.

Несмотря на то, что во многих случаях использование частотных преобразователей приводит к существенной экономии электроэнергии, в ряде случаев это не так, а иногда наблюдается и обратный эффект. По нашим оценкам, контроль скорости целесообразен приблизительно для 50% электроприводов.

Структура энергопотребления

Помимо области применения, степень экономии определяется скрытыми расходами, зависящими от типа используемого преобразователя. Например, во многих случаях переплата за более эффективное устройство окупается в короткий срок.

Таким образом, принимая инвестиционное решение, следует учитывать не только технические, но и множество коммерческих и логистических аспектов, чтобы предотвратить неэкономные и неэффективные меры. Пользователям следует выбирать преобразователь не исходя из стоимости, а принимая в расчет функциональные возможности позволяющие достичь максимальной экономии энергии в течение всего жизненного цикла оборудования. В таком случае возможно достичь идеального баланса между стоимостью и эффективностью.

Внедрение контроля скорости в системы с электромоторами позволяет сберегать существенное количество электроэнергии. Для того, чтобы этот подход был наиболее успешен и давал требуемые результаты, и пользователям, и системным инженерам следует учитывать несколько важных моментов.

Вне зависимости от того, является система новой или уже существующей, работа специалистов и инженеров должна начинаться с оценки текущего состояния оборудования. В это понятие включаются вычисление энергопотребления, определение процессов, подходящих для регулировки скорости и оценка возможной экономии. Также этот подход позволяет подчеркнуть совместное действие нескольких факторов. По результатам такого анализа специалисты могут определять возможные решения по модернизации, а также, впоследствии, оценивать эффективность принятых мер и их соответствие изначальным планам.

Основными отправными точками эффективного анализа текущего состояния системы являются:

  • Эффективность

Самый простой способ сохранить электроэнергию — использовать более эффективные компоненты системы.

  • Управление параметрами процесса

Наиболее эффективный путь оптимизации процессов — управление давлением, потоком, скоростью и т.п. Если ранее применялся только простое двухступенчатое управление скоростью, энергетическая эффективность должна сравниваться с эффективностью, обеспечиваемой контролем скорости. Во многих случаях управление параметрами процесса является экономически целесообразным.

  • Системная схема

Многие системы не всегда проектируются с точки зрения наиболее эффективной эксплуатации или даже оптимального решения энергетической проблемы. К примеру, потенциалом для оптимизации обладают все виды трубопроводов. Маршрут прокладки труб, тип распределителя и используемые вентили должны выбираться таким образом, чтобы минимизировать встречное давление.

  • Сжатый воздух

Сжатый воздух — простое по сути, но дорогостоящее средство передачи энергии. Во многих случаях более эффективно с энергетической точки зрения использовать вместо него прямой электропривод. Как правило, операторам следует поддерживать давление воздуха на как можно более низком уровне. Снижение давления всего на 1 бар помогает сэкономить до 7-8% электроэнергии. Утечки также обходятся дорого: в зависимости от давления в системе, отверстие диаметром 1 мм может привести к дополнительному расходу энергии (от 1500 до 5000 кВч в год).

Время, в течение которого может быть вычислено преимущественное потребление электроэнергии, определяется областью применения. В случае строго определенных технологических процессов данные о потреблении энергии обычно становятся доступными после прохода некоторого количества полных циклов технологических операций.

Оценка динамики потребления в областях, зависящих от климатических условий, гораздо более затруднительна. Так, к примеру, требуемый коэффициент подачи насоса для сточных вод напрямую зависит от существующего уровня осадков.

При работе с системами с изменяемым крутящим моментом, включая насосы и вентиляторы, пользователи должны четко определить, для чего будет использоваться управление. Следует также определить максимальную эффективность вентиляторов, насосов и компрессоров и использовать эту информацию для установления оптимального диапазона управления. Кроме того, следует тщательно проверить влияние принятых мер на работу всей системы.

Максимальная экономия электроэнергии достигается пользователями только в случае детального анализа всего приводного механизма. Необходимо оценить эффективность используемых моторов, проверить используемые типы зубчатых передач, оптимизировать длину кабелей. Необходимо проверить, были ли приняты меры по электромагнитной совместимости, а также убедиться, что питающая сеть не перегружена. Кроме того, необходимо оценить коэффициент потерь и нагрузку на систему кондиционирования воздуха, предназначенную для борьбы с подобными потерями в шкафах для электрооборудования или на специальных производственных площадях.

Пользователю следует проверить и уже существующие преобразователи. Общие условия, изначально удовлетворяющие всем требованиям, могли измениться. Также такой анализ позволяет определить целесообразность таких инвестиций.

Для разумного сбережения электроэнергии необходимо, чтобы пользователи внимательно относились к оценке преимуществ и недостатков каждого технологического решения. В процессе анализа нужно помнить, что в большинстве случаев качество технологического решения возрастает в соответствии с его стартовой стоимостью. Поскольку подавляющее большинство пользователей не знакомо с техническими особенностями всех выпускаемых устройств, разумным и естественным решением является привлечение к работе экспертов и обсуждение с ними технических преимуществ и недостатков.

 

Векторное управление

Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя.

Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При  непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление».

Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток.

Менее дорогим является частотно регулируемый электропривод с векторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователя частоты.

Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна.

Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости – сотые доли процента, точность по моменту – единицы процентов.

Скалярное управление

При скалярном управлении по определенному закону изменяют амплитуду и частоту приложенного к двигателю напряжения. Изменение частоты питающего напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя, к.п.д., коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения.

В существующих преобразователях частоты при скалярном управлении чаще всего  поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется  перегрузочная способность двигателя.

При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.

Используя зависимость максимального крутящего момента от напряжения и частоты, можно построить график U от f для любого типа нагрузки.

Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей.

Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40.

Структура частотного преобразователя

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты  представлена на рисунке. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.

Схема низковольтного преобразователя частоты

Схема низковольтного преобразователя частоты

Переменное напряжение питающей сети (uвх.) с постоянной амплитудой и частотой (Uвх = const, fвх = const) поступает на выпрямитель (1).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение ud поступает на вход импульсного инвертора (3).

Инвертор современных преобразователей, как правило, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (чаще всего) импульсное напряжение uи изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается  в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.  Амплитуда и частота напряжения  определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц)  обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты – режимом работы инвертора.

При необходимости на выходе инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (Uвых = var, fвых = var).

Есть также варианты без использования звена постоянного тока, но их доля рынка постоянно снижается в связи с тем, что такой алгоритм провоцирует значительные помехи, хотя и выгоден в плане кпд.

Частотные преобразователи. Вступление

Наш сайт рад представить материалы по одной из наиболее перспективных систем автоматизации.

Системы частотного управления приводами — это данность современного состояния сферы автоматизации, которая очень и очень скоро станет обязательной. Не секрет, что необходимость их использования в ближайшее время будет закреплена в соответствующих законодательных актах.

«Почему?»- спросите Вы.

С удовольствием ответим.

Парк двигателей средней и большой мощности (более 80% от общего числа) укомплектован асинхронными двигателями. Единственный вариант сколько–нибудь гибкого, а тем более интеллектуального управления таким двигателем – управление с использованием частотного преобразователя. Негибкое же управление – это перерасход дорожающей электроэнергии (от 20 до 50 % в зависимости от сферы применения), быстрый износ систем из-за перегрева, гидроудары для насосов и подобные малоприятных вещи.

Возможность частотного управления была обоснована и разработана достаточно давно, однако долгое время применялась мало из-за схемотехнических проблем. Проблемы эти были преодолены. Сегодня в качестве управляющих элементов для мощных приводов используются системы на базе силовых тиристоров (GTO и их улучшенные вариации), для приводов средней и малой мощности используется силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Последние обладают замечательными характеристиками по быстродействию (до 100 КГц), хотя по возможной коммутируемой мощности уступают тиристорным схемам.