Термин:

Приводная техника

Преобразователь частоты: а что в нем?

Преобразователи частоты сейчас предлагаются огромным количеством фирм. И если с их основной функцией -  регулированием скорости – вроде бы все понятно, то с различными и режимами и опциями подчас не все так просто. Ниже рассмотрены наиболее распространенные функции, реализуемые в преобразователях частоты, а также способы управления двигателем.

Способ управления двигателем: векторное управление или DTC

DTC (direct torque control – прямое управление моментом), настолько часто переводится на русский язык как «векторное управление», что едва ли не большинство пользователей преобразователей частоты стали считать, что так оно и есть.Однако, на самом деле это два совершенно разных подхода к управлению асинхронным двигателем.

Векторное управление (vector control, field-oriented control, FOC) предполагает расчет потокосцепления ротора двигателя (путем интегрирования токов и напряжений статора), а также разложение вектора тока статора на две перпендикулярные составляющие: намагничивающую («ток возбуждения») и моментообразующую (определяющую момент на валу двигателя). При этом используется вращающаяся система координат, в которой действительная ось совпадает с направлением вектора потокосцепления ротора. Момент двигателя рассчитывается как произведение потокосцепления (т.е. индукции) и моментообразующей составляющей тока. Путем регулирования (обычно с помощью ПИ-регуляторов, хотя возможно и использование релейного принципа) намагничивающей и моментообразующих составляющих достигается требуемое значение момента двигателя. Получаемые задания тока по обеим осям преобразуются в неподвижную (трехфазную) систему координат и используются для управления инвертором (обычно с ШИМ).

При прямом управлении моментом также используется расчет векторов потокосцепления и тока. И это единственное, что есть общего между DTCи векторным управлением. Далее все происходит совершенно иначе. Из векторов потокосцепления и тока рассчитывается электромагнитный момент (как векторное произведение) и сравнивается с заданием момента. Если момент или потокосцепление отличаются от заданных, то система управления прогнозирует такое состояние ключей инвертора, при котором момент или потокосцепление войдут в зону допустимых отклонений за минимальное время. Таким образом, при DTC исключается «промежуточное звено» в виде регуляторов тока и ШИМ-модулятора, а при управлении инвертором используется релейный принцип. Как следствие DTC обладает следующими особенностями:

• регулирование момента и потока осуществляется с минимальными задержками, что связано с отсутствием промежуточных звеньев в системе;

• сниженные потери в инверторе за счет того, что коммутация ключей происходит только по мере необходимости (а не постоянно, как в системах с ШИМ);

• при ступенчатом изменении задания практически отсутствует перерегулирование;

• нет необходимости в преобразовании системы координат (все расчеты могут выполняться в неподвижной системе);

• не требуется ШИМ-модулятор;

• снижается уровень шума в связи с отсутствием фиксированной частоты коммутации ключей инвертора. Заметим, что средняя частота коммутации может поддерживаться в необходимых пределах (обычно выбирается по соображениям потерь в инверторе);

• отсутствуют ПИ-регуляторы, что упрощает настройку системы управления;

Для реализации прямого управления моментом требуется быстродействующая система управления с периодом обсчета порядка 10-30 мкс. Кроме того, предъявляются повышенные требования к датчикам тока и напряжения, как в части шумов, так и в части линейности.

Оба метода управления плохо работают на низких скоростях (ниже 1 Гц) из-за накопления ошибок интегрирования при расчете потокосцеплений. Поэтому для получения качественного регулирования скорости требуется датчик скорости (тахогенератор или энкодер).

Устойчивость к провалам напряжения (ride-through capability)

Под устойчивостью к провалам напряжения обычно подразумевается способность преобразователя частоты сохранять способность к управлению двигателем при кратковременных провалах силового напряжения. При этом кинетическая энергия двигателя отдается звено постоянного тока с целью поддержания в нем достаточного напряжения. Это гарантирует, что при восстановлении напряжения сети будут исключены броски тока, связанные с зарядом конденсаторов звена постоянного тока (при включении преобразователя для этого используется специальная зарядная цепь). Заметим, что у многих преобразователей частоты питание системы управления осуществляется от напряжения звена постоянного тока через DC/DC-конвертор. Таким образом, до тех пор, пока двигатель вращается, преобразователь способен вернуться к нормальной работе при восстановлении напряжения питания. При этом, естественно, предельная продолжительность «работы без питания» определяется моментом инерции двигателя/механизма и моментом нагрузки.

Узел сброса энергии (braking chopper)

Транзистор, обеспечивающий сброс энергии из звена постоянного тока на тормозной резистор (braking resistor). При торможении двигателя (dynamic braking)его кинетическая энергия отдается в звено постоянного тока, что приводит к росту в нем напряжения. Для исключения появления в звене слишком высоких напряжений, оно подключается через вышеуказанный транзистор срезистору (т.е. на нем выделяется тепло). Если в преобразователе частоты узел сброса энергии отсутствует, то при попытке затормозить нагрузку с большим моментом инерции сработает защита от чрезмерного напряжения в звене постоянного тока.

Торможение с узлом сброса энергии приводит к рассеиванию энергии в виде тепла, поэтому такой способ вряд ли можно назвать «энергосберегающим». Однако он широко используется для нагрузок с небольшими маховыми массами или при редких торможениях. Для частых торможений нагрузок с большим моментом инерции (напр. центрифуг) целесообразно использовать преобразователи частоты с активным выпрямителем, способные отдавать энергию в сеть.

Избегание критических скоростей (critical speed avoidance)

Многие преобразователи позволяют задать «запрещенные» диапазоны частот, которые проходятся электроприводом с максимально-возможным ускорением/замедлением. Весьма полезная функция для нагрузок, склонных к резонансу на определенных частотах.

Работа на «общий вал» (drooping control)

В ряде механизмов двигатели механически связаны тем или иным образом (напр. через транспортируемый материал). Как следствие возникает необходимость выравнивания скоростей и нагрузок. Для этого механическая характеристика двигателей при частотном управлении искусственно делается падающей. Кроме того, большинство преобразователей частоты имеют возможность работы в режиме «ведущий-ведомый», когда ведущий преобразователь (master) передает задание момента или скорости для ведомого.

Управление внешним механическим тормозом (mechanical brake control)

Данный режим необходим для многих грузоподъемных механизмов (кранов, лифтов и т.п.). Преобразователь должен обеспечивать снятие тормоза при запуске, причем с контролем наличия момента двигателя (по измеренным токам и напряжениям). Кроме того, при остановке, в том числе по срабатыванию защит, должна выдаваться команда на наложение тормоза.

Активный выпрямитель (active front end, AFE)

Активный выпрямитель имеет выпрямитель, построенный по той же схеме, что и инвертор. Таким образом, он способен инвертировать напряжение звена постоянного тока и отдавать энергию в сеть. Такие преобразователи подходят для нагрузок, которые достаточно часто работают в генераторном режиме, напр. для центрифуг, грузоподъемных механизмов и т.п. Такие преобразователи позволяют экономить электроэнергию и отличаются высоким коэффициентом мощности и малой эмиссией гармоник в питающую сеть. Единственный недостаток – цена, которая обычно приблизительно в полтора раза выше, чем у обычного преобразователя частоты.

Автор:	Admin
Дата:	2011-06-01