1.Введение в приводы переменного тока (частотно-регулируемые приводы). В сфере современного промышленного контроля......
ЧИТАТЬ ДАЛЬШЕЭлектропривод — это система, которая использует электрическую энергию для управления скоростью, крутящим моментом и направлением механической нагрузки, приводимой в движение двигателем. На самом фундаментальном уровне электропривод состоит из трех основных элементов: источника питания, устройства преобразования энергии (например, преобразователя частоты или контроллера двигателя) и электродвигателя, который преобразует электрическую энергию в механическое движение. Система привода определяет, как электрическая энергия подается на двигатель, обеспечивая точный, эффективный и быстрый контроль над выходной мощностью — будь то вращение конвейерной ленты, вращение крыльчатки насоса, ускорение транспортного средства или приведение в движение роботизированной руки.
Что отличает современный электропривод от простого подключения двигателя напрямую к источнику питания, так это интеллект, заложенный в блок управления. Прямое подключение двигателя к сети немедленно обеспечивает полное напряжение и частоту, не оставляя двигателю иного выбора, кроме как работать на одной фиксированной скорости без возможности модулировать крутящий момент или адаптироваться к изменяющимся условиям нагрузки. Система электропривода вставляет программируемый контроллер между источником питания и двигателем, обеспечивая непрерывную регулировку напряжения, тока и частоты в реальном времени на основе сигналов обратной связи от датчиков, контролирующих скорость, нагрузку, температуру и положение. Эта управляемость является определяющим преимуществом технологии электропривода перед механическими альтернативами с фиксированной скоростью.
Понимание того, что представляет собой система электропривода, необходимо для любого, кто ее определяет, вводит в эксплуатацию или обслуживает. Хотя конкретные архитектуры различаются в зависимости от применения, большинство систем электропривода имеют общий набор функциональных компонентов, которые работают вместе для обеспечения контролируемой механической мощности.
В системах электропривода с питанием от переменного тока поступающий переменный ток из сети сначала преобразуется в постоянный ток с помощью схемы выпрямителя. Эта ступень шины постоянного тока сохраняет энергию в конденсаторах и обеспечивает стабильное промежуточное напряжение, которое инверторная ступень привода затем может модулировать в точную форму выходного сигнала, необходимую двигателю. Качество этого этапа исправления напрямую влияет на характеристики гармонических искажений привода и его совместимость с электросетью. Высокопроизводительные электроприводы включают в себя активные выпрямители, которые одновременно уменьшают гармоники, возвращаемые в источник питания, и обеспечивают рекуперативное торможение — подачу энергии обратно в сеть при замедлении двигателя.
Инвертор — это сердце системы регулирования скорости. электрический привод . Он принимает напряжение шины постоянного тока и использует группу переключающих транзисторов — обычно биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) — для восстановления выходного переменного тока переменной частоты и переменного напряжения с помощью метода, называемого широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Быстро включая и выключая транзисторы тысячи раз в секунду, привод синтезирует плавный, контролируемый сигнал переменного тока, который двигатель интерпретирует как настоящий синусоидальный сигнал. Изменение выходной частоты приводит к изменению скорости двигателя; изменение выходного напряжения пропорционально частоте обеспечивает постоянный поток двигателя и крутящий момент во всем диапазоне скоростей. Частота переключения ШИМ-инвертора — обычно от 2 до 16 кГц — влияет как на звуковой шум, создаваемый двигателем, так и на потери переключения в самом приводе.
Микропроцессор или DSP (процессор цифровых сигналов) в электроприводе выполняет алгоритм управления, который преобразует заданное значение скорости или крутящего момента в точные команды переключения инвертора. В более простых приводах со скалярным (V/f) управлением процессор поддерживает фиксированное соотношение напряжения и частоты и относительно медленно реагирует на изменения нагрузки. В более сложных приводах с векторным управлением или прямым управлением крутящим моментом (DTC) процессор непрерывно рассчитывает мгновенное положение и величину магнитного потока двигателя и составляющих тока, создающих крутящий момент, обеспечивая реакцию на динамические изменения нагрузки за доли миллисекунды. Обратная связь с процессором поступает от датчиков тока внутри привода и, опционально, от внешнего энкодера или резольвера, установленного на валу двигателя для точного измерения положения и скорости.
Двигатель является выходным устройством системы электропривода, преобразующим управляемую электрическую энергию от привода в механическое вращение вала. Наиболее распространенным типом двигателя, используемого в электроприводах с регулируемой скоростью, является трехфазный асинхронный двигатель (также называемый асинхронным двигателем), который является надежным, не требует особого обслуживания и доступен в огромном диапазоне номинальных мощностей и типоразмеров. Синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ) все чаще используются как в промышленных, так и в автомобильных электроприводах, где приоритетными являются высокая удельная мощность, высокий КПД в широком диапазоне скоростей и компактные размеры. Реактивные двигатели с переключателем и синхронные двигатели с фазным ротором используются в специализированных электроприводах большой мощности или в суровых условиях эксплуатации.
Технология электропривода включает в себя несколько различных системных архитектур, каждая из которых соответствует различным требованиям к производительности, типам двигателей и средам применения. В таблице ниже приведены основные типы электроприводов и их основные характеристики.
| Тип привода | Совместимость двигателей | Метод управления | Типичные применения |
| Частотно-регулируемый привод (ЧРП) | Индукция переменного тока, СДСМ | Скаляр U/f, векторное управление | Насосы, вентиляторы, конвейеры, ОВиК |
| Сервопривод | ПМСМ, бесщеточный постоянного тока | Вектор замкнутого контура, обратная связь от энкодера | Станки с ЧПУ, робототехника, упаковка |
| привод постоянного тока | Коллекторный двигатель постоянного тока | Управление фазой тиристора/тиристора | Унаследованное промышленное оборудование, краны, экструдеры |
| Шаговый привод | Шаговый двигатель | Шаг/направление разомкнутого контура | 3D-принтеры, плоттеры, малое позиционирование |
| Тяговый привод (EV) | ПМСМ, асинхронный двигатель | Полеориентированное управление (ВОК) | Электромобили, электронные велосипеды, поезда |
| Регенеративный привод | Индукция переменного тока, СДСМ | Активная передняя часть, четырехквадрантная | Лифты, испытательные стенды, ветряные турбины |
Электропривод в аккумуляторном электромобиле (BEV) является одним из наиболее критически важных и технически сложных применений технологии электропривода, существующих сегодня. Автомобильная электроприводная система должна обеспечивать плавный, мгновенный крутящий момент в состоянии покоя, поддерживать высокую выходную мощность в течение продолжительных периодов времени, эффективно работать в огромном диапазоне скоростей, выдерживать десятилетия вибрации и циклических температур и вписываться в чрезвычайно жесткие ограничения по компоновке — и все это одновременно.
В аккумуляторном электромобиле высоковольтный аккумуляторный блок (обычно 400 В или 800 В) подает питание постоянного тока на тяговый инвертор, который преобразует его в трехфазный переменный ток с частотой и напряжением, необходимыми для создания крутящего момента, заданного водителем. Тяговый инвертор использует полеориентированное управление (FOC) для независимого регулирования составляющих тока в двигателе, создающих поток и крутящий момент, что обеспечивает точную передачу крутящего момента даже на очень низких скоростях. Выходной вал двигателя соединяется с односкоростным редуктором (электродвигатели создают полезный крутящий момент в очень широком диапазоне скоростей, устраняя необходимость в многоскоростной трансмиссии), а оттуда к ведомым колесам через дифференциал или, в некоторых конструкциях, через отдельные мотор-колеса.
Одним из наиболее значительных преимуществ энергоэффективности систем электропривода в транспортных средствах является рекуперативное торможение. Когда водитель отпускает педаль газа или тормозит, тяговый привод дает команду двигателю работать в качестве генератора, преобразуя кинетическую энергию автомобиля обратно в электрическую энергию и подавая ее обратно в аккумулятор. Инвертор работает в обратном потоке энергии, при этом двигатель теперь создает тормозной момент, выступая в качестве источника электроэнергии. В городских циклах движения с частыми ускорениями и замедлениями рекуперативное торможение может восстановить от 15% до 25% общей потребляемой энергии, что значительно увеличивает запас хода по сравнению с тем, что можно было бы достичь только при фрикционном торможении.
В электромобилях начального уровня обычно используется один электропривод, приводящий в движение переднюю или заднюю ось. Конфигурации с двумя двигателями — с одним приводом на ось — обеспечивают возможность полного привода и позволяют системе управления транспортным средством независимо контролировать крутящий момент на каждой оси для обеспечения превосходного тягового усилия и динамики. В некоторых высокопроизводительных электромобилях используются три или даже четыре отдельных привода, по одному на колесо, что обеспечивает векторизацию крутящего момента с такой точностью, с которой не может сравниться ни одна система механического дифференциала. Независимая управляемость каждого электропривода является фундаментальным преимуществом электрифицированных трансмиссий перед обычными механическими системами.
Промышленные электроприводы — в первую очередь преобразователи частоты, управляющие асинхронными двигателями переменного тока — составляют значительную часть мирового потребления электроэнергии в промышленности. По данным Международного энергетического агентства, системы электродвигателей потребляют примерно 45% всей электроэнергии, вырабатываемой в мире, и большая часть этого потребления приходится на промышленные предприятия. Замена пускателей двигателей прямого действия с фиксированной скоростью на электроприводы с регулируемой скоростью предлагает одни из наиболее экономически эффективных способов экономии энергии, доступных в промышленных операциях.
Для центробежных нагрузок — насосов, вентиляторов, компрессоров и воздуходувок — взаимосвязь между скоростью двигателя и потребляемой мощностью подчиняется законам подобия: потребляемая мощность пропорциональна кубу передаточного отношения. Это означает, что снижение скорости двигателя насоса со 100% до 80% от полной скорости снижает его энергопотребление примерно до 51% от значения полной скорости (0,8³ = 0,512). Снижение скорости до 60 % снижает потребление энергии до 22 % от полной скорости. В насосных системах и системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, где потребность в потоке меняется в течение дня или года, замена электропривода с фиксированной скоростью на электропривод с регулируемой скоростью может снизить потребление энергии на 30–60 % со сроками окупаемости часто менее двух лет при типичных промышленных тарифах на электроэнергию.
Помимо экономии энергии, электроприводы с регулируемой скоростью защищают как двигатель, так и приводимую в движение механическую систему, устраняя высокий пусковой ток и ударный момент, связанные с прямым пуском. Когда двигатель запускается напрямую от сети, он в течение первых нескольких секунд потребляет в шесть-десять раз больше тока полной нагрузки и создает импульсный скачок крутящего момента в механической системе. Со временем этот повторяющийся механический удар вызывает усталостную нагрузку на муфты, коробки передач, конвейерные ленты, соединения труб и рабочие колеса насосов. Запуск с помощью электропривода — плавное увеличение скорости по программируемому темпу ускорения — снижает пиковый пусковой ток до 100–150 % от тока полной нагрузки и полностью устраняет скачок крутящего момента, заметно продлевая срок службы всей трансмиссии.
Независимо от того, выбираете ли вы промышленный привод с регулируемой скоростью для применения в насосах или оцениваете систему электропривода в автомобиле, следующие характеристики являются наиболее важными для понимания и соответствия требованиям вашего применения.
Во многих приложениях промышленного и мобильного оборудования системы электропривода напрямую конкурируют с альтернативными гидравлическими и механическими приводами. У каждой технологии есть свои сильные и слабые стороны, и правильный выбор зависит от конкретных требований применения. Приведенное ниже сравнение подчеркивает ключевые практические различия.
| Критерии | Электрический привод | Гидравлический привод | Механический привод |
| Эффективность | Высокий (85–97%) | Умеренный (60–80%) | Высокий (фиксированное соотношение) |
| Управляемость скоростью | Отлично (широкий ассортимент) | Хорошо | Ограниченный (фиксированный или ступенчатый) |
| Плотность мощности | Высокий (ПМСМ) | Очень высокий | Умеренный |
| Техническое обслуживание | Низкий | Высокий (уплотнения, жидкость, фильтры) | Умеренный (lubrication, wear parts) |
| Чистота | Чистый, без риска попадания жидкости | Риск утечки и пожара | Чистый |
| Уровень шума | Низкий to moderate | Высокий (шум насоса, клапана) | Умеренный |
| Дистанционное управление | Отлично | Умеренный | Бедный |
Даже самая лучшая система электропривода будет работать неэффективно или преждевременно выйдет из строя, если она неправильно установлена или введена в эксплуатацию. Следующие пункты охватывают наиболее важные аспекты установки и настройки промышленных электроприводов.
Электроприводы во время работы выделяют тепло — в первую очередь за счет коммутационных потерь в инверторных IGBT и потерь проводимости в силовой цепи. Большинство приводов рассчитаны на работу в диапазоне температур окружающей среды от 0°C до 40°C (от 32°F до 104°F) при полном номинальном токе. При температуре окружающей среды выше 40°C необходимо снизить номинальные характеристики привода — использовать пониженный выходной ток — чтобы поддерживать температуру внутренних компонентов в безопасных пределах. Убедитесь, что привод установлен в месте с достаточной циркуляцией воздуха, необходимым зазором над и под устройством для потока охлаждающего воздуха, как указано в руководстве по установке производителя, и что панель управления или корпус имеет достаточную вентиляцию или принудительное воздушное охлаждение для полного рассеивания тепла всех установленных приводов.
Выходной сигнал ШИМ электропривода с регулируемой скоростью содержит высокочастотные компоненты напряжения, которые могут вызвать проблемы при длинных кабелях, идущих к двигателю. Эффекты отражения напряжения в длинных кабелях двигателя (обычно длина которых превышает 50 метров для приводов без выходных дросселей) могут привести к тому, что пиковые напряжения на клеммах двигателя будут значительно выше, чем напряжение на шине постоянного тока привода, создавая нагрузку на изоляцию обмотки двигателя. Если длина кабеля превышает установленный производителем привода предел без каких-либо мер, установите выходной дроссель (также называемый дросселем двигателя) или фильтр dV/dt на выходе привода. Кроме того, убедитесь, что кабель двигателя экранирован (экранирован) и заземлен как со стороны привода, так и со стороны двигателя, и что кабель двигателя проложен отдельно от сигнальных и управляющих кабелей, чтобы свести к минимуму электромагнитные помехи (ЭМП).
Перед первым вводом электропривода в эксплуатацию введите данные паспортной таблички двигателя — номинальное напряжение, номинальный ток, номинальную частоту, номинальную скорость и коэффициент мощности двигателя — в набор параметров привода. Большинство современных приводов включают автоматическую идентификацию двигателя или процедуру автонастройки, которая запускает двигатель через контролируемую последовательность испытаний и измеряет фактические электрические характеристики подключенного двигателя, оптимизируя внутренние параметры управления приводом для этого конкретного двигателя. Настоятельно рекомендуется выполнить процедуру автонастройки перед вводом системы в эксплуатацию, особенно для приводов с векторным управлением, поскольку она значительно повышает точность регулирования скорости и динамический отклик крутящего момента по сравнению с расчетными параметрами двигателя, указанными только на паспортной табличке.
Технология электропривода быстро развивается по нескольким направлениям, чему способствуют электрификация транспорта, рост автоматизации в промышленности и глобальное стремление сократить потребление энергии и выбросы углекислого газа. Несколько ключевых разработок формируют следующее поколение систем электропривода.