Честотни инвертори

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:

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

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.

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).

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

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.

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:

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:

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.

|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: