Сучасні частотно-керовані електроприводи змінного струму Сучасні частотно-керовані електроприводи

Описание презентации Сучасні частотно-керовані електроприводи змінного струму Сучасні частотно-керовані електроприводи по слайдам

Сучасні частотно-керовані електроприводи змінного струму М і сюренко В. О. -НУ «Льв і вськаСучасні частотно-керовані електроприводи змінного струму М і сюренко В. О. -НУ «Льв і вська Політехніка e-mail: [email protected] lviv. ua

Зміст Основи теорії частотного керування асинхронними електроприводами • Принцип роботи асинхронного двигуна, основні співвідношенняЗміст Основи теорії частотного керування асинхронними електроприводами • Принцип роботи асинхронного двигуна, основні співвідношення • Закони частотного керування: поняття, визначення особливості та характеристики Принцип роботи перетворювачів частоти • Принцип формування вихідної напруги: амплітудна та широтно-імпульсна модуляція • Способи формування гальмівного режиму роботи двигуна • Особливості роботи вхідного випрямляча Електроприводи ALTIVAR від SE • Принцип роботи, основні характеристики та функціональні можливості, • Проблема ЕМС • Проблема захисту та координації комутаційної апаратури

Основи теорії частотного керування асинхронними електроприводами • Принцип роботи асинхронного двигуна,  • основніОснови теорії частотного керування асинхронними електроприводами • Принцип роботи асинхронного двигуна, • основні співвідношення • Закони частотного керування: Скалярне керування, поняття, закони U /f , IR- компенсація Векторне керування, принцип, особливості Закон збереження енергії • Приклади структурних схем САК

КОНСТРУКЦІЯ АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ КОНСТРУКЦІЯ АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ

ПРИНЦИП РОБОТИ АСИНХРОНН ОГО  ДВИГ УНА Створення магнітного поля (3 катушки )i AПРИНЦИП РОБОТИ АСИНХРОНН ОГО ДВИГ УНА Створення магнітного поля (3 катушки )i A = I m sin t i B = I m sin( t-120 º) i C = I m sin( t-240 º)A BC 120 º 24 0 º

ПРИНЦИП РОБОТИ АСИНХРОНН ОГО  ДВИГ УНА Формування момента Магнітне поле статора Струми уПРИНЦИП РОБОТИ АСИНХРОНН ОГО ДВИГ УНА Формування момента Магнітне поле статора Струми у роторі Магнітне поле ротора. Струми у статорі Рушійний момент Момент: M=c Ф 2 I

МЕХАНІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА АД; 2 s s M M k k k  ; 2МЕХАНІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА АД; 2 s s M M k k k ; 2 3 22 111 2 1 k k xrr p. U M ; 22 1 2 k k xr r s ; 21 xxxk M M k 0 M п(1 — s k ) 0 ; 00 s ; 10 p Режим двигуна Режим противмикання. Рекуперативний режим Ділянка нестійкого режиму роботи Гілка стійкої роботи ; 211 f

ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ; 8 3 2 3 1 1 2 2 1 2 1ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ; 8 3 2 3 1 1 2 2 1 2 1 const f U дляconst f. L p. U x p. U M kkk k U 1 f 1 U н f max. U 1 M k 1 rx. Колиk Застосування: • Потужні АД з моментом навантаження , яке не залежить від швидкості; • приводи з невисокими вимогами до точностіВольт-частотна характеристика

ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ; 32 3 48 3 2 1 4 2 1 3 2ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ; 32 3 48 3 2 1 4 2 1 3 2 1 2 2 1 3 const f U дляconst сf. L Up сff. L Up M M kkc k U 1 f 1 U н f max. U 1 M k 2 12 2 24 f p cc. Mізмівтурбомехан. Дляc Застосування: • вентилятори; • насоси; • компресори

ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ U 1 f 1 U н f max. U 1 MЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ U 1 f 1 U н f max. U 1 M kпускомважкимзмеханизмів. Для Застосування: • конвейори • млини, тощо

ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ U 1 f 1 U н f max. Застосування: двигуни малоїЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ U 1 f 1 U н f max. Застосування: двигуни малої потужностіIR- компенсація Mf 1 =50 Гц f 1 =25 Гц f 1 =12 Гц U 1 /f 1 =const. IR- компенсація

ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ ВЧХ користувача U 1 f 1 U н f max 2ЗАКОНИ ЧАСТОТНОГО КЕРУВАННЯ ВЧХ користувача U 1 f 1 U н f max 2 3 4 5 6 7 1 Застосування: • реализація особливих умов та вимог до вольт-частотної характеристики

СКАЛЯРНЕ КЕРУВАННЯ АІН з амплітудною модуляцією * M 2 p * f КВ АІН*СКАЛЯРНЕ КЕРУВАННЯ АІН з амплітудною модуляцією * M 2 p * f КВ АІН* m U * M tf. Uu m *** 2 sin В АІН ФП* m U 2 p * f АІН з широтно-імпульсною модуляцією. Регулювання напруги (струму) та частоти Недоліки: • низька швидкодія; • відносно малий діапазон регулювання D=10 —

.  q. I L L k. M 12 2 12 12 2 1. q. I L L k. M 12 2 12 12 2 1 L dt d T Id 212 2 2 M k. L L Iq Векторне керування, принцип, особливості 11 Im. Ik. M

Векторне керування, режими АД Векторне керування, режими АД

Векторне керування приклад структурної схеми *1 m. I ШИМ РТ ВС БУ 3 БУВекторне керування приклад структурної схеми *1 m. I ШИМ РТ ВС БУ 3 БУ 2 БУ 1 РС *1 d. I *1 q. I 2121 dq. II 203 z. L Lr * М* ФГС S=1 s ДТ АИН БОП *Ai іВ іС іА sin( -4 /3) sin( -2 /3) sin СЧ СЧ 1 22 ‘2 3 z r t _ + _ _ _ М _ t t t ІДП ПЧН ПНЧ dtΘ 1 *Bi *Ci * 1 m. I

Векторне керування Векторне керування

Векторне керування функціональна схема САК ( FVC) Векторне керування функціональна схема САК ( FVC)

Векторне керування осцилограми пуску приводу з ПЧ типу ATV 58 F Векторне керування осцилограми пуску приводу з ПЧ типу ATV

БЕЗДА ВАЧЕВЕ ВЕКТОРНЕ КЕРУВАННЯ ( Sensorless vector control, SVC) Передумови:  •  трудністьБЕЗДА ВАЧЕВЕ ВЕКТОРНЕ КЕРУВАННЯ ( Sensorless vector control, SVC) Передумови: • трудність вимірювання магнітного потоку • Не завжди є можливість встановлення давача швидкості (положення) Переваги: • Покращення регулювальних властивостей приводу без застосування давачів швидкості Принцип: • вимірювання струмів з наступним розрахунком швидкості та моменту Недоліки: • діапазон регулювання, точність і швидкодія гірші, ніж при «повному» векторному керуванні. (з давачем швидкості)

Векторне керування без давача швидкості ( SVC) Векторне керування без давача швидкості ( SVC)

Принцип роботи перетворювачів частоти • Принцип формування вихідної напруги: амплітудна та широтно-імпульсна модуляція •Принцип роботи перетворювачів частоти • Принцип формування вихідної напруги: амплітудна та широтно-імпульсна модуляція • Способи формування гальмівного режиму роботи двигуна • Особливості роботи вхідного випрямляча • Переваги ПЧ з ШІМ • Основні вимоги до систем керування • Функціональна та структурні схеми сучасного ПЧ типу Altivar

Общая структура преобразователей частоты В – выпрямитель; Ф – сглаживающий фильтр; АИ – автономныйОбщая структура преобразователей частоты В – выпрямитель; Ф – сглаживающий фильтр; АИ – автономный инвертор. Назначение ПЧ – преобразование энергии переменного тока неизменных уровня и частоты в энергию переменного тока с регулируемыми уровнем и частотой Двухзвенный ПЧ

Силов і  напівпровідникові модулі Переваги:  •  зменшення габаритів;  • Силов і напівпровідникові модулі Переваги: • зменшення габаритів; • спрощення конструкції ПЧ та його вартості; • Підвищення надійності; • збільшення швидкодіїОсобливості конструкції: • об ’ єднання в модулі : • силового керованого ключа та зворотнього діода, • декількох ключів; • силової схеми цілого перетворювача енергії • Напівпровідниковий кристал та електрична схема ізольовані від основи

u a Трифазний АІН з амплітудної модуляції u у1 u у 2 t. Tu a Трифазний АІН з амплітудної модуляції u у1 u у 2 t. T м Z a Z b Z ci bi ai вх i cu cu bu a С –+ VD 2 VD 4 VD 6 VD 5 VD 3 VD 1 VS 2 VS 4 VS 6 VS 5 VS 3 VS 1 U d u у 3 u у 4 u у 5 u у 6 u b u c i a i b i c t t. T м 3 U d 3 2 U d 3 — + VS 4 VS 5 VS 1 U d /3 2 U d /3 U d Z c Z b. Z a i c i вх =i bi a II II IV V VI I II IV V — + VS 4 VS 6 VS 1 U d /32 U d /3 U d Z c. Z b Z a i ci b i вх =i a II

Трехфазный АИН Основные принципы управления •  для обеспечения непрерывности выходного тока управляющие импульсыТрехфазный АИН Основные принципы управления • для обеспечения непрерывности выходного тока управляющие импульсы всегда присутствуют на трех ключах (по одному в каждой фазе); • во избежание сквозного короткого замыкания источника постоянного тока не могут быть одновременно открыты оба ключа одной фазы; • выходной ток фазы после коммутации в ней не может измениться скачком; • после запирания ключа отпирается обратный диод в той же фазе, который обеспечивает протекание фазного тока в том же направлении, что и до запирания ключа Z a Z b Z ci bi ai вх i cu cu bu a С –+ VD 2 VD 4 VD 6 VD 5 VD 3 VD 1 VS 2 VS 4 VS 6 VS 5 VS 3 VS 1 U d

Амплітудна модуляція в ПЧ Переваги:  •  простота алгоритму керування інвертором • Амплітудна модуляція в ПЧ Переваги: • простота алгоритму керування інвертором • малі втрати в ключах інвертора Недоліки: • необхідність використання двох керованих перетворювачів; • суттєва несинусоїдальність струмів двигуна; • вузький діапазон регулювання швидкості двигуна; • низький вхідний коефіцієнт потужності , несприятловий вплив на мережу живлення

Трехфазный АИН с широтно-импульсной модуляцией Трехфазный АИН с широтно-импульсной модуляцией

Широтно-импульсная модуляция в ПЧ Преимущества:  •  входной выпрямитель может быть неуправляемым; Широтно-импульсная модуляция в ПЧ Преимущества: • входной выпрямитель может быть неуправляемым; • практически синусоидальная форма выходного тока; • возможность глубокого регулирования скорости; • Cos близкий к 1; • возможность питания нескольких АИН от общего выпрямителя Недостатки: • необходимость применения более дорогих ключей; • повышенные потери в ключах вследствие высокой частоты их переключения; • повышенное излучение электромагнитных помех; • возможность перенапряжений на обмотке двигателя при большой длине кабеля Области применения: • электроприводы с повышенными требованиями к точности, диапазону регулирования скорости или энергетическим показателям; • силовые активные фильтры для систем электроснабжения; • источники бесперебойного питания

Способы торможения в электроприводах с ПЧ Рекуперативное с возвратом энергии в сеть:  •Способы торможения в электроприводах с ПЧ Рекуперативное с возвратом энергии в сеть: • энергосбережение; • дополнительные капитальные затраты С ведомым сетью инвертором (ВИ): • несинусоидальная форма тока сети; • cos <1 С активным выпрямителем (АВ) • синусоидальная форма тока сети; • cos =

Способы торможения в электроприводах с ПЧ Динамическое торможение (торможение постоянным током) •  тормознаяСпособы торможения в электроприводах с ПЧ Динамическое торможение (торможение постоянным током) • тормозная энергия рассеивается в двигателе; • дополнительные капитальные затраты отсутствуют Рекуперативное с разрядным резистором: • тормозная энергия рассеивается в резисторе; • дополнительные капитальные затраты невелики

Способы торможения в электроприводах с ПЧ Обмен тормозной энергией по сети постоянного тока: Способы торможения в электроприводах с ПЧ Обмен тормозной энергией по сети постоянного тока: • рекуперируемая энергия может быть использована другими потребителями; • мощность выпрямителя меньше суммы мощностей инверторов; • целесообразно использование в многодвигательных механизмах M 3 M 2 M 1 Выпрямитель Инвертор _ +

Входные выпрямители двухзвенных ПЧ Особенности:  •  выпрямленный ток прерывистый;  • Входные выпрямители двухзвенных ПЧ Особенности: • выпрямленный ток прерывистый; • потребляемый из сети ток существенно несинусоидальный

Ограничение зарядного тока Цель:  •  снижение тока заряда конденсатора при первом подключенииОграничение зарядного тока Цель: • снижение тока заряда конденсатора при первом подключении ПЧ сети

Перенапряжения на выходе АИН Причины:  •  быстрый темп изменения выходного напряжения АИНПеренапряжения на выходе АИН Причины: • быстрый темп изменения выходного напряжения АИН при переключениях ключей; • проявление волновых свойств длинного кабеля Следствия: • перенапряжения на обмотке статора двигателя (до двойного по сравнению с номинальным напряжением); • рост емкостных токов утечки в кабеле; • более интенсивное электромагнитное излучение кабеля Выходные фильтры

ТРЕБОВАНИЯ К ПЧ регулирование (как согласованное, так и раздельное) частоты и уровня выходного напряженияТРЕБОВАНИЯ К ПЧ регулирование (как согласованное, так и раздельное) частоты и уровня выходного напряжения в широких границах; форма выходного тока, максимально приближенная к синусоидальной; способность к кратковременным перегрузкам; создание условий для протекания тормозных токов двигателя; минимальное внутреннее сопротивление для обеспечения максимальной жесткости механических характеристик електропривода ; высокое быстродействие; легкость интеграции в системы автоматизации высшего уровня; высокие КПД и коэффициент мощности; высокая надежность; удобство и безопасность наладки и эксплуатации; минимальные генерируемые электромагнитные помехи и акустический шум; минимальные габариты и масса; уровень защиты от влияния окружающей среды, соответствующий условиям эксплуатации; возможность выбора комплектации в зависимости от решаемых задач и условий эксплуатации

ЗАДАЧИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ПЧ  • формирование логических сигналов управления ключами ( т.ЗАДАЧИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ПЧ • формирование логических сигналов управления ключами ( т. е. управление самим ПЧ ); • управление координатами електропривода (током, скоростью); • управление технологическим параметром (положением рабочих органов, давлением, натяжением, производительностью и т. п. ); • диагностирование и защита узлов и элементов преобразователя и электропривода в целом; • программирование и настройка ПЧ и системы управления электроприводом ; • обеспечение диалога с пользователем и системой автоматизации высшего уровня.

РАЗВИТИЕ ПЧ РАЗВИТИЕ ПЧ

Структурна схема електроприводу ATV 71 Силовая секция Унифицир. блок управления энкодер опц. карта 3Структурна схема електроприводу ATV 71 Силовая секция Унифицир. блок управления энкодер опц. карта 3 Карта расширения 2 Контроллер управления двигателем. Контроллер прикладных задач. Послед интерфейс Карта расширения 1 Карта контроля Интегрир терминал Порт 1 : MBS RJ 45 (терминал) Порт 2 : RJ 45 Can. Open. Modbus Скоростной послед порт. Изоляция Графический терминал

Функціональна схема  Altivar IGBT Центральна плата  ( мікропроцесор )) Плата терміналу програмуванняФункціональна схема Altivar IGBT Центральна плата ( мікропроцесор )) Плата терміналу програмування ASIC Плата керування інвертором. Живлення 24 V= 1 або 2 плати Вх/Вих Контроль за зарядом конденсаторів CВипрямляч Коло постійн. струму RS 232 0 L 2 L 3 U V W U I I

Прості механізми Установки кондиц. та вентиляцыъ. Складні механізми ATV 11 0, 18 - 2,Прості механізми Установки кондиц. та вентиляцыъ. Складні механізми ATV 11 0, 18 — 2, 2 к. Вт ATV 31 0, 18 -15 к. Вт ATV 71 0, 37 -500 к. Вт ATS 01 1, 1 -75 к. Вт ATS 48 4 — 1200 к. Вт. Електроприводи Altivar від SE ATV 61 0, 37 — 630 к. Вт. Вентилятори, насоси ATV 2 1 0, 75 -30 к. Вт ALTi. START 01 ALTi. START

Оновні функціональні можливості  електроприводів Altivar Формування статичних та динамічних характеристик електроприводу( механізму) ФормуванняОновні функціональні можливості електроприводів Altivar Формування статичних та динамічних характеристик електроприводу( механізму) Формування команд та режимів роботи адаптованих до конкретного механізму Організація діалогу з оператором та/або АСУ ТП Моніторинг стану (діагностика) та захист системи

Формування команд та режимів роботи адаптованих до конкретного механізму Формування команд та режимів роботи адаптованих до конкретного механізму

 • Застосування макро-конфігурацій ( ATV 71 ) або спеціальних функцій ( ATV 31, • Застосування макро-конфігурацій ( ATV 71 ) або спеціальних функцій ( ATV 31, ATV 71) • Застосування вільно програмованої плати (ATV 7 1 ) або спеціальних прикладних плат ( , ATV 71, ATV 61 ) • Створення проблемно-орієнтованого електропривода ( ATV 61 , ATV 21 )Три рішення для створення проблемно- орієнтованих електроприводів :

 • Пуск/стоп (заводське налаштування) • Транспортування • Загальне застосування • Підйомно-транспортні механізми • • Пуск/стоп (заводське налаштування) • Транспортування • Загальне застосування • Підйомно-транспортні механізми • ПІД-регулятор • Комунікація • Ведучий/ведений Застосування макро-конфігурацій ( ATV 71)

Проблемно-орієнтований електропривод ATV 61  Орієнтований на застосування для механізмів з вентиляторною характеристикою Проблемно-орієнтований електропривод ATV 61 Орієнтований на застосування для механізмів з вентиляторною характеристикою ЗАБЕЗПЕЧУЄ : — ПІД-регулювання технологічного параметра — режим енергозбереження — Режим підхоплення на ходу , — адаптивне струмове обмеження у функції швидкості , — підрахунок годин роботи та спожитої електроенергії , тощо

Проблема електромагнітної сумісності ПЧ • Поняття про ЕМС • Характеристика електромагнітних завад • ВпливПроблема електромагнітної сумісності ПЧ • Поняття про ЕМС • Характеристика електромагнітних завад • Вплив ПЧ на мережу • Вплив ПЧ на двигун (перенапруги та градіент d. U / dt )

ЕМС – це можливість  використання пристрою  чи  системи в електромагнітному середовищіЕМС – це можливість використання пристрою чи системи в електромагнітному середовищі без створення недопустимых для оточення чи іншого пристрою електромагнітних завад. Поняття про ЕМС

  Вплив ПЧ на мережу Вплив ПЧ на мережу

Спектральний склад гармонік струму Спектральний склад гармонік струму

Емністний струм витоку Емністний струм витоку

Емністний струм витоку Емністний струм витоку

Засоби зменшення впливу ПЧ на мережу  Використання мережного дроселя  Використання дроселя постійногоЗасоби зменшення впливу ПЧ на мережу Використання мережного дроселя Використання дроселя постійного струму Використання додаткового вхідного фільтра радіочастот

Вплив ПЧ на двигун  Проблема градієнту d. U/dt  Проблема довгого кабелю Вплив ПЧ на двигун Проблема градієнту d. U/dt Проблема довгого кабелю

 Вихідні напруга та струм ПЧ Вихідні напруга та струм ПЧ

Наслідки такої вихідної напруги ПЧ: Виникнення хвильових процесів у кабелі та явища накладання падаючоїНаслідки такої вихідної напруги ПЧ: Виникнення хвильових процесів у кабелі та явища накладання падаючої та відбитої хвилі- результат: перенапруга на обмотці двигуна Круті фронти імпульсів напруги ( d. U/dt) викликають нерівномірний розподіл напруги між витками обмотки двигуна

Засоби для зменшення впливу ПЧ    на двигун  Використання дроселя двигунаЗасоби для зменшення впливу ПЧ на двигун Використання дроселя двигуна Використання вихідного фільтра (у тому числі т. з. синусного фільтра) Активізація у програмі ПЧ спеціальної функції ( ATV 71)

Проблема захисту ПЧ  Види захисту  Поняття про координацію комутаційної апаратури Проблема захисту ПЧ Види захисту Поняття про координацію комутаційної апаратури

Мета координації Захистити обслуговуючий персонал та установку при виникненні будь-яких аварійних струмів ( перевантаженняМета координації Захистити обслуговуючий персонал та установку при виникненні будь-яких аварійних струмів ( перевантаження або струми к. з. ) Зменшити витрати на уведення в експлуатацію після аварії та мінімізувати час на заміну та вартість апаратури.

Координація захисту Ідея координації у стандарті МЕК 947 Пріоритет захисту персоналу та обладнання НеКоординація захисту Ідея координації у стандарті МЕК 947 Пріоритет захисту персоналу та обладнання Не повинно бути ніяких проявів ззовні шафи Ніякої небезпеки пожежі Приймати до уваги обслуговування обладнання Обмежити небезпеку пошкодження апаратури силового кола Скорочення часу простою Неперервність стану працездатності для покращення продуктивності

МЕК 947: 3 рівня координації Координація типу 1 ( МЕК  947 -4 -1)МЕК 947: 3 рівня координації Координація типу 1 ( МЕК 947 -4 -1) Координація типу 2 ( МЕК 947 -4 -1) Координація повна ( МЕК 947 — 6 -2) Координація силового кола двигуна залежить головним чином від : — електричного середовища — — вибору апаратури

Координація типу 1  ( МЕК 947 -4 -1) Ніякої небезпеки для персоналу таКоординація типу 1 ( МЕК 947 -4 -1) Ніякої небезпеки для персоналу та установки Контактор та/або реле можуть бути пошкоджені Перед повторним пуском потрібно замінити апаратуру У випадку к. з.

Координація типу 2 МЕК 947 -4 -1 Ніякої небезпеки для персоналу та обладнання. Координація типу 2 МЕК 947 -4 -1 Ніякої небезпеки для персоналу та обладнання. Не допускається ніякого пошкодження апаратури. Ризик зварювання контактів допускається. Контакти можуть бути легко роз ’ єднанні за допомогою інструменту (викруткою). Ніяких повторних налагоджень не потрібно робити. Електрична ізоляція повинна зберігатися після аварії. Коло повинна бути готовим для повторного вмикання в роботу. У випадку к. з.

Повна координація ( МЕК 947 -6 -2) Ніякої небезпеки для персоналу та обладнанн НіякогоПовна координація ( МЕК 947 -6 -2) Ніякої небезпеки для персоналу та обладнанн Ніякого пошкодження пускача (контактора) , не допускається ніякого зварювання контактів, електрична ізоляція не повинна бути порушена Негайний повторний пуск є можливим без інспектування апаратури У випадку к. з.