Електрозадвижвания средно напрежение

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2014

Електрозадвижвания средно напрежениеЕлектрозадвижвания средно напрежениеЕлектрозадвижвания средно напрежениеЕлектрозадвижвания средно напрежениеЕлектрозадвижвания средно напрежениеЕлектрозадвижвания средно напрежениеЕлектрозадвижвания средно напрежениеЕлектрозадвижвания средно напрежение

Част 4. Схемни архитектури и стратегии за управление на честотни преобразуватели СН.

B предишната част на статията, публикувана в бр. 6/2014 на сп. Инженеринг ревю, бяха представени методите за пускане и регулиране на оборотите на асинхронни двигатели с навит ротор, приложението на честотните преобразуватели средно напрежение и особеностите на съгласуването им с мрежата и двигателя. Тук продължаваме с

Най-често срещаните схеми на честотни преобразуватели СН
Конфигурациите на честотните преобразуватели могат да се разделят на такива без и на такива със междинно постояннотоково звено.
Схемите без междинно постояннотоково звено са известни като циклоконвертори или матрични преобразуватели – фиг. 1.

Класическите циклоконвертори са изградени на база на тиристорни изправителни мостове. Единият от изправителните мостове във всяка фаза работи в положителната полувълна на захранващото напрежение, а другият – в отрицателната. Така към двигателя се подават срязани части от захранващото напрежение. Честотата може да се регулира от 0 до 1/3 от честотата на захранването.

Тази схема намира приложение в много мощни, бавнооборотни задвижвания с товари с голяма маса и висок начален съпротивителен момент – мелници, дробилки, въртящи се циментови пещи. Освен ограничението на честотата, тя има и друг съществен недостатък – голямото съдържание на нелинейни изкривявания, подавани към двигателя. Това изисква добавяне на филтри и избор на специални двигатели.

Приложението на циклоконверторите е ограничено и все повече се стеснява с развитието на основния тип честотни преобразуватели – тези с междинно постояннотоково звено. Но същевременно водещите производители разработват матрични схеми с използване на транзисторни IGBT преобразуватели вместо противоположно включените изправителни мостове. Привлекателността на тези схеми е възможността за четириквадрантна работа – реверсивно управление с динамично спиране и в двете посоки, реализирана с малък брой елементи.

Най-разпространената за момента конфигурация, показана на фиг. 2, включва три основни звена: изправител, постояннотоково звено и инвертор. В зависимост от вида на схемата има два основни типа топологии: изправител на напрежение (VSR) - капацитет - инвертор на напрежение (VSI) или изправител на ток (CSR) - индуктивност - инвертор на ток (CSI).

Допълнителни звена, изобразени на фигурата, които могат да присъстват или не, в зависимост от конкретната конфигурация, са: входящ филтър, входящ трансформатор, изходящ трансформатор и изходящ филтър.

Има голямо разнообразие в конкретните схеми, които се използват понастоящем и няма как едно схемно решение да бъде определяно като по-добро или по-лошо от друго, още повече, че развитието в областта е много бързо. По-нататък са представени някои от най-често срещаните конфигурации.

На фиг. 3 е показан SGCT тиристорен инвертор на ток с SGCT тиристорен изправител с ШИМ. Това е една от конфигурациите от най-висок клас за момента, съответно с доста висока цена. Схемата е пределно проста и икономична откъм елементи, но пък това са скъпи високоволтови компоненти.

Използването на ШИМ за изправителя елиминира ефективно хармониците, генерирани в захранващата мрежа. Постояннотоковото звено е реактор. Той е по-скъпо и обемисто устройство в сравнение с кондензатора, използван в системите с инвертор на напрежение, но затова пък в комбинация с ШИМ, използван за управление на инвертора, позволява много ефективно елиминиране на хармониците, подавани към двигателя. Поради това както входният, така и изходният филтър са прости и е достатъчно да имат малки стойности на индуктивността и капацитета.

По-икономични варианти на същата схема включват използване на изправители, базирани на по-евтини тиристори, без ШИМ. Изправителите могат да бъдат 6-пулсови, 12-пулсови, 18- и повече пулсови – вж. фиг. 4 и 5.

За сметка на необходимостта от многонамотъчен трансформатор на входа изправителите с повече фази позволяват значително намаляване на хармониците, генерирани в захранващата мрежа, благодарение на взаимното компенсиране на хармониците с нисък номер, генерирани във всяка от фазово-отместените вторични намотки на входящия трансформатор, а също използване на тиристори за по-ниско напрежение.

Що се отнася до 6-пулсовия изправител, генерираните от него в захранващата мрежа хармоници са толкова високи, че се налага монтиране на входа на преобразувателя на резонансни филтри за хармоници и разделителен трансформатор или голям реактор.

Така за сметка на по-евтини комутационни елементи вариантите с изправител без ШИМ изискват по-сложни схеми и допълнителни звена, каквито са входящите трансформатори и филтри. На фиг. 6 е дадено сравнение между генерираните в мрежата хармоници на тока за различни видове изправители.

Широко разпространена конфигурация е схемата с каскадни Н-мостове, показана на фиг. 7. Тя е базирана на последователно включване на нисковолтови звена, изградени от изправител и инвертор на напрежение, захранвани от многонамотъчен трансформатор, в конкретния случай – 9-намотъчен. Този вид конфигурации са обемисти и включват голям брой елементи, което намалява надеждността. За сметка на това осигуряват много добро елиминиране на хармониците и използват евтини нисковолтови комутационни елементи.

Последният тип конфигурация, която ще отбележим, е тази с многостъпални (multilevel) инвертори на напрежение. На фиг. 8 е показана конфигурация с 3-стъпален инвертор. Приложение намират 2-, 3- и 5-стъпални схеми. С увеличаване броя на стъпалата се намалява напрежението, което трябва да комутира всеки от елементите и се подобрява елиминирането на хармониците. Същевременно броят на развързващите елементи нараства неимоверно много.

Тенденцията при всички конфигурации на съвременните преобразуватели е да се използват управляеми изправители, които дават възможност за динамично спиране с връщане на спирачния ток в мрежата и за компенсация на фактора на мощността. Често срещан термин за изправител, позволяващ динамично спиране, е “active front end” (AFE). Използването на ШИМ както за инвертора, така и за изправителя се налага все повече поради безспорните предимства на метода по отношение елиминиране на хармониците.

Управление на честотни преобразуватели СН
Определящи при избора на типа управление са изискванията за точност на поддържане на зададените обороти и бързината (динамиката) на регулиране.
Най-простият метод за управление е този със зададено отношение V/f или т. нар. скаларно управление.

При него се отработва зададената честота на захранващото напрежение, а големината му се задава пропорционално на нея с фиксиран коефициент на пропорционалност. При прилагане на линейна зависимост V/f се постига управление с постоянен въртящ момент. Има преобразуватели, при които могат да се избират различни от линейното съотношения между напрежението и честотата, като тогава се реализира управление с променлив въртящ момент.

Този тип функции са подходящи за помпи и вентилатори, чиято нелинейна зависимост на съпротивителния момент от честотата е ясно изразена. Може да има няколко избираеми зависимости на V(f), заложени в софтуера на преобразувателя, като от тях да се избира най-подходящата за дадения товар.

Съществуват също алгоритми за автоматично коригиране на напрежението при достигане на зададените обороти, при което се постига подобряване на к.п.д. на задвижването. При скаларното управление обаче вариациите на съпротивителния момент на товара диктуват съответни изменения в двигателния момент и водят до вариации в хлъзгането на двигателя. Този метод е подходящ за задвижвания, към които не се поставят изисквания за поддържане на точни обороти.

Повечето съвременни преобразуватели осъществяват векторно управление. При векторното управление честотата и напрежението се управляват независимо едно от друго, като целта е независимо управление на магнитния поток на намагнитване от потока, създаващ въртящ момент. В резултат се постига поддържане на въртящия момент и на скоростта при изменение на съпротивителния момент.

Има различни системи за векторно управление, като основно могат да се откроят две групи:
• field oriented control (FOC) – сигналите за управление се формират от PI регулатори, които управляват модулиращи звена за ШИМ с фиксирана опорна честота;
• direct torque control (DTC, директно управление по въртящ момент) – управляващите сигнали се подават директно към транзисторите на инвертора, честотата на модулация е произволна в зависимост от колебанията на измерваните параметри.

При всички системи за векторно управление се извършва изчисляване на съставките на статорния и/или роторния ток и магнитните потоци, отговорни за намагнитването и за създаването на въртящия момент. В зависимост от системата се използват различни математически модели.

Основните измервани величини във всички системи за векторно управление са статорният ток и напрежение на двигателя и тяхното фазово отместване. На база на тези величини, на честотата и на въведените в софтуера номинални параметри на двигателя се извършват споменатите изчисления на магнитните потоци. За целта преобразувателите трябва да са оборудвани със съответни датчици. Системите с DTC управление са чувствителни към високочестотни шумове, респективно към качеството на датчиците.

Системите за векторно управление могат да бъдат с датчик за обороти (енкодер), монтиран на вала на двигателя, или без такъв датчик. В първия случай те са известни като системи с обратна връзка (closed loop), а във втория – без обратна връзка (open loop или sensorless), при които се извършва софтуерно изчисляване на оборотите и положението на вала.

Системите за управление се характеризират с точността на регулиране по честота (в %) и с честотата на пропускане на регулатора (в rad/s), която е мярка за бързодействието му. Като цяло системите с обратна връзка по обороти имат по-голяма точност и бързодействие. Също така системите с DTC управление имат по-голяма точност и бързодействие от тези с FOC управление.

По същия начин системите за управление се подреждат във възходящ ред и по отношение на способността си да поддържат работа при много ниски обороти – скаларно управление, векторно FOC управление и DTC управление.

Тук ще се въздържим от посочване на конкретни цифри, тъй като развитието в тази област е много динамично. По-важно в случая е да се оцени какви са реалните нужди на задвижваната система и да се сравни с възможностите на конкретни преобразуватели. 80% от задвижваните машини нямат изисквания за поддържане на точен въртящ момент и обороти, а само нищожна част от задвижванията изискват работа на много ниски обороти или голямо бързодействие на регулирането.




Top