Честотни инвертори

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2008

Честотни инверториЧестотни инверториЧестотни инверториЧестотни инверториЧестотни инвертори
 

Технически тенденции в конструктивното им развитие, критерии за избор, методи за регулиране

Електрозадвижването представлява енергосилово устройство, привеждащо в движение машина или механизъм. Основни елементи на електрозадвижването са източник на енергия, предавателен механизъм и апаратура за управление. Съвременните регулируеми електрозадвижвания (ASD - adjustable speed drives) са известни с наименованието честотни инвертори (variable-frequency inverters). Най-използваните в момента честотни инвертори (ЧИ) са за напрежение 3х380 V. За двигатели с мощност до 2.2 kW се използва 1х200 - 240 V. ЧИ работят с толеранс на захранващото напрежение -15/+10% от номиналното.

Възможността за регулиране на оборотите (n) на асинхронния двигател се предопределя от функционалната зависимост между тях и честотата на мрежата (f) и чифтовете полюси (p): n = 60f/p.

Проучванията показват, че около 65% от електроенергията в промишлеността се изразходва от асинхронни задвижвания на вентилатори и помпи с постоянни обороти. Използването на честотните инвертори би могло да доведе до енергоспестяване, повишаване на рентабилността и конкурентоспособността, както и до подобряване на екологията. В момента пазарният дял на честотните инвертори в световен мащаб се оценява на около 3 млрд. USD и се очаква ежегоден ръст от около 5,8%. Роля в увеличаването на пазарния дял на честотните инвертори имат и достиженията на компютърната и микропроцесорна техника, които доведоха до разработването на интелигентни системи за управление.

Когато трифазен асинхронен електродвигател работи с честотен инвертор, той се захранва с променлива честота и напрежение. Зависимостта между честотата (оборотите) на електрическия двигател (ЕД) и напрежението му се описва с U/f графика. Според формулата на Костенко:

Vн/Vст = (fн/fст)Цнст),

където индексите "н" и "ст" означават съответно нови и стари стойности на преминаване от една мрежова честота на друга.

В опростен вид формулата има вида V/f = const. Този алгоритъм е характерен за вентилаторен тип регулиране. Вследствие на все по-високите изисквания към съвременните електрозадвижвания, претърпя развитие и технологията на управлението им. Предлаганите в момента евтини трифазни асинхронни двигатели (АД) отговарят с известни условия на високите изисквания към управлението им.

Принципи на регулируемите електрозадвижвания

с асинхронен и синхронен двигател (АД, СД). Всички съвременни честотни преобразуватели (ЧП) включват няколко основни блока (фиг. 1). За ЧП, използвани за трифазни електродвигатели (ЕД), се създават три напрежения, изместени електрически на 1200. Два са принципите на регулируемите електрозадвижвания:

Честотно импулсно преобразуване - ЧИП. Както се вижда на фиг. 2, постоянното напрежение се преобразува в симетрични правоъгълни импулси с променлива честота. От фигурата ясно се вижда, че импулсите, формиращи синусоидата, са еднакви по големина и време. Те се сгъстяват към върха на квазисинусоидата и се разреждат в основата й. Методът за момента се използва ограничено.

Широчинно-импулсно модулиране - ШИМ (Pulse-width modulation). При ШИМ постоянното напрежение се преобразува в симетрични правоъгълни импулси с различна продължителност. За разлика от ЧИП, при широчинно-импулсното модулиране честотата на следване на импулсите е фиксирана и се движи за различните режими на работа от 2 до
16 kHz. Ширината на импулса се разширява към върха на квазисинусоидата и се стеснява в основата. Аналогично е и с отрицателната част на синусоидата, променя се само полярността на напрежението.

Регулирането на оборотите е най-икономичният начин за плавно управление на асинхронните двигатели. ЧИ могат да захранят ЕД с честота 0,5 до 4000 Hz, а в някои случаи и до 16 000 Hz. Процесорът регулира времето за подаване на напрежение в намотката на ЕД (осъществява се ШИМ). По този начин се образува въртящо се магнитно поле, въртящ момент, ускорение и забавяне. ЧИ формират квазисинусоидален ток в асинхронните двигатели със сумарни нелинейни изкривявания (total harmonic distortion) THD Ј 5 - 6%.

Полупроводникови прибори за честотни инвертори

Регулирането без енергийни загуби става възможно едва след появата на достатъчно мощни полупроводници. Използват се мощни ключови транзистори от тип IGBT, MOSFET. В началото са правени опити с "класически" тиристори поради отсъствието на достатъчно мощни и бързи други видове полупроводници. ЧИ, конструирани с тях, се характеризираха с много хармоници, създаващи свои въртящи магнитни полета с честота, кратна на основната, и посока, обратна на въртящия момент на АД. Известное е, че хармониците водят до понижаване на КПД на ЕД, повишават температурата му, повишават шума и т.н. При тях е задължително следене на коефициента на формата (Distortion Factor) kD=(I1/IRMS).

Преобразователите с биполярни транзистори с изолиран гейт (IGBT) (фиг. 4) по всички параметри превъзхождат своите тиристорни конкуренти, особено при управление на индуктивни товари. Може да се каже, че са най-перспективният ключ, използван в ЧИ до момента. Имат по-висок КПД, добър масообемен показател, поради отсъствието на комутирани реактивни вериги. В момента почти всички фирми, произвеждащи честотни регулатори, използват IGBT транзистори. Напоследък се появиха и IGBT транзистори от тип VDSS с параметри Is до 3600 А (използва
38 000 паралелни структури) и V
sd над 7000 V, с които стана възможно непосредствено управление на мощни 6 kV двигатели. Разбира се, най-голям ефект от ЧП може да се очаква при използването им за управление на мощни ЕД.

Ограничено се използват и симетрични тиристори GTO, IGCT, SGCT, имащи възможност и за изключване по управляващия електрод (необходима е 10-50 пъти по-голяма мощност, подадена на електрода, в сравнение с необходимата, за да се запуши тиристорът). SGCT са с интегрирано управление (използват не толкова мощни драйвери) и намира приложение за свръхвисокомощни ЧП с работни честоти до 1000 Hz. ЧИ с тиристори в момента се използват изключително при управление и защита на свръхмощни ЕД от порядъка на 5000 - 8000 kW и напрежения 6 - 15 kV. Нови перспективи откри и появяването на ново поколение IGBT транзистори, т. нар. Trench IGBT, с време на превключване по-малко от 0,05 - 0,1 ms, а също така и тяхната разновидност - биполярни транзистори с изолиран гейт и увеличена инжекция (IEGT) и Trench IGBT (изключително високоволтови), с натрупване на носители (CSTBT) и свръхбързи диоди (FRD). Нопоследък се появиха съобщения за нови видове тиристорни ключове - IGCT и ITGQM, които за момента превъзхождат IGBT транзистора само по допустимо напрежение, но са близки като други параметри. Честотата им на превключване е 2 KHz, отличават се с по-ниски загуби при di/dt 4 кА/ms, по-високи електрически параметри (6000 А/6000 V - силициевата пластина е с диаметър 125 mm), но това все още са лабораторни данни.

Новата технология - NPT3 IGBT, представлява развитие на широкоизвестната NPT-технология. Trench-IGBT имат по-малки загуби при превключване (средно 20-25%). В момента IGBT транзисторите биха могли да се намерят както като дискретни компоненти, така и като модули с NPT3 IGBT кристали. Такъв модул съдържа от 1 до 48 кристала.

Драйвер за силови полупроводникови прибори

За тиристори до 5000 А с галванична изолация до 7500 V пиково и максимална честота до 1 kHz устойчивостта на драйверите към dU/dt не трябва да бъде по-малка от 15 kV/ms. По отношение на драйверите за IGBT и полевите транзистори с галванична развръзка на веригата за управления за единични силови транзистори и полумостове с работно напрежение до 4500 V и работен ток до 2000 А с честота на комутация до 100 kHz и пълен набор от защитни функции, устойчивостта по отношение на dU/dt не трябва да бъде по-малка 15 кV/ms. Драйверите следва да имат вградена функция за контрол и защита на транзисторите.

Електролитни кондензатори в честотните инвертори

Един от най-важните параметри при избора на силови кондензатори за DC-шините на захранването на ЧИ е допустимият ток на пулсация (I»R - rated ripple current). Като се отчете температурната и честотната корекция, се изисква допустимият ток на пулсация да е възможно най-голям. А еквивалентното последователно съпротивление (ESR - equivalent series resistance) и собствената индуктивност (ESL - capacitor self-inductance) - да са по-малки. Традиционно във филтрацията на постоянния ток на ЧИ с IGBT силови транзистори се използват алуминиеви електролитни силови кондензатори с повишена мощност. Диелектрикът е Al2O3 и дебелината му следва да издържа номинално напрежение от порядъка на 1,2 nm/V. Технологичните модернизации на водещите фирми са в посока навиването на кондензатора, хомогенността на алуминиевото фолио, усъвършенстването на процеса на създаване на диелектрика, както и на състава му с цел съхраняване на стабилността му при резки температурни промени, херметизация на корпуса и др.

Следва да се има предвид, обаче, че тези мерки не са достатъчни за обезпечаване на дълга безаварийна работа на изглаждащите филтри на ЧИ, характеризиращи се с големи пулсации на изправения ток. Допустимият пулсиращ ток на силовия кондензатор е обратнопропорционален на еквивалентното серийно съпротивление (ESR). Протичащият ток създава електрохимични процеси, повишаващи ESR на десетки W, и колкото е по-голямо съпротивлението, толкова повече топлина се отделя, повишава се парциалното налягане в кондензатора, развива се лавинообразен процес и в крайна сметка кондензаторът излиза от строя. Температурата в най-горещата точка (hot spot) - Тмакс, обикновено е в геометричния му център и се определя според зависимостта Рвътр = I»2xESR. Наред с това е важен tgd - ъгълът на диелектричните загуби при честота на пулсациите на изправения ток.

При монтажа на силов електролитен кондензатор трябва да се обръща внимание на охлаждането му. При закрепване към охладителна плоскост следва да се има предвид, че въздушна междина 0,2 mm има топлинно съпротивление »1,4 К/W. Схемотехниката на ЧИ предполага използването на голям брой мощни високоволтови, последователно и паралелно съединени електролитни кондензатори. Това води до повишаване на паразитната индуктивност и повишава комутационните пренапрежения на запушващия се IGBT транзистор в силовия модул. При смяната на IGBT транзистор е важно той да бъде включен непосредствено на шината, близо до силовия кондензатор.

Новости при конструирането на честотни инвертори

Потискането на създаваните хармоници се осъществява чрез регулиране подаваната енергия към изправителя на ЧИ. Реализира се с ключови полупроводници, които прекъсват тока в "нулата" на полупериода (Zero Voltage Switching Converter). Те пропускат толкова полупериоди на мрежовото напрежение, колкото е необходимо, за да се дозаредят бустърните кондензатори, които от своя страна дозареждат основните кондензатори след изправителя. Поставянето на индуктивности на входа и синус филтри на изхода утежнява общата конструкция.

При мощните ЧИ захранването се осъществява от трансформатор, формиращ 18 фази. Много интересно е решението на две от водещите компании в областта на честотните инвертори, използващо четиристъпална форма на изходното напрежение - фиг. 5. Четиристъпалните ЧИ се отличават с форма на изхода си, близка до синусоидалната, което облекчава работата на синус филтъра. Предлагат се и многостъпални честотни инвертори (multi-level). Резултатът е възможност за използването им за всички видове стандартни електродвигатели, без синус филтри. Напоследък стана възможно и монтирането на многостъпални ЧИ в подемни и тягови електрозадвижвания с мощности 3 - 5 MW, електролокомотиви, мощни подемни кранове и др. Коефициентът им на полезно действие достига 98% с възможност при спиране генерираната електроенергия да се върне в мрежата.

Най-сложният елемент при мощните честотни инвертори е захранващият трансформатор. Така например, съществува ЧИ с мощност 2400 - 3600 кVA (6,6 кV) с габарити 7800х2400х1000 mm и маса 13 400 кg. Вторичните му намотки са разделени на три групи, всяка от които е с по 6 намотки. Фазовата разлика между съседни намотки при 18-фазно изпълнение е 10°, а между 1ва и 6та е 50° електрически. Всяка намотка е включена към силов модул (Power-Cell). В случай на повреда, благодарение на функцията Power-Cell-Bypass, повреденият участък се шунтира, а управлението автоматично се коригира. Това допринася за постигането на по-висока надеждност. Използването на 18-фазен изправител облекчава работата на филтъра след изправителя. Намаляват се пулсациите в изправеното напрежение, което оптимизира работата и на силовите кондензатори. Тяхната цел е единствено да поемат излишната енергия при динамична работа на ЕД. Друга характерна специфика е неразглобяемостта на конструкцията и поставянето на два трансформатора при мощности по-високи от 2400 кVA и напрежение 6,6 kV. Възникващите вълни в намотките се дължат на стръмните фронтове на напрежението. Причината се състои в работата на честотните инвертори в ключов режим.

Критерии за избор на честотен инвертор

Напълно логично в процеса на избор на честотния инвертор следва на първо място да се отчете конкретната инженерна задача, която ще изпълнява електрозадвижването. Основни критерии при избора на честотен инвертор са:

l тип и мощност на ЕД;

l точност на регулиране в диапазона на скоростта;

l точност на поддържане на въртящия момент на вала на ЕД, както и

l други характеристики на честотния инвертор.

При работа на честотните инвертори със специални електрически двигатели, например с вградена спирачка, потопяеми, синхронни, високоскоростни и други, водещи при избора им са номиналният ток и неговите параметри.

За да се увеличи точността на поддържане на момента и скоростта при променлив товар без датчици за обратна връзка, трябва точно да се контролира моментът на вала на ЕД. Съществуват различни

Методи за регулиране

сред които са:

Честотен метод на регулиране - ефективен е, когато товарът на двигателя е известен и практически не се променя при една и съща стойност на оборотите. Условие за използването на този метод на регулиране е ниската граница на въртене да не е по-малка от 5-10 Hz.

Честотен с обратна връзка по скорост на въртене - прилага се при прецизно регулиране (използва се енкодер) с известна зависимост от оборотите на ЕД. Този метод намира приложение за управление на двигателите в предачни машини.

Честотните инвертори за асинхронни двигатели без сензор за скорост се превърнаха в рутинна технология през изминалите няколко години. Показват недобри характеристики при много ниска скорост. Главните причини за това са в ограничената точност на напрежението на статора, наличието на офсет (отместване) и пасивни компоненти в променливия ток - изкривени сигнали на напрежение, тесния им обхват, дисбаланса в текущите сигнали и увеличената чувствителност, водещи до промени в параметричния модел.

Посочените проблеми понижават точността на измерване при ниска скорост. Продължителното измерване при много ниска скорост става невъзможно, тъй като скоростта започва да се колебае и това рано или късно води до нестабилност на системата ЧИ/АД.

Новите техники за идентификация са конструирани с оглед решаването на тези проблеми. Чист интегратор е вграден в статора, което позволява по-широка и точна оценка. Компенсират се пасивните компоненти, за да се идентифицира отместването. Нелинейните изкривявания на напрежението се коригират посредством самоприспособяващ се инверторен модел.

В тази връзка сред методите за регулиране е т. нар.

Мащабиране на напрежението или векторен метод

Използва се в случаите на силно променлив товар при постоянни обороти. При него отсъства точна зависимост между момента и оборотите на електрическия двигател. Прилага се и при разширен диапазон на регулиране при номинален момент.

Този метод работи добре само ако са въведени точно паспортните данни на ЕД и при теста ЧИ не го е отхвърлил. Векторният метод се реализира по пътя на сложни пресмятания в реално време, извършвани от процесора на ЧИ, събиращ информация за тока, напрежението, честотата и нагряването на ЕД. Също така се използват паспортните данни и характеристики, въведени с настройката на честотния инвертор. Времето за реакция е от порядъка на 50 ms. Векторният метод позволява намаляване на реактивния ток на електродвигателя при понижаване на товара по пътя на съответстващо намаляване на напрежението. Съответно, ако товарът се увеличи, се увеличава и подаденото напрежение.

Метод за регулиране, използван от честотните инвертори, е и

Векторен метод с обратна връзка по скорост на въртене

който се използва при необходимост от прецизно регулиране на оборотите и при големи въртящи се маси. Използва се енкодер, т.е. датчик на оборотите, монтиран на вала на ЕД, и съответна платка за обратна връзка в ЧИ. Приложната му област включва промени в товара при една и съща честота и отсъствие на зависимост между момента на товара и оборотите (скокообразно изменение на товара на вала на ЕД). Също така, се използва и при голям диапазон и динамика на регулиране и моменти, близки до номиналния. Фактически се осъществява амплитудно-фазово регулиране. Електрическият двигател се отличава с висок пусков момент, който не се изменя до номиналните обороти. Мощността на ЕД съответства на зададените обороти.

Икономията на електроенергия при този метод на регулиране от порядъка на 30%, а в някои случаи би могла да достигне 60%.

Когато се говори за методи за регулиране, не бива да се пропуска т.нар.

ПИД регулатор

или пропорционално интегрално диференциален регулатор. При този метод честотният инвертор променя честотата с оглед поддържането на определен параметър на системата, например разход, скорост, налягане, температура и др., постъпили от преобразуватели със стандартен аналогов изход 0-10 V, 4-20 mA. Наличието на ПИД регулатор позволява да се опрости управлението и да отпаднат външните регулатори.

Съществуват и други закони за регулиране, освен описаните, както и комбинация и разновидности на вече разгледаните методи.

Предимства на честотните инвертори

Основните предимства от използването на честотни инвертори биха могли да се систематизират в шест основни групи, а именно:

l Енергоспестяване;

l Удължен живот на механичното оборудване;

l Намаляване на пусковия ток;

l Елиминиране на пулсациите в напрежението;

l По-висок пусков момент, вместо старт с понижено напрежение;

l Висок КПД 96,5 - 98,5%.

Недостатъци на честотните инвертори

Както всяко техническо решение и използването на честотни инвертори е свързано с редица проблеми. Сред тях е създаването на електромагнитни смущения, т.е. стръмни импулси, подавани към ЕД, които се разпространяват по цялата електрическа верига. Според изискванията на IEEE и EN, това налага поставянето на филтри.

Друг проблем е скъсяването на живота на изолацията на електрическия двигател. Известно е, че скоростта на нарастване на напрежението на предния фронт на импулса се представя с израза
du/dt>10kV/
ms. По този начин извънредно се натоварва изолацията, тъй като двигателите са проектирани за скорост на нарастване на напрежението du/dt<1kV/ms. Например, ако се замести във формулата v = L(di/dt), I с големина 100 А, възникнали в индуктивност 100 mH за интервал от време 1ms, се създава пренапрежение 10 kV. Вълновият процес, в най-общия случай, се описва със система диференциални уравнения:

|du/dx = - ri - L(di/dt)

|

|di/dx = - qu - C(du/dt),

където х е разстояние, t - време, а v - скорост на разпространение на вълната. Видно е, че колкото изменението на тока е по-голямо и за по-кратък период от време, възникващото пренапрежение в по-голяма индуктивност е по-високо. Друг проблем от възникването на вълна е отражението й в края на линията, където тя се сумира с отстъпващата, утежнявайки работата на изолацията. Капацитивната част зависи от дължината на захранващия кабел и капацитета му към земята. Това съпротивление е значително за високочестотната компонента и значително затруднява работата на ЧИ, натоварвайки го допълнително.

Използването на честотен инвертор води до скъсяване на живота на лагерите на ЕД вследствие на възникването на токове, минаващи през тях. Асиметрията в конструкцията на ЕД, особено между чифтовете полюси, създава потенциал в оста на двигателя, дори и ако той е захранен от чисто синусоидално напрежение. То се затваря през лагерите на ЕД и заземлението. В момента, изработването на електродвигателите е високо прецизно и проблемът бе решен, но с появата на ЧИ отново придоби актулност. Реално следствие е възникването на електроерозия в лагерите. Причината е появата на високочестотни синфазни блуждаещи токове, предизвикани от стръмните фронтове на подаваното напрежение. Измерени са стойности от порядъка на 2-10 V на вала на ЕД. Това явление е толкова по-силно изразено, колкото оборотите са по-ниски от номиналните.

Проблем, свързан с използването на честотни инвертори, е и повишеният шум от ЕД. Захранващото напрежение не е чисто синусоидално и шумът от магнитострикцията се явява допълнително шумово натоварване. Възникващите високочестотни компоненти създават условия за силна магнитострикция в шихтования магнитопровод на ЕД, вследствие високо ниво на шума.

Технически предизвикателства пред развитието им

Техническите предизвикателства пред разработчиците на честотните инвертори са в посока:

l Обезпечаване на електромагнитна съвместимост на автономен инвертор и АД, позволяващо използването на стандартни двигатели, практически без разтоварване по мощност;

l Оптимизация на параметрите на високоволтовия вентил, включващ последователно съединени силови полупроводникови прибори, което е особено важно при използването на прибори от нов тип (IGBT, GTO, IGCT, SGCT), особено при работа с високи напрежения;

l Диагностика на вентилното оборудване на честотния инвертор с оглед осигуряване на превантивен контрол на силовата схема;

l Усъвършенстване на функциите на микропроцесорния контролер; разширяване на възможностите за използване на високоволтови честотно-регулирани електрозадвижвания в различни приложения (помпи, вентилатори, компресори и др.);

l Усъвършенстване на тест-контрола на елементите на оборудването и изходния контрол на честотния инвертор;

l Използване на нови конструкции материали, както и оптоелектронни елементи. Усъвършенстване на системите на охлаждане на силовите полупроводници и електролитните кондензатори;

l Обезпечаване на електромагнитна съвместимост на високоволтовите преобразователи с електроснабдяването и съответствие с показателите за качество на електроенергията и действащите стандарти;

l Голямо удобство представлява възможностите да се управлява честотният инвертор чрез използването на възможностите, предлагани от съвременните комуникационни технологии;

l Разработване на интелигентни силови модули (изправител-инвертор) с мощност до 100 kW;

l Конструктивни подобрения с оглед намаляване на отделената топлина от честотния инвертор.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top