Обоснование и выбор преобразователя частоты и дополнительного оборудования

Выбор частотного преобразователя:

По уровню напряжения питания существует три варианта преобразователей: 380–415, 500–525 и 600–690 В. По степени защиты оболочки они бывают IP 23 и IP 54. Существует два варианта системы охлаждения: с общим и с раздельным контуром охлаждения.

В последнем случае охлаждение силовых элементов происходит отдельным потоком воздуха, заключенным в специальные воздуховоды, что предотвращает перегрев управляющей части преобразователя, которая охлаждается отдельным вентилятором. При большой мощности силовая часть охлаждается жидкостным контуром.

По способу управления электродвигателем частотные преобразователи можно разделить на две группы: с векторным и скалярным управлением, и каждая модель имеет свои преимущества и недостатки.

Скалярный тип управления. При скалярном (частотном) управлении формируются гармонические токи фаз двигателя это означает что управление 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.
Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей.
Скалярный способ управления позволяет осуществлять легкую регулировку, даже при использовании заводских настроек.

Векторный тип управления. Векторное управление — метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора (моментом на валу двигателя). Векторное управление применяется в случае, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах, например, 0…50 Гц для момента 100% или даже кратковременно 150-200% от Мном, это 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». Векторный способ управления преобразователем частоты позволяет осуществлять гораздо более качественное управление электродвигателем, нежели скалярный. Зато настройка такого преобразователя требует глубоких познаний в области устройства электропривода и электрических машин.

Метод векторного управления с обратной связью по скорости – используется для прецизионного регулирования (необходимо использовать инкрементальный энкодер) скорости, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходим максимальный диапазон регулирования частоты при моментах близких к номинальному.

Векторный метод работает нормально, если введены правильно паспортные величины двигателя и успешно прошло его автотестирование. Векторный метод реализуется путем сложных расчетов в реальном времени, производимых процессором преобразователя на основе информации о выходном токе, частоте и напряжении. Процессором используется так же информация о паспортных характеристиках двигателя, которые вводит пользователь. Время реакции преобразователя на изменение выходного тока (момента нагрузки) составляет 50…200 мсек. Векторный метод позволяет минимизировать реактивный ток двигателя при уменьшении нагрузки путем адекватного снижения напряжения на двигателе. Если нагрузка на валу двигателя увеличивается, то преобразователь адекватно увеличивает напряжение на двигателе. 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.

Кроме применения с низковольтными двигателями (380–690 В), преобразователи Altivar 71 идеально подходит для построения высоковольтных приводов с применением двух трансформаторной схемы: понижающий трансформатор – преобразователь – моторный фильтр – повышающий трансформатор – двигатель. Основными преимуществами такого решения по сравнению с преобразователями, имеющими высоковольтный инвертор, являются: ценовое преимущество, простота установки и обслуживания хорошо известной модели, практическое отсутствие высокочастотных токов утечки в двигателе и отсутствие риска выхода двигателя из строя из-за большого du/dt или перенапряжения (синусоидальное напряжение питания двигателя переменной частоты), практически не ограниченная длина кабеля двигателя. В связи стенденцией повышения мощности низковольтных двигателей с дальнейшей заменой высоковольтных двигателей на низковольтные, преобразователь может использоваться без замены.

Для установленного электродвигателя выбираю частотный преобразователь следующего типа ATV71HD30N4 со следующими характеристиками:

· Номинальная мощность двигателя – 30 кВт

· Напряжение сети – 380 В

Для выбранного частотного преобразователя выбираем дополнительное оборудование:

1) Дроссель постоянного тока типа VW3 A4 510

Дросселем называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования в качестве регулируемого и нерегулируемого индуктивного сопротивления.

Предназначены для подключения к входу или выходу инверторов и других устройств преобразования частоты для уменьшения электромагнитных помех.

· Значение индуктивности – 0,52 мГн

· Номинальный ток –84,5 А

2) Сетевой дроссель типа VW3 A4 556:

· Сетевой ток короткого замыкания – 22 кА

· Значение индуктивности – 0,3 мГн

· Номинальный ток – 100 А

Дроссель сетевой ослабляет броски напряжения в сети при включении или выключении крупных потребителей. Это не редкость, так как в России качество подводимой электроэнергии оставляет желать лучшего. Использование этого устройства существенно влияет на форму потребляемого тока и значительно приближает его к синусоидальной. При использовании дросселя сетевого в диапазоне от 10 кГц до 300 кГц достигается уменьшение нагрузочных помех вплоть до 30 Db, а также продлевается срок службы конденсаторов промежуточного контура. При использовании устройства ограничивается скорость нарастания тока, если преобразователь, по каким либо причинам вышел из строя. При этом успевает сработать входной автомат отключения питания, и повреждения оказываются минимальными, и, как следствие, более дешевый ремонт. Коэффициент, характеризующий не синусоидальность формы, в случае без сетевого дросселя равен 66%, при его использовании равен 89%. Надежность преобразователя увеличивается в 5 - 7 раз.

3) Входной фильтр типа VW3 A4 407:

· Номинальный ток – 92 А

Входные фильтры применяются для сглаживания фронта и уменьшения амплитуды выброса всплесков силового переменного питающего напряжения. Дополнительно они уменьшают амплитуду пульсаций тока, потребляемого частотным преобразователем от сети. При отсутствии всплесков напряжения в питающей сети установка фильтров не требуется.

4) Синусный фильтр типа VW3 A5 204

· Номинальный ток – 66 А

Синусные фильтры рекомендованы для применения в следующих случаях:

· Когда требуется устранить акустический шум от двигателя при коммутации;

· При запуске старых двигателей с изношенной изоляцией;

· В случае эксплуатации с частым рекуперативным торможением и с двигателями, не соответствующими требованиям стандарта IEC 60034-17;

· Когда двигатель установлен в агрессивной внешней среде или работает при высоких температурах;

· При подключении двигателей экранированными или неэкранированными кабелями длиной от 150 до 300 метров. Использование кабелей двигателя длиной более 300 метров зависит от конкретного применения.

· При необходимости увеличить интервал техобслуживания двигателя;

· При пошаговом увеличении напряжения или в других случаях, когда преобразователь частоты питается от трансформатора;

· С двигателями общего назначения, использующими напряжение 690 В.

Синусные фильтры могут использоваться с частотой коммутации выше номинального значения, но их нельзя использовать при частоте коммутации ниже номинального значения (для данной модели фильтра) более чем на 20 %. Поэтому в настройках частотного преобразователя следует ограничить минимально возможную частоту коммутации в соответствии с паспортными данными фильтра. Кроме того, в случае применения синусного фильтра не рекомендуется повышать частоту выходного напряжения ПЧ выше 70 Гц. В некотором случае необходимо ввести в ПЧ значения емкости и индуктивности синус–фильтра.

5) Тормозное сопротивление VW3 A7 704

· Сопротивление - 15 Ом

Тормозные резисторы используются для обеспечения работы электропривода в механизмах с большими инерционными массами в тех случаях, когда необходимо производить быстрое торможение двигателя.

При торможении электропривода тормозной резистор подключается к шине постоянного тока внутри преобразователя частоты, и на нем рассеивается энергия от электродвигателя.

Тормозной резистор подключается к специальным клеммам преобразователя частоты или к внешнему тормозному прерывателю.

Общее сопротивление тормозных резисторов определяется мощностью преобразователя и режимом торможения.

6) Дроссель двигателя VW3A5103

· Номинальный ток – 90 А

Трехфазные линейные дроссели для преобразователей частоты устанавливаются в питающем кабеле со стороны линии. Переменный ток промышленной частоты является основной составляющей тока, проходящей через дроссель.

Дроссели ограничивают влияние искажений напряжения в виде высших гармонических составляющих источника питания на устройство. Они также снижают переменные токи с частотами, определяемыми коммутацией управляемого выпрямителя на входе конденсаторов звена постоянного тока.