Частотно -регулируемый привод ( ЧРП , или привод с регулируемой частотой , привод с регулируемой скоростью , привод с регулируемой скоростью , привод переменного тока , микропривод , инверторный привод или привод ) — это тип привода двигателя переменного тока (системы, включающей двигатель), который контролирует скорость и крутящий момент , изменяя частоту входного электричества. В зависимости от топологии он управляет соответствующим изменением напряжения или тока . [1] [2] [3] [4] [5]
Частотно-регулируемые приводы используются в различных устройствах, от небольших приборов до больших компрессоров. [6] Системы, использующие ЧРП, могут быть более эффективными, чем гидравлические системы , например, системы с насосами и управлением заслонками для вентиляторов. [7]
С 1980-х годов технология силовой электроники позволила снизить стоимость и размер ЧРП и повысить производительность за счет достижений в области полупроводниковых переключающих устройств, топологий приводов, методов моделирования и управления, а также аппаратного и программного обеспечения управления.
VFD включают топологии AC-AC и DC-AC низкого и среднего напряжения .
Проекты частотно-регулируемых приводов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) начались в 1960-х годах в Стрёмберге в Финляндии. Мартти Хармойнен считается изобретателем этой технологии. [8] [9] [10] Стрёмбергу удалось продать идею ШИМ-привода метрополитену Хельсинки в 1973 году, а в 1982 году первый ШИМ-привод SAMI10 был введен в эксплуатацию. [11] [12] [13]
Частотно-регулируемый привод — это устройство, используемое в системе привода, состоящей из следующих трех основных подсистем: двигатель переменного тока, узел главного контроллера привода и интерфейс привод/оператор. [2] : 210–211 [4]
Электродвигатель переменного тока, используемый в системе ЧРП, обычно представляет собой трехфазный асинхронный двигатель . Некоторые типы однофазных двигателей или синхронных двигателей могут быть предпочтительными в некоторых ситуациях, но обычно предпочтительны трехфазные асинхронные двигатели как наиболее экономичные. Часто используются двигатели, предназначенные для работы с фиксированной скоростью. Нагрузки, возникающие при повышенном напряжении, налагаемые на асинхронные двигатели, питаемые от частотно-регулируемых приводов, 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] [15]
Контроллер ЧРП представляет собой полупроводниковую систему преобразования силовой электроники, состоящую из трех отдельных подсистем: выпрямительного мостового преобразователя, линии постоянного тока (DC) и инвертора. Приводы с инвертором напряжения (VSI) (см. подраздел «Общие топологии» ниже) являются, безусловно, наиболее распространенным типом приводов. Большинство приводов являются приводами переменного/переменного тока , поскольку они преобразуют входной сигнал сети переменного тока в выходной сигнал инвертора переменного тока. Однако в некоторых приложениях, таких как общие шины постоянного тока или солнечные батареи, приводы настраиваются как преобразователи постоянного тока. Самый простой выпрямительный преобразователь для привода VSI выполнен в виде трехфазного шестипульсного двухполупериодного диодного моста . В приводе VSI звено постоянного тока состоит из конденсатора , который сглаживает пульсации выходного постоянного тока преобразователя и обеспечивает жесткий входной сигнал инвертора. Это отфильтрованное напряжение постоянного тока преобразуется в квазисинусоидальное выходное напряжение переменного тока с помощью активных переключающих элементов инвертора. Приводы VSI обеспечивают более высокий коэффициент мощности и меньшие гармонические искажения , чем преобразователи тока 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. [16]
Достижения в области контроллеров позволили добиться резкого увеличения номинальных значений напряжения и тока, а также частоты переключения полупроводниковых силовых устройств за последние шесть десятилетий. Представленный в 1983 году [17] биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) за последние два десятилетия стал доминировать в преобразователях частоты в качестве переключающего устройства инвертора. [18] [19] [20]
В приложениях с переменным крутящим моментом , подходящих для управления приводом с частотой В/Гц, характеристики двигателя переменного тока требуют, чтобы величина напряжения на выходе инвертора, подаваемого на двигатель, была отрегулирована так, чтобы соответствовать требуемому моменту нагрузки в линейной зависимости В /Гц. . Например, для двигателей 460 В, 60 Гц это линейное соотношение В/Гц составляет 460/60 = 7,67 В/Гц. Несмотря на то, что управление В/Гц подходит для широкого спектра приложений, оно не является оптимальным в высокопроизводительных приложениях, требующих низкой скорости или требовательных требований к динамическому 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 работы со специальными многоточечными трактами В/Гц. [21] [22]
Две другие платформы управления приводом, векторное управление и прямое управление крутящим моментом (DTC), регулируют величину напряжения двигателя, угол от задания и частоту [23] для точного управления магнитным потоком двигателя и механическим крутящим моментом.
Хотя пространственно-векторная широтно-импульсная модуляция (SVPWM) становится все более популярной, [24] синусоидальная PWM (SPWM) является наиболее простым методом, используемым для изменения напряжения (или тока) и частоты двигателя привода. При управлении ШИМ (см. рис. 1) квазисинусоидальный выходной сигнал с переменной шириной импульса формируется из пересечений пилообразного несущего сигнала с модулирующим синусоидальным сигналом, который изменяется как по рабочей частоте, так и по напряжению (или току). ). [18] [25] [26]
Эксплуатация двигателей со скоростью выше номинальной, указанной на паспортной табличке (базовая скорость), возможна, но ограничивается условиями, при которых не требуется мощность, превышающая номинальную мощность двигателя, указанную на паспортной табличке. Иногда это называют «ослаблением поля», и для двигателей переменного тока это означает работу при частоте менее номинальной В/Гц и скорости выше номинальной, указанной на паспортной табличке. Синхронные двигатели с постоянными магнитами имеют весьма ограниченный диапазон скоростей при ослаблении поля из-за магнитосцепления с постоянным магнитом . 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) с напряжением 460 В, 75 Гц (6,134 В/Гц) будет ограничен крутящим моментом 60/75 = 80 % при 125 %. скорость (2218,75 об/мин) = 100% мощности. [27] На более высоких скоростях крутящий момент асинхронного двигателя необходимо дополнительно ограничивать из-за снижения пускового момента [a] двигателя. Таким образом, номинальную мощность обычно можно обеспечить только до 130–150% от номинальной паспортной скорости. Синхронные двигатели с фазным ротором могут работать на еще более высоких скоростях. В приводах прокатных станов часто используется 200–300 % базовой скорости. Механическая прочность ротора ограничивает максимальную скорость двигателя.
Встроенный микропроцессор управляет общей работой контроллера VFD. Базовое программирование микропроцессора предоставляется в виде недоступной для пользователя прошивки . Пользовательское программирование параметров дисплея , переменных и функциональных блоков предназначено для управления, защиты и мониторинга частотно-регулируемого привода, двигателя и приводимого оборудования. [18] [28]
Базовый контроллер привода можно настроить на выборочное включение таких дополнительных силовых компонентов и аксессуаров, как указано ниже:
Интерфейс оператора предоставляет оператору возможность запускать и останавливать двигатель, а также регулировать рабочую скорость. ЧРП также может управляться программируемым логическим контроллером через Modbus или другой аналогичный интерфейс. Дополнительные функции управления оператором могут включать реверс и переключение между ручной регулировкой скорости и автоматическим управлением по внешнему сигналу управления процессом . Интерфейс оператора часто включает буквенно-цифровой дисплей или индикаторные лампы и индикаторы, предоставляющие информацию о работе привода. Клавиатура и дисплей интерфейса оператора часто располагаются на передней панели контроллера VFD, как показано на фотографии выше. Дисплей с клавиатурой часто можно подключить с помощью кабеля и установить на небольшом расстоянии от контроллера VFD. Большинство из них также оснащены входными и выходными разъемами (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 контролировать ЧРП с помощью компьютера. [18] [31] [32]
Есть два основных способа управления скоростью VFD; сетевой или проводной. Сеть предполагает передачу заданной скорости по протоколу связи, такому как Modbus , Modbus / TCP , EtherNet/IP , или через клавиатуру с использованием последовательного интерфейса дисплея , тогда как проводная связь предполагает чисто электрические средства связи. Типичными средствами проводной связи являются: 4–20 мА , 0–10 В постоянного тока или использование внутреннего источника питания 24 В постоянного тока с потенциометром . Скоростью также можно управлять удаленно и локально. Дистанционное управление инструктирует ЧРП игнорировать команды скорости с клавиатуры, в то время как местное управление инструктирует ЧРП игнорировать внешнее управление и подчиняться только клавиатуре.
В зависимости от модели рабочие параметры ЧРП можно программировать с помощью: специального программного обеспечения, внутренней клавиатуры, внешней клавиатуры или SD-карты. VFD часто блокируют большинство изменений программирования во время работы. Типичные параметры, которые необходимо установить, включают: информацию с паспортной таблички двигателя, источник задания скорости, источник управления включением/выключением и управление торможением. ЧРП также часто предоставляют отладочную информацию, такую как коды неисправностей и состояния входных сигналов.
Большинство VFD позволяют включить автоматический запуск. Который будет переводить выход на заданную частоту после выключения и отключения питания, или после устранения неисправности, или после восстановления сигнала аварийного останова (обычно аварийный останов активен с низкой логикой). Одним из популярных способов управления ЧРП является включение автоматического запуска и подключение L1, L2 и L3 к контактору. Таким образом, включение контактора включает привод и обеспечивает его выход на заданную скорость. В зависимости от сложности привода можно разработать несколько режимов автоматического запуска, например, привод автоматически запускается при включении питания, но не запускается автоматически после сброса аварийного останова до тех пор, пока не будет выполнен цикл сброса.
Ссылаясь на прилагаемую диаграмму, приложения привода можно разделить на одноквадрантные, двухквадрантные или четырехквадрантные; четыре квадранта карты определяются следующим образом: [33] [34] [35]
В большинстве случаев применения используются одноквадрантные нагрузки, работающие в квадранте I, например, нагрузки с переменным крутящим моментом (например, центробежные насосы или вентиляторы) и некоторые нагрузки с постоянным крутящим моментом (например, экструдеры).
В некоторых приложениях используются двухквадрантные нагрузки, работающие в квадранте I и II, где скорость положительна, но крутящий момент меняет полярность , как в случае с вентилятором, замедляющимся быстрее, чем естественные механические потери. 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.
В некоторых высокопроизводительных приложениях используются четырехквадрантные нагрузки (квадранты от I до IV), где скорость и крутящий момент могут быть в любом направлении, например, в подъемниках, лифтах и холмистых конвейерах. Рекуперация может происходить только в шине звена постоянного тока привода, когда напряжение инвертора меньше по величине, чем противо- ЭДС двигателя , а напряжение инвертора и противо-ЭДС имеют одинаковую полярность. [37]
При запуске двигателя ЧРП изначально подает низкую частоту и напряжение, что позволяет избежать высокого пускового тока, связанного с прямым пуском . После запуска ЧРП приложенная частота и напряжение увеличиваются с контролируемой скоростью или плавно увеличиваются для ускорения нагрузки. Этот метод запуска обычно позволяет двигателю развивать 150 % номинального крутящего момента, в то время как ЧРП потребляет менее 50 % номинального тока от сети в диапазоне низких скоростей. Частотно-регулируемый привод можно отрегулировать для обеспечения устойчивого пускового крутящего момента на уровне 150 % от состояния покоя до полной скорости. [38] Однако охлаждение двигателя ухудшается и может привести к перегреву при уменьшении скорости, поэтому длительная работа на низкой скорости со значительным крутящим моментом обычно невозможна без вентиляции с отдельным вентилятором с электроприводом.
В случае ЧРП последовательность остановки противоположна последовательности запуска. Частота и напряжение, подаваемые на двигатель, снижаются с контролируемой скоростью. Когда частота приближается к нулю, двигатель отключается. Небольшой тормозной момент позволяет замедлить нагрузку немного быстрее, чем она остановилась бы, если бы двигатель просто выключили и позволили ему двигаться по инерции. Дополнительный тормозной момент можно получить, добавив тормозную цепь (резистор, управляемый транзистором) для рассеивания энергии торможения. Благодаря четырехквадрантному выпрямителю (активный входной каскад) ЧРП способен тормозить нагрузку, применяя обратный крутящий момент и возвращая энергию обратно в линию переменного тока.
Многие приложения с нагрузкой на двигатели с фиксированной скоростью, которые питаются напрямую от сети переменного тока, могут экономить энергию, когда они работают с переменной скоростью с помощью частотно-регулируемого привода. Такая экономия затрат на электроэнергию особенно заметна в системах центробежных вентиляторов и насосов с регулируемым крутящим моментом, где крутящий момент и мощность нагрузки изменяются пропорционально квадрату и кубу скорости соответственно. Это изменение дает значительное снижение мощности по сравнению с работой с фиксированной скоростью при относительно небольшом снижении скорости. Например, при скорости 63% нагрузка двигателя потребляет только 25% мощности на полной скорости. Это сокращение соответствует законам аффинности , которые определяют взаимосвязь между различными переменными центробежной нагрузки.
В Соединенных Штатах примерно 60–65% электроэнергии используется для питания двигателей, 75% из которых приходится на вентиляторы с регулируемым крутящим моментом, насосы и компрессоры. [39] Восемнадцать процентов энергии, используемой в 40 миллионах двигателей в США, можно было бы сэкономить с помощью эффективных технологий повышения энергопотребления, таких как частотно-регулируемые приводы. [40] [41]
Только около 3% от общей установленной базы двигателей переменного тока оснащены приводами переменного тока. [42] Однако, по оценкам, технология привода используется в 30–40% всех вновь установленных двигателей. [43]
Распределение энергопотребления по всему миру с двигателями переменного тока показано в следующей таблице:
Приводы переменного тока используются для улучшения процессов и качества в промышленных и коммерческих приложениях ускорения, расхода, мониторинга, давления, скорости, температуры, напряжения и крутящего момента. [45]
Нагрузки с фиксированной скоростью подвергают двигатель высокому пусковому моменту и скачкам тока, которые в восемь раз превышают ток полной нагрузки. Вместо этого приводы переменного тока постепенно разгоняют двигатель до рабочей скорости, чтобы уменьшить механическое и электрическое напряжение, сократить затраты на техническое обслуживание и ремонт, а также продлить срок службы двигателя и приводимого оборудования.
Приводы с регулируемой скоростью также могут запускать двигатель по специальным схемам, чтобы еще больше минимизировать механическое и электрическое напряжение. Например, к конвейеру можно применить S-образную кривую для более плавного управления замедлением и ускорением, что уменьшает люфт, который может возникнуть при ускорении или замедлении конвейера.
Факторы производительности, способствующие использованию приводов постоянного тока по сравнению с приводами переменного тока, включают такие требования, как непрерывная работа на низкой скорости, четырехквадрантная работа с рекуперацией, частые процедуры ускорения и торможения, а также необходимость защиты двигателя в опасной зоне. [46] В следующей таблице сравниваются приводы переменного и постоянного тока по определенным ключевым параметрам: [47] [48] [49]
^ Высокочастотный впрыск
Приводы переменного тока можно классифицировать по следующим общим топологиям: [c] [50] [51]
Большинство приводов используют одну или несколько из следующих платформ управления: [50] [57]
Частотно-регулируемые приводы также классифицируются по следующим характеристикам нагрузочного момента и мощности:
Доступны частотно-регулируемые приводы с номинальными напряжениями и токами, охватывающими широкий спектр однофазных и многофазных двигателей переменного тока. Низковольтные приводы (LV) предназначены для работы при выходном напряжении, равном или меньше 690 В. Хотя низковольтные приводы для двигателей доступны с номинальной мощностью порядка 5 или 6 МВт, [58] экономические соображения обычно отдают предпочтение приводы среднего напряжения (СН) с гораздо более низкими номинальными мощностями. Различные топологии приводов среднего напряжения (см. Таблицу 2) настраиваются в соответствии с номиналами комбинации напряжения/тока, используемых в переключающих устройствах различных контроллеров привода [59], так что любое заданное номинальное напряжение больше или равно единице следующего стандартного номинала. номинальное напряжение двигателя: обычно либо 2+3 ⁄ 4,16 кВ (60 Гц) или 3+3 ⁄ 6,6 кВ (50 Гц), при этом один производитель тиристоров рассчитан на коммутационное напряжение до 12 кВ. В некоторых приложениях между приводом низкого напряжения и нагрузкой двигателя среднего напряжения устанавливаетсяповышающий трансформатор . Приводы среднего напряжения обычно рассчитаны на двигатели мощностью более 375–750 кВт (от 503 до 1006 л.с.). Исторически приводы среднего напряжения требовали значительно больше усилий при проектировании, чем приводы низкого напряжения. [60] [61] Номинальная мощность приводов среднего напряжения может достигать 100 МВт (130 000 л.с.), при этом используется ряд различных топологий привода для различных требований к номиналу, производительности, качеству электроэнергии и надежности. [62] [63] [64]
Наконец, полезно соотнести ЧРП с точки зрения следующих двух классификаций:
Уточнение:. [ф]
Хотя гармоники на выходе ШИМ можно легко отфильтровать с помощью индуктивности фильтра, связанной с несущей частотой, для подачи на нагрузку двигателя токов, близких к синусоидальным, [25] выпрямитель с диодным мостом преобразователя частоты преобразует линейное напряжение переменного тока в выходное напряжение постоянного тока путем наложения нелинейные импульсы полуфазного тока, что создает гармонические искажения тока и, следовательно, искажения напряжения на входе линии переменного тока. Когда нагрузки ЧРП относительно невелики по сравнению с большой, жесткой энергосистемой, доступной от электроэнергетической компании , эффекты гармонических искажений ЧРП в сети переменного тока часто могут находиться в приемлемых пределах. Кроме того, в низковольтных сетях гармоники, вызванные однофазным оборудованием, таким как компьютеры и телевизоры, частично компенсируются гармониками трехфазного диодного моста, поскольку их 5-я и 7-я гармоники находятся в противофазе. [72] Однако, когда доля ЧРП и другой нелинейной нагрузки по сравнению с общей нагрузкой или нелинейной нагрузки по сравнению с жесткостью источника питания переменного тока или того и другого относительно достаточно велика, нагрузка может иметь отрицательное значение. влияние на форму сигнала переменного тока, доступного другим потребителям электроэнергетической компании в той же сети.
Когда напряжение электроэнергетической компании искажается из-за гармоник, потери в других нагрузках, таких как обычные двигатели переменного тока с фиксированной скоростью, увеличиваются. Это условие может привести к перегреву и сокращению срока службы. Также негативное воздействие оказывают трансформаторы подстанций и компенсационные конденсаторы. В частности, конденсаторы могут вызывать резонансные условия, которые могут неприемлемо увеличивать уровни гармоник. Чтобы ограничить искажения напряжения, владельцам нагрузки с ЧРП может потребоваться установка фильтрующего оборудования для снижения гармонических искажений ниже допустимых пределов. В качестве альтернативы коммунальное предприятие может принять решение, установив собственное фильтрующее оборудование на подстанциях, где используется большое количество частотно-регулируемого оборудования. В мощных установках гармонические искажения можно уменьшить за счет питания многоимпульсных выпрямительно-мостовых частотно-регулируемых приводов от трансформаторов с несколькими фазосдвинутыми обмотками. [73]
Также возможно заменить стандартный выпрямитель с диодным мостом двунаправленным мостом переключающего устройства IGBT, зеркально повторяющим стандартный инвертор, который использует выход переключающего устройства IGBT на двигатель. Такие выпрямители имеют различные обозначения, включая активный преобразователь питания (AIC), активный выпрямитель , блок питания IGBT (ISU), активный входной каскад (AFE) или четырехквадрантный режим. При ШИМ-управлении и подходящем входном дросселе 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, а эффективность привода повышается, если приводу часто требуется тормозить двигатель.
Два других метода подавления гармоник основаны на использовании пассивных или активных фильтров, подключенных к общей шине, по крайней мере, с одной ветвью нагрузки ЧРП на шине. Пассивные фильтры включают конструкцию одного или нескольких ловушек LC-фильтра нижних частот , причем каждая ловушка настраивается по мере необходимости на частоту гармоники (5-я, 7-я, 11-я, 13-я,... kq+/-1, где k=целое число, q= число импульсов преобразователя). [74]
Для энергетических компаний или их потребителей очень распространена практика установления пределов гармонических искажений на основе стандартов IEC или IEEE . Например, ограничения стандарта IEEE 519 в точке подключения потребителя требуют, чтобы максимальная гармоника напряжения на отдельной частоте составляла не более 3 % от основной гармоники, а суммарные гармонические искажения напряжения (THD) не превышали 5 % для общая система электропитания переменного тока. [75]
Один привод использует настройку частоты переключения по умолчанию 4 кГц. Уменьшение частоты переключения привода (несущей частоты) снижает выделение тепла IGBT . [76]
Для установления интервалов переключения ШИМ используется несущая частота, по крайней мере, в десять раз превышающая желаемую выходную частоту. Несущая частота в диапазоне от 2000 до 16000 Гц является обычной для частотно-регулируемых приводов низкого напряжения (низкого напряжения, до 600 В переменного тока). Более высокая несущая частота обеспечивает лучшее приближение синусоидальной волны, но приводит к более высоким потерям переключения в IGBT, что снижает общую эффективность преобразования мощности. [77]
Некоторые приводы имеют функцию сглаживания шума, которую можно включить для внесения случайных изменений в частоту переключения. Это распределяет акустический шум по диапазону частот, чтобы снизить пиковую интенсивность шума.
Импульсное выходное напряжение несущей частоты ЧРП с ШИМ приводит к быстрому нарастанию этих импульсов, влияние которого необходимо учитывать на линии передачи. Поскольку импедансы линии передачи кабеля и двигателя различны, импульсы имеют тенденцию отражаться обратно от клемм двигателя в кабель. Возникающие в результате отражения могут создавать перенапряжения , равные удвоенному напряжению шины постоянного тока или в 3,1 раза превышающему номинальное линейное напряжение для длинных кабелей, создавая высокую нагрузку на кабель и обмотки двигателя и, в конечном итоге, выход из строя изоляции. Стандарты изоляции для трехфазных двигателей напряжением 230 В или менее обеспечивают адекватную защиту от таких перенапряжений с длинными проводами. В системах на 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. В новых приводах с питанием от SiC MOSFET наблюдались значительные перенапряжения при длине кабеля всего 3 метра. [78] Решения по борьбе с перенапряжениями, вызванными большой длиной проводов, включают минимизацию длины кабеля, снижение несущей частоты, установку фильтров dV/dt, использование двигателей с инверторным режимом работы (которые рассчитаны на напряжение 600 В, чтобы выдерживать последовательности импульсов с временем нарастания менее или равным до 0,1 микросекунды при пиковой величине 1600 В) и установку синусоидальных фильтров нижних частот LCR. [79] [80] [81] [82] Выбор оптимальной несущей частоты ШИМ для приводов переменного тока включает баланс шума, тепла, напряжения изоляции двигателя, повреждения подшипников двигателя синфазным напряжением, плавности работы двигателя и других факторов. Дальнейшее ослабление гармоник можно получить с помощью синусоидального фильтра нижних частот LCR или фильтра dV/dt. [83] [84] [85] [86]
Несущие частоты выше 5 кГц могут привести к повреждению подшипников, если не будут приняты защитные меры. [87]
Приводы ШИМ по своей природе связаны с высокочастотными синфазными напряжениями и токами, которые могут вызвать проблемы с подшипниками двигателя. [88] Когда эти высокочастотные напряжения попадают на землю через подшипник, происходит передача металла или искрение при электроэрозионной обработке (EDM) между шариком подшипника и дорожкой качения подшипника. Со временем искрение, возникающее при электроэрозионной обработке, вызывает эрозию обоймы подшипника, которую можно увидеть в виде рифлений. В больших двигателях паразитная емкость обмоток обеспечивает пути для высокочастотных токов, которые проходят через концы вала двигателя, что приводит к циркуляционному типу подшипникового тока. Плохое заземление статоров двигателя может привести к возникновению подшипниковых токов между валом и землей. Небольшие двигатели с плохо заземленным приводным оборудованием чувствительны к высокочастотным подшипниковым токам. [89]
Для предотвращения повреждения подшипников высокочастотным током используются три подхода: правильная прокладка кабелей и заземление, прерывание подшипниковых токов 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 для заземления вала и токопроводящей смазки для подшипников. Подшипниковые токи можно прервать установкой изолированных подшипников и специально разработанных асинхронных двигателей с электростатическим экранированием. Фильтрацию и демпфирование высокочастотных подшипников можно выполнить, вставив мягкие магнитопроводы по трем фазам, создавая высокочастотный импеданс против синфазных токов или токов подшипников двигателя. Другой подход заключается в использовании вместо стандартных двухуровневых инверторных приводов использования либо трехуровневых инверторных приводов, либо матричных преобразователей. [89] [90]
Крутящий момент, создаваемый приводом, заставляет асинхронный двигатель работать с синхронной скоростью без скольжения. Если нагрузка приводит в движение двигатель со скоростью, превышающей синхронную, двигатель действует как генератор , преобразуя механическую энергию обратно в электрическую. Эта мощность возвращается в элемент звена постоянного тока привода (конденсатор или реактор). Электронный выключатель питания, подключенный к цепи постоянного тока, или тормозной прерыватель постоянного тока контролирует рассеивание этой мощности в виде тепла в наборе резисторов. Для предотвращения перегрева резистора можно использовать охлаждающие вентиляторы. [35]
Динамическое торможение тратит энергию торможения, преобразуя ее в тепло. Напротив, рекуперативные приводы восстанавливают энергию торможения, подавая эту энергию в сеть переменного тока. Однако капитальные затраты на рекуперативные приводы относительно высоки. [91]
Рекуперативные приводы переменного тока способны восстанавливать энергию торможения нагрузки, движущейся со скоростью, превышающей заданную скорость двигателя (ремонтная нагрузка ), и возвращать ее в энергосистему. [93]
Приводы циклоконвертера, Шербиуса, матрицы, CSI и LCI по своей сути позволяют возвращать энергию от нагрузки в сеть, тогда как инверторы источника напряжения требуют дополнительного преобразователя для возврата энергии в источник питания. [94] [95]
Регенерация полезна в ЧРП только тогда, когда стоимость рекуперированной энергии велика по сравнению с дополнительными затратами на регенеративную систему [94] и если система требует частого торможения и запуска. Регенеративные ЧРП широко используются там, где требуется регулирование скорости ремонтных нагрузок. [2] [3] [96]
Некоторые примеры:
Система привода с регулируемой скоростью: взаимосвязанная комбинация оборудования, обеспечивающая средства регулирования скорости механической нагрузки, соединенной с двигателем., цитата соответствует определению на стр. 4 публикации стандартов NEMA ICS 7.2-2021.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )