Частотно-регулируемый привод ( VFD , или привод с регулируемой частотой , привод с регулируемой скоростью , привод с переменной скоростью , привод переменного тока , микропривод , инверторный привод или привод ) — это тип привода переменного тока (система, включающая двигатель), который управляет скоростью и крутящим моментом путем изменения частоты входного электричества. В зависимости от топологии он управляет соответствующим изменением напряжения или тока . [1] [2] [3] [4] [5]
VFD используются в различных областях применения: от небольших бытовых приборов до крупных компрессоров. [6] Системы, использующие VFD, могут быть более эффективными, чем гидравлические системы , например, в системах с насосами и управлением заслонками для вентиляторов. [7]
Начиная с 1980-х годов технологии силовой электроники позволили снизить стоимость и размер частотно-регулируемых приводов и повысить их производительность за счет достижений в области полупроводниковых коммутационных устройств, топологий приводов, методов моделирования и управления, а также аппаратного и программного обеспечения управления.
Частотно-регулируемые приводы включают топологии переменного тока низкого и среднего напряжения и постоянного тока–переменного тока .
Проекты приводов с переменной частотой и широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) начались в 1960-х годах в Стрёмберге, Финляндия. Мартти Хармойнен считается изобретателем этой технологии. [8] [9] [10] Стрёмбергу удалось продать идею привода ШИМ метрополитену Хельсинки в 1973 году, а в 1982 году был запущен первый привод ШИМ SAMI10. [11] [12] [13]
Частотно-регулируемый привод — это устройство, используемое в системе привода, состоящей из следующих трех основных подсистем: двигатель переменного тока, узел контроллера основного привода и интерфейс привод/оператор. [2] : 210–211 [4]
Электродвигатель переменного тока, используемый в системе VFD, обычно представляет собой трехфазный асинхронный двигатель . Некоторые типы однофазных двигателей или синхронных двигателей могут быть выгодны в некоторых ситуациях, но, как правило, трехфазные асинхронные двигатели предпочтительны как наиболее экономичные. Часто используются двигатели, предназначенные для работы с фиксированной скоростью. Повышенные напряжения, накладываемые на асинхронные двигатели, которые питаются от VFD, требуют, чтобы такие двигатели были спроектированы для работы с инверторным питанием определенного назначения в соответствии с такими требованиями, как Часть 31 стандарта NEMA MG-1. [14]
Контроллер VFD представляет собой твердотельную систему преобразования силовой электроники, состоящую из трех отдельных подсистем: выпрямительного мостового преобразователя, звена постоянного тока (DC) и инвертора. Приводы с инвертором напряжения (VSI) (см. подраздел «Общие топологии» ниже) являются наиболее распространенным типом приводов. Большинство приводов являются приводами переменного тока в том смысле, что они преобразуют входной переменный ток в выходной переменный ток инвертора. Однако в некоторых приложениях, таких как общая шина постоянного тока или солнечные приложения, приводы сконфигурированы как приводы постоянного тока в переменный ток. Самый простой выпрямительный преобразователь для привода VSI сконфигурирован как трехфазный шестиимпульсный двухполупериодный диодный мост . В приводе VSI звено постоянного тока состоит из конденсатора , который сглаживает пульсацию выходного постоянного тока преобразователя и обеспечивает жесткий вход для инвертора. Это отфильтрованное постоянное напряжение преобразуется в квазисинусоидальное выходное переменное напряжение с помощью активных коммутационных элементов инвертора. Приводы VSI обеспечивают более высокий коэффициент мощности и меньшие гармонические искажения , чем инверторы с фазовым управлением ( CSI) и инверторы с коммутацией нагрузки (LCI) (см. подраздел «Общие топологии» ниже). Контроллер привода также может быть сконфигурирован как фазовый преобразователь с однофазным входом преобразователя и трехфазным выходом инвертора. [15]
Достижения контроллеров использовали резкое увеличение номинальных значений напряжения и тока, а также частоты переключения твердотельных силовых устройств за последние шесть десятилетий. Представленный в 1983 году [16], биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) за последние два десятилетия стал доминировать в VFD в качестве инверторного коммутационного устройства. [17] [18] [19]
В приложениях с переменным крутящим моментом, подходящих для управления приводом Вольт-на-Герц (В/Гц), характеристики двигателя переменного тока требуют, чтобы величина напряжения на выходе инвертора на двигатель была скорректирована для соответствия требуемому крутящему моменту нагрузки в линейной зависимости В/Гц. Например, для двигателей 460 В, 60 Гц эта линейная зависимость В/Гц составляет 460/60 = 7,67 В/Гц. Хотя управление В/Гц подходит для широкого спектра приложений, оно не является оптимальным в высокопроизводительных приложениях, включающих низкую скорость или требовательных, динамических требований к регулированию скорости, позиционированию и реверсированию нагрузки. Некоторые приводы управления В/Гц также могут работать в квадратичном режиме В/Гц или даже могут быть запрограммированы для соответствия специальным многоточечным путям В/Гц. [20] [21]
Две другие платформы управления приводом, векторное управление и прямое управление крутящим моментом (DTC), регулируют величину напряжения двигателя, угол относительно опорного значения и частоту [22] таким образом, чтобы точно контролировать магнитный поток двигателя и механический крутящий момент.
Хотя широтно-импульсная модуляция с пространственным вектором (SVPWM) становится все более популярной, [23] синусоидальная ШИМ (SPWM) является наиболее простым методом, используемым для изменения напряжения (или тока) и частоты двигателя приводов. При управлении SPWM (см. рис. 1) квазисинусоидальный выход с переменной шириной импульса формируется из пересечений пилообразного несущего сигнала с модулирующим синусоидальным сигналом, который является переменным как по рабочей частоте, так и по напряжению (или току). [17] [24] [25]
Эксплуатация двигателей со скоростью выше номинальной паспортной скорости (базовой скорости) возможна, но ограничена условиями, которые не требуют большей мощности, чем номинальная паспортная мощность двигателя. Иногда это называется «ослаблением поля» и для двигателей переменного тока означает работу при напряжении ниже номинального и скорости выше номинальной паспортной скорости. Синхронные двигатели с постоянными магнитами имеют довольно ограниченный диапазон скоростей ослабления поля из-за постоянного потокосцепления магнита . Синхронные двигатели с фазным ротором и асинхронные двигатели имеют гораздо более широкий диапазон скоростей. Например, асинхронный двигатель мощностью 100 л. с., 460 В, 60 Гц, 1775 об/мин (4-полюсный), питаемый напряжением 460 В, 75 Гц (6,134 В/Гц), будет ограничен крутящим моментом 60/75 = 80% при скорости 125% (2218,75 об/мин) = 100% мощности. [26] На более высоких скоростях крутящий момент асинхронного двигателя должен быть ограничен еще больше из-за снижения пускового момента [a] двигателя. Таким образом, номинальная мощность обычно может быть произведена только до 130–150% от номинальной заводской скорости. Синхронные двигатели с фазным ротором могут работать на еще более высоких скоростях. В приводах прокатных станов часто используется 200–300% от базовой скорости. Механическая прочность ротора ограничивает максимальную скорость двигателя.
Встроенный микропроцессор управляет общей работой контроллера VFD. Базовое программирование микропроцессора предоставляется в виде недоступной пользователю прошивки . Пользовательское программирование параметров дисплея , переменных и функциональных блоков предоставляется для управления, защиты и мониторинга VFD, двигателя и приводного оборудования. [ 17] [27]
Базовый контроллер привода может быть сконфигурирован для выборочного включения следующих дополнительных силовых компонентов и аксессуаров:
Интерфейс оператора предоставляет оператору возможность запускать и останавливать двигатель и регулировать рабочую скорость. VFD также может управляться программируемым логическим контроллером через Modbus или другой подобный интерфейс. Дополнительные функции управления оператором могут включать реверсирование и переключение между ручной регулировкой скорости и автоматическим управлением от внешнего сигнала управления процессом . Интерфейс оператора часто включает в себя буквенно-цифровой дисплей или индикаторные лампы и счетчики для предоставления информации о работе привода. Клавиатура интерфейса оператора и блок дисплея часто предоставляются на передней панели контроллера VFD, как показано на фотографии выше. Дисплей клавиатуры часто может быть подключен кабелем и установлен на небольшом расстоянии от контроллера VFD. Большинство также снабжены клеммами ввода и вывода (I/O) для подключения кнопок, переключателей и других устройств интерфейса оператора или сигналов управления. Также часто доступен последовательный порт связи , позволяющий настраивать, регулировать, контролировать и управлять VFD с помощью компьютера. [17] [30] [31]
Существует два основных способа управления скоростью VFD: сетевой или аппаратный. Сетевой способ подразумевает передачу предполагаемой скорости по протоколу связи, такому как Modbus , Modbus / TCP , EtherNet/IP , или через клавиатуру с использованием последовательного интерфейса дисплея, в то время как аппаратный способ подразумевает чисто электрические средства связи. Типичные средства проводной связи: 4-20 мА , 0-10 В постоянного тока или использование внутреннего источника питания 24 В постоянного тока с потенциометром . Скорость также можно контролировать удаленно и локально. Дистанционное управление предписывает VFD игнорировать команды скорости с клавиатуры, в то время как локальное управление предписывает VFD игнорировать внешнее управление и подчиняться только клавиатуре.
В зависимости от модели рабочие параметры VFD можно программировать с помощью: специального программного обеспечения для программирования, внутренней клавиатуры, внешней клавиатуры или карты SD. VFD часто блокируют большинство изменений программирования во время работы. Типичные параметры, которые необходимо установить, включают: информацию с заводской таблички двигателя, источник задания скорости, источник управления включением/выключением и управление торможением. Также VFD обычно предоставляют отладочную информацию, такую как коды неисправностей и состояния входных сигналов.
Большинство VFD позволяют включить автозапуск. Что приведет выход к назначенной частоте после выключения питания, или после устранения неисправности, или после восстановления сигнала аварийной остановки (обычно аварийные остановки активны с низкой логикой). Один из популярных способов управления VFD — включить автозапуск и поместить L1, L2 и L3 в контактор. Таким образом, включение контактора включает привод и выводит его на назначенную скорость. В зависимости от сложности привода можно разработать несколько режимов автозапуска, например, привод автоматически запускается при включении питания, но не запускается автоматически после устранения аварийной остановки, пока не будет выполнен сброс.
Ссылаясь на прилагаемую диаграмму, приложения привода можно разделить на одноквадрантные, двухквадрантные или четырехквадрантные; четыре квадранта диаграммы определены следующим образом: [32] [33] [34]
В большинстве случаев применяются одноквадрантные нагрузки, действующие в квадранте I, например, нагрузки с переменным крутящим моментом (например, центробежные насосы или вентиляторы) и определенные нагрузки с постоянным крутящим моментом (например, экструдеры).
Некоторые приложения включают двухквадрантные нагрузки, работающие в квадрантах I и II, где скорость положительная, но крутящий момент меняет полярность, как в случае вентилятора, замедляющегося быстрее естественных механических потерь. Некоторые источники определяют двухквадрантные приводы как нагрузки, работающие в квадрантах I и III, где скорость и крутящий момент имеют одинаковую (положительную или отрицательную) полярность в обоих направлениях.
Определенные высокопроизводительные приложения включают четырехквадрантные нагрузки (квадранты I-IV), где скорость и крутящий момент могут быть в любом направлении, например, в подъемниках, лифтах и холмистых конвейерах. Рекуперация может происходить только в шине постоянного тока привода, когда напряжение инвертора меньше по величине, чем противо -ЭДС двигателя , а напряжение инвертора и противо-ЭДС имеют одинаковую полярность. [36]
При запуске двигателя VFD изначально подает низкую частоту и напряжение, что позволяет избежать высокого пускового тока, связанного с прямым пуском . После запуска VFD подаваемая частота и напряжение увеличиваются с контролируемой скоростью или нарастают для ускорения нагрузки. Этот метод запуска обычно позволяет двигателю развивать 150% своего номинального крутящего момента, в то время как VFD потребляет менее 50% своего номинального тока от сети в диапазоне низких скоростей. VFD можно настроить для создания устойчивого 150% пускового крутящего момента от состояния покоя вплоть до полной скорости. [37] Однако охлаждение двигателя ухудшается и может привести к перегреву по мере снижения скорости, так что длительная работа на низкой скорости со значительным крутящим моментом обычно невозможна без отдельно моторизованной вентиляции вентилятором.
С VFD последовательность остановки прямо противоположна последовательности запуска. Частота и напряжение, подаваемые на двигатель, снижаются с контролируемой скоростью. Когда частота приближается к нулю, двигатель отключается. Небольшой тормозной момент доступен, чтобы помочь замедлить нагрузку немного быстрее, чем она остановилась бы, если бы двигатель был просто выключен и вращался по инерции. Дополнительный тормозной момент может быть получен путем добавления тормозной цепи (резистор, управляемый транзистором) для рассеивания энергии торможения. С четырехквадрантным выпрямителем (активный фронт-энд) VFD способен тормозить нагрузку, применяя обратный крутящий момент и возвращая энергию в линию переменного тока.
Многие приложения с фиксированной скоростью нагрузки двигателя, которые питаются напрямую от сети переменного тока, могут экономить энергию, когда они работают с переменной скоростью с помощью VFD. Такая экономия затрат на энергию особенно выражена в приложениях с центробежными вентиляторами и насосами с переменным крутящим моментом, где крутящий момент и мощность нагрузки изменяются в зависимости от квадрата и куба скорости соответственно. Это изменение дает большое снижение мощности по сравнению с работой с фиксированной скоростью при относительно небольшом снижении скорости. Например, при скорости 63% нагрузка двигателя потребляет всего 25% своей полной скорости. Это снижение соответствует законам сродства , которые определяют взаимосвязь между различными переменными центробежной нагрузки.
В Соединенных Штатах, по оценкам, 60–65% электроэнергии используется для питания двигателей, 75% из которых — это нагрузка вентиляторов с переменным крутящим моментом, насосов и компрессоров. [38] Восемнадцать процентов энергии, используемой в 40 миллионах двигателей в США, можно было бы сэкономить с помощью эффективных технологий улучшения энергопотребления, таких как частотно-регулируемые приводы. [39] [40]
Только около 3% от общей установленной базы двигателей переменного тока оснащены приводами переменного тока. [41] Однако, по оценкам, приводная технология применяется в 30–40% всех вновь установленных двигателей. [42]
Распределение потребления энергии мировыми установками с двигателями переменного тока показано в следующей таблице:
Приводы переменного тока используются для улучшения процессов и качества в промышленных и коммерческих приложениях, таких как ускорение, поток, мониторинг, давление, скорость, температура, натяжение и крутящий момент. [44]
Нагрузки с фиксированной скоростью подвергают двигатель высокому пусковому моменту и скачкам тока, которые в восемь раз превышают ток полной нагрузки. Приводы переменного тока вместо этого постепенно разгоняют двигатель до рабочей скорости, чтобы уменьшить механическую и электрическую нагрузку, сокращая расходы на техническое обслуживание и ремонт и продлевая срок службы двигателя и приводимого в действие оборудования.
Приводы с переменной скоростью также могут управлять двигателем в специализированных шаблонах для дальнейшей минимизации механического и электрического напряжения. Например, шаблон S-образной кривой может быть применен к конвейерному приложению для более плавного управления замедлением и ускорением, что уменьшает люфт, который может возникнуть при ускорении или замедлении конвейера.
Факторы производительности, которые благоприятствуют использованию приводов постоянного тока по сравнению с приводами переменного тока, включают такие требования, как непрерывная работа на низкой скорости, работа в четырех квадрантах с рекуперацией, частые процедуры ускорения и замедления, а также необходимость защиты двигателя для опасной зоны. [45] В следующей таблице сравниваются приводы переменного и постоянного тока по определенным ключевым параметрам: [46] [47] [48]
^ Высокочастотная инъекция
Приводы переменного тока можно классифицировать по следующим общим топологиям: [c] [49] [50]
Большинство приводов используют одну или несколько из следующих платформ управления: [49] [56]
Частотно-регулируемые приводы также классифицируются по следующим характеристикам крутящего момента нагрузки и мощности:
VFD доступны с номинальными значениями напряжения и тока, охватывающими широкий диапазон однофазных и многофазных двигателей переменного тока. Низковольтные (LV) приводы предназначены для работы при выходных напряжениях, равных или ниже 690 В. В то время как низковольтные приводы для применения в двигателях доступны с номинальными значениями до порядка 5 или 6 МВт, [57] экономические соображения обычно благоприятствуют средневольтным (MV) приводам с гораздо более низкими номинальными значениями мощности. Различные топологии приводов MV (см. Таблицу 2) настраиваются в соответствии с номинальными значениями комбинации напряжения/тока, используемыми в различных коммутационных устройствах контроллеров приводов [58], так что любое заданное номинальное напряжение больше или равно одному из следующих стандартных номинальных значений напряжения двигателя: как правило, либо 2+3 ⁄ 4 .16 кВ (60 Гц) или 3+3 ⁄ 6 .6 кВ (50 Гц), с одним производителем тиристоров, рассчитанным на переключение до 12 кВ. В некоторых приложениях повышающий трансформатор размещается между приводом низкого напряжения и нагрузкой двигателя среднего напряжения. Приводы среднего напряжения обычно рассчитаны на применение двигателей мощностью более 375–750 кВт (503–1006 л. с.). Приводы среднего напряжения исторически требовали значительно больших усилий по проектированию приложений, чем требовалось для приложений приводов низкого напряжения. [59] [60] Номинальная мощность приводов среднего напряжения может достигать 100 МВт (130 000 л. с.), при этом для различных требований к номиналу, производительности, качеству электроэнергии и надежности задействован ряд различных топологий привода. [61] [62] [63]
Наконец, полезно сопоставить ЧРП с точки зрения следующих двух классификаций:
Примечание к пояснению:. [f]
В то время как гармоники на выходе ШИМ можно легко отфильтровать с помощью индуктивности фильтра, связанной с несущей частотой, для подачи почти синусоидальных токов на нагрузку двигателя [24] , диодный мостовой выпрямитель VFD преобразует напряжение сети переменного тока в выходное напряжение постоянного тока путем наложения нелинейных полуфазных импульсов тока, тем самым создавая гармонические искажения тока и, следовательно, искажения напряжения на входе линии переменного тока. Когда нагрузки VFD относительно малы по сравнению с большой жесткой системой питания, доступной от электроэнергетической компании , эффекты гармонических искажений VFD сети переменного тока часто могут находиться в приемлемых пределах. Кроме того, в сетях низкого напряжения гармоники, вызванные однофазным оборудованием, таким как компьютеры и телевизоры, частично подавляются гармониками трехфазного диодного моста, поскольку их 5-я и 7-я гармоники находятся в противофазе. [71] Однако, когда доля VFD и другой нелинейной нагрузки по сравнению с общей нагрузкой или нелинейной нагрузки по сравнению с жесткостью источника питания переменного тока, или и то, и другое, достаточно велика, нагрузка может оказать негативное влияние на форму волны переменного тока, доступную другим клиентам энергетической компании в той же сети.
Когда напряжение энергетической компании искажается из-за гармоник, потери в других нагрузках, таких как обычные двигатели переменного тока с фиксированной скоростью, увеличиваются. Это состояние может привести к перегреву и сокращению срока службы. Кроме того, отрицательное воздействие оказывается на трансформаторы подстанций и компенсационные конденсаторы. В частности, конденсаторы могут вызывать резонансные условия, которые могут недопустимо увеличивать уровни гармоник. Чтобы ограничить искажение напряжения, владельцам нагрузки VFD может потребоваться установить фильтрующее оборудование для снижения гармонических искажений ниже приемлемых пределов. В качестве альтернативы коммунальная служба может принять решение, установив собственное фильтрующее оборудование на подстанциях, затронутых большим количеством используемого оборудования VFD. В установках высокой мощности гармонические искажения можно уменьшить, поставляя многоимпульсные выпрямительные мостовые VFD от трансформаторов с несколькими смещенными по фазе обмотками. [72]
Также можно заменить стандартный диодный мостовой выпрямитель на двунаправленный мост коммутационного устройства IGBT, зеркально отражающий стандартный инвертор, который использует выход коммутационного устройства IGBT на двигатель. Такие выпрямители имеют различные обозначения, включая активный преобразователь питания (AIC), активный выпрямитель , блок питания IGBT (ISU), активный фронт-энд (AFE) или четырехквадрантный режим работы. С управлением ШИМ и подходящим входным реактором форма волны переменного тока AFE может быть почти синусоидальной. AFE по своей сути регенерирует энергию в четырехквадрантном режиме со стороны постоянного тока в сеть переменного тока. Таким образом, тормозной резистор не требуется, и эффективность привода повышается, если привод часто требуется для торможения двигателя.
Два других метода подавления гармоник используют использование пассивных или активных фильтров, подключенных к общей шине с по крайней мере одной нагрузкой ветви VFD на шине. Пассивные фильтры включают конструкцию одного или нескольких ловушек LC-фильтра нижних частот , каждая из которых настраивается по мере необходимости на гармоническую частоту (5-я, 7-я, 11-я, 13-я, . . . kq+/-1, где k=целое число, q=число импульсов преобразователя). [73]
Очень распространенной практикой для энергетических компаний или их клиентов является введение пределов гармонических искажений на основе стандартов IEC или IEEE . Например, пределы стандарта IEEE 519 в точке подключения клиента требуют, чтобы максимальная индивидуальная гармоника напряжения частоты не превышала 3% от основной частоты, а также требуют, чтобы общий коэффициент гармонических искажений напряжения (THD) не превышал 5% для общей системы электроснабжения переменного тока. [74]
Один привод использует настройку частоты переключения по умолчанию 4 кГц. Уменьшение частоты переключения привода (несущей частоты) уменьшает тепло, выделяемое IGBT . [75]
Несущая частота, по крайней мере в десять раз превышающая желаемую выходную частоту, используется для установки интервалов переключения ШИМ. Несущая частота в диапазоне от 2000 до 16000 Гц является обычной для LV [низковольтных, ниже 600 В переменного тока] VFD. Более высокая несущая частота обеспечивает лучшее приближение синусоидальной волны, но влечет за собой более высокие потери переключения в IGBT, снижая общую эффективность преобразования мощности. [76]
Некоторые приводы имеют функцию сглаживания шума, которую можно включить, чтобы ввести случайное изменение частоты переключения. Это распределяет акустический шум по диапазону частот, чтобы снизить пиковую интенсивность шума.
Импульсное выходное напряжение несущей частоты ШИМ-ПЧ вызывает быстрое время нарастания этих импульсов, влияние которых на линию передачи необходимо учитывать. Поскольку импеданс линии передачи кабеля и двигателя различен, импульсы имеют тенденцию отражаться от клемм двигателя в кабель. Результирующие отражения могут создавать перенапряжения, равные удвоенному напряжению шины постоянного тока или до 3,1 номинального напряжения линии для длинных кабельных трасс, создавая высокую нагрузку на обмотки кабеля и двигателя и в конечном итоге приводя к отказу изоляции. Стандарты изоляции для трехфазных двигателей с номиналом 230 В или менее адекватно защищают от таких перенапряжений на длинных проводах. В системах 460 В или 575 В и инверторах с IGBT 3-го поколения с временем нарастания 0,1 микросекунды максимальное рекомендуемое расстояние кабеля между ЧРП и двигателем составляет около 50 м или 150 футов. Для новых приводов с питанием от SiC MOSFET значительные перенапряжения наблюдались при длине кабеля всего 3 метра. [77] Решения по устранению перенапряжений, вызванных большой длиной проводов, включают минимизацию длины кабеля, снижение несущей частоты, установку фильтров dV/dt, использование двигателей с номиналом инвертора (которые рассчитаны на 600 В, чтобы выдерживать импульсные последовательности со временем нарастания менее или равным 0,1 микросекунды, пиковой амплитудой 1600 В), и установку LCR-фильтров нижних частот синусоидальной волны. [78] [79] [80] [81] Выбор оптимальной несущей частоты ШИМ для приводов переменного тока включает балансировку шума, тепла, напряжения изоляции двигателя, повреждения подшипникового тока двигателя, вызванного синфазным напряжением, плавную работу двигателя и другие факторы. Дополнительное ослабление гармоник может быть получено с помощью LCR-фильтра нижних частот синусоидальной волны или фильтра dV/dt. [82] [83] [84] [85]
Несущие частоты выше 5 кГц могут привести к повреждению подшипников, если не будут приняты защитные меры. [86]
Приводы ШИМ по своей сути связаны с высокочастотными синфазными напряжениями и токами, которые могут вызвать проблемы с подшипниками двигателя. [87] Когда эти высокочастотные напряжения находят путь к земле через подшипник, между шариком подшипника и дорожкой подшипника происходит передача металла или искрение электроэрозионной обработки (EDM). Со временем искрение на основе EDM вызывает эрозию дорожки подшипника, которую можно рассматривать как рисунок канавки. В больших двигателях паразитная емкость обмоток обеспечивает пути для высокочастотных токов, которые проходят через концы вала двигателя, что приводит к циркулирующему типу тока подшипника. Плохое заземление статоров двигателей может привести к токам подшипника между валом и землей. Небольшие двигатели с плохо заземленным приводным оборудованием восприимчивы к высокочастотным токам подшипника. [88]
Предотвращение повреждения высокочастотного тока подшипника использует три подхода: хорошая практика прокладки кабелей и заземления, прерывание токов подшипников и фильтрация или гашение синфазных токов с помощью синфазных дросселей. Хорошая практика прокладки кабелей и заземления может включать использование экранированного силового кабеля с симметричной геометрией для питания двигателя, установку щеток заземления вала и токопроводящей смазки подшипника. Токи подшипника могут быть прерваны установкой изолированных подшипников и специально разработанных асинхронных двигателей с электростатическим экранированием. Фильтрация и гашение высокочастотного тока подшипника могут быть выполнены путем вставки мягких магнитных сердечников по трем фазам, что обеспечивает высокочастотное сопротивление против синфазных токов или токов подшипника двигателя. Другой подход заключается в использовании вместо стандартных 2-уровневых инверторных приводов либо 3-уровневых инверторных приводов, либо матричных преобразователей. [88] [89]
Крутящий момент, создаваемый приводом, заставляет асинхронный двигатель работать на синхронной скорости за вычетом скольжения. Если нагрузка вращает двигатель быстрее синхронной скорости, двигатель действует как генератор , преобразуя механическую энергию обратно в электрическую. Эта энергия возвращается в элемент звена постоянного тока привода (конденсатор или реактор). Подключенный к звену постоянного тока электронный силовой выключатель или тормозной прерыватель постоянного тока управляет рассеиванием этой энергии в виде тепла в наборе резисторов. Для предотвращения перегрева резистора могут использоваться охлаждающие вентиляторы. [34]
Динамическое торможение тратит энергию торможения, преобразуя ее в тепло. Напротив, рекуперативные приводы восстанавливают энергию торможения, вводя ее в линию переменного тока. Однако капитальные затраты на рекуперативные приводы относительно высоки. [90]
Рекуперативные приводы переменного тока обладают способностью восстанавливать энергию торможения нагрузки, движущейся быстрее заданной скорости двигателя ( перегружаемая нагрузка), и возвращать ее в энергосистему. [92]
Приводы Cycloconverter, Scherbius, Matrix, CSI и LCI изначально допускают возврат энергии от нагрузки в линию, в то время как инверторы напряжения требуют дополнительного преобразователя для возврата энергии в источник питания. [93] [94]
Регенерация полезна в VFD только тогда, когда ценность восстановленной энергии велика по сравнению с дополнительной стоимостью рекуперативной системы, [93] и если система требует частого торможения и запуска. Рекуперативные VFD широко используются там, где требуется управление скоростью перегружаемых нагрузок. [2] [3] [95]
Вот несколько примеров:
Система привода с регулируемой скоростью: взаимосвязанное сочетание оборудования, которое обеспечивает средство регулировки скорости механической нагрузки, соединенной с двигателем., цитата соответствует определению на стр. 4 публикации стандартов NEMA ICS 7.2-2021.
