Силовая электроника №2'2006

Новое поколение преобразователей частоты для управления электроприводом

Анатолий Виноградов
Андрей Сибирцев
Владимир Матисон
Виктор Степанов
Татьяна Михайлова


В статье представлены новые совместные работы ООО «ЭЛПРИ» (Чебоксары) и НИЛ «Вектор» Ивановского государственного энергетического университета в области частотного и адаптивно-векторного управления электроприводом переменного тока.


Преобразователи серии ЭПВ, несколько вариантов конструкции которых показано на рисунке, представляют собой новое поколение многофункциональных «интеллектуальных» устройств управления низковольтными (до 440 В) электроприводами переменного тока (асинхронными и синхронными электродвигателями, мощностью от 1 до 400 кВт), предназначенными для регулируемого электропривода механизмов и технологических процессов с самыми различными требованиями к параметрам регулирования и условиям эксплуатации: от насосов и вентиляторов до высокоточных станков и следящих систем.

Рис. 1. Развитие технологии IGBT
Рисунок. Преобразователи частоты серии ЭПВ. Слева направо: преобразователь со встроенным цифровым пультом для электроприводов мощностью до 11 кВт, преобразователь со встроенным цифровым пультом для электроприводов мощностью до 5,5 кВт; преобразователь с выносным цифровым пультом для электроприводов мощностью до 5,5 кВт

Системы управления всех преобразователей серии выполнены на основе универсального микроконтроллерного ядра, образованного двумя 16-разрядными микроконтроллерами. В сравнении с предыдущей разработкой НИЛ «Вектор» [1], выпускаемой ООО «ЭЛПРИ» с 1999 года под маркой АПЧ, электроприводы новой серии отличаются:

  • существенно более широкой областью использования, включающей объекты, требующие применения быстродействующего широкодиапазонного электропривода переменного тока, электропривода с высоким качеством двухстороннего обмена энергией с питающей сетью, а также высококачественного электропривода без датчика;
  • улучшенными показателями регулирования скорости (быстродействием, диапазоном);
  • улучшенными массо-габаритными и энергетическими характеристиками;
  • более высокими показателями надежности, достигнутыми за счет повышения степени интеграции и увеличения надежности отдельных компонентов;
  • широким набором входных и выходных сигналов;
  • существенно расширенными функциями интерфейса и повышением производительности интерфейсных каналов;
  • введением развитых функций программирования пользователем для решения разнообразных технологических задач;
  • введением новых и повышением качества уже существующих режимов работы, функциональных возможностей и интеллектуальных свойств;
  • наличием удешевленного бескорпусного исполнения для встраивания в шкафы управления. Среди новых режимов и возможностей [2] отметим следующие:
  • Режим адаптации к изменению активных сопротивлений электродвигателя, обеспечивающий инвариантность характеристик электропривода к температурным изменениям сопротивлений статора и ротора.
  • Автоматическая настройка электропривода на заданные динамические характеристики (время регулирования, полоса пропускания контура скорости, вид переходного процесса). Возможность последующей точной подстройки в ручном режиме с помощью тестовых входных сигналов и настроечных рекомендаций.
  • Расширение числа параметров электропривода, определяемых в результате процедуры автонастройки, и повышение ее точности. В результате выполнения автонастройки асинхронного электропривода определяются активные сопротивления статора и ротора, взаимная индуктивность и индуктивность рассеяния, момент инерции, по которым производится расчет базовых значений всех параметров и коэффициентов системы управления электроприводом при заданных показателях качества регулирования.
  • Программно реализованная структура системы управления электроприводом позволяет работать в замкнутом контуре регулирования скорости или момента. Минимальный полный цикл расчета контура скорости 100 мкс, контура момента — 50 мкс.
  • Алгоритм автоматической фазировки датчика скорости и положения исключает необходимость переключений при согласовании выходных сигналов с направлением вращения.
  • Наличие двух встроенных коммуникационных портов (RS-232/485 и CAN) при поддержке стандартных протоколов связи (MODBUS и CAN-Open) позволяет встраивать электроприводы в локальные информационно-управляющие сети, АСУ ТП и другие сложные системы, не требуя при этом затрат времени на освоение специфичных средств коммуникаций.
  • Четыре независимых набора параметров могут активизироваться аппаратно или программно для различных применений и при изменениях внешних условий работы объекта управления.
  • Программируемая частота модуляции 2–20 кГц позволяет для любых применений находить оптимальное соотношение между шумами, вибрациями двигателя и дополнительными потерями в системе «преобразователь–двигатель».
  • Широкий набор аналоговых и цифровых входов-выходов с возможностью их перепрограммирования и наращивания путем подключения дополнительных модулей.
  • Пульт ручного управления встраивается в корпус преобразователя или выполняется съемным (для установки на дверце шкафа или пульта оператора).
  • Различные исполнения интерфейсной платы обеспечивают подключение датчиков скорости и положения с различными типами сигналов: импульсных, синусно-коси-нусных, резольверов.

В качестве дополнительных опций могут подключаться:

  • Режим адаптации к изменению параметров механической части электропривода, обеспечивающий инвариантность характеристик электропривода к изменению момента инерции и момента нагрузки.
  • Компенсация динамических неидеальнос-тей силовых ключей преобразователей энергии (задержек включения и выключения), обеспечивающая минимизацию влияния этих эффектов на характеристики электропривода, в особенности на малых скоростях и при высоких частотах модуляции.
  • Режим повышенного энергосбережения, обеспечивающий минимизацию потребляемой электроприводом энергии при случайном характере изменения нагрузки.
  • Режим торможения постоянным током, обеспечивающий фиксацию вала на нулевой скорости и эффективное торможение без отвода энергии в звено постоянного напряжения.
  • Режим «самоподхвата» электропривода на заранее неизвестной скорости, реализующий автоматический поиск уровня скорости и плавное вхождение в работу при включении электропривода с вращающимся валом двигателя. Режим актуален, в частности, в электроприводах с большими моментами инерции при повторном включении в работу после кратковременного пропадания напряжения питания.
  • Режим программирования и настройки электропривода с помощью персонального компьютера.
  • Режим позиционирования вала.
  • Возможность обновления программного обеспечения преобразователей самим пользователем без демонтажа оборудования.
  • Программные макросы, предназначенные для встраивания электропривода в специфические технологические процессы (управление электроприводом многонасосной станцией, станции управления лифтами, управление механизмами с упругой механикой, управление натяжением намоточных механизмов, многосвязный, многодвигательный электропривод с согласованием по скорости, моменту или угловому положению и другие применения по спецификации заказчика).
  • Режим предельной перегрузочной способности электропривода, позволяющий существенно повысить перегрузочную способность преобразователя по току в пределах того же типоразмера.

Серия ЭПВ включает в себя следующие исполнения:

  • Бездатчиковый асинхронный электропривод мощностью 3–400 кВт, предназначенный для механизмов с диапазоном регулирования скорости до 50:1, не предъявляющих повышенных требований к быстродействию и точности регулирования скорости (насосы, вентиляторы, подъемно-транспортные средства и другие общепромышленные механизмы).
  • Преобразователи частоты мощностью 1–55 кВт с адаптивно-векторным управлением для высокоэффективных широкодиапазонных асинхронных и синхронных электроприводов, предназначенных для механизмов с повышенными требованиями к статическим и динамическим характеристикам (электроприводы главного движения и подач металлорежущих станков с диапазоном регулирования скорости от 1:1000 до 1:100 000 и полосой пропускания контура скорости до 100 Гц и более).
  • Векторный асинхронный и синхронный электропривод без датчика на валу двигателя, обеспечивающий высокие динамические характеристики в диапазоне регулирования скорости 100:1. Предназначен для механизмов, предъявляющих повышенные требования к динамике, у которых вследствие технологических особенностей установка датчика на вал двигателя не предусматривается (экструдеры, дробилки и другие механизмы химической и горнорудной промышленности, тяговые электроприводы транспортных средств).
  • Рекуперативный выпрямитель мощностью 15-55 кВт с векторной системой управле ния, предназначенный для применения в преобразователях со звеном постоянного напряжения, реализующих функцию сво бодного двунаправленного обмена энерги ей между питающей сетью и нагрузкой с вы сокими энергетическими характеристика ми и показателями электромагнитной совместимости. Характеризуется синусои дальным сетевым током и регулируемым коэффициентом мощности, который мо жет устанавливаться равным единице, а также «опережающим» или «отстающим». Область применения — электропривод ме ханизмов, значительное время работающих в тормозных режимах: подъемно-транс портные механизмы (краны, лифты и т. д.), станки, работающие в режимах частых цик лов разгон-торможение, механизмы с боль шими моментами инерции.

Основные характеристики преобразователей частоты серии ЭПВ:

  • напряжение питания: 380 В +10/–15%, 48-63 Гц;
  • рабочий диапазон частот: 0-400 Гц;
  • частота модуляции: программируется в диапазоне 2-20 кГц;
  • допустимая перегрузка по току с типовым двигателем:
    - 1,5 в течение 30 с,
    - 2 в течение 5 с;
  • входы изолированные:
    - аналоговые — 2 (4÷20 мА), 2 (±10 В);
    - цифровые — 12 свободно программируемых;
    - вход терморезистора двигателя;
    - вход импульсного датчика скорости или положения с дублированием сигнала;
  • выходы изолированные программируемые:
    - 2 канала ЦАП;
    - 2 импульсных;
    - 4 логических транзисторных;
    - 2 релейных;
  • коммуникационные порты (изолированные):
    - RS-232/485 (протокол MODBUS);
    - CAN (протокол CAN Open).

В технической документации электроприводов серии ЭПВ приводятся и гарантируются такие важные характеристики, как диапазон регулирования и полоса пропускания частот контура скорости. Электроприводы комплектуются асинхронными и синхронными электродвигателями российских производителей, положительно зарекомендовавших себя на внутреннем и внешнем рынке.

Являясь чисто российской разработкой, преобразователи серии ЭПВ надежно работают в условиях существенных отклонений параметров качества питающего напряжения (форма, колебания, перекосы, импульсные помехи и прочее), не требуя при этом обязательной установки дополнительных дорогостоящих фильтров. Однако там, где эти фильтры действительно необходимы по условиям электромагнитной совместимости оборудования, например, при большой длине соединительного кабеля между преобразователем и электродвигателем, электроприводы комплектуются фильтрами, специально разработанными НИЛ «Вектор» совместно с ООО «ЭЛПРИ» для работы с преобразователями серий ЭПВ и АПЧ. Подбор фильтров осуществляется в зависимости от частоты модуляции, типа, длины и способа укладки кабеля при проектировании конкретных объектов.

В целом технические характеристики преобразователей и комплектных электроприводов серии ЭПВ не уступают, а по ряду параметров — превосходят характеристики аналогов. При этом по стоимости преобразователи серии ЭПВ являются одним из самых недорогих предложений на российском рынке. Их стоимость в среднем на 15–50% меньше стоимости их аналогов соответствующего технического уровня исполнения.

Промышленное производство электроприводов и систем управления электроприводом на их основе осуществляется на ООО «ЭЛПРИ» — дочернем предприятии Чебоксарского электроаппаратного завода. Существенное отличие технологического процесса производства преобразователей ЭПВ и АПЧ, по сравнению с другими выпускаемыми в России преобразователями, — стендовая проверка под нагрузкой при повышенной температуре каждого из выпускаемых преобразователей, обеспечиваемая большим парком нагрузочных агрегатов.

Высокие технические характеристики наряду с широкомасштабной технической поддержкой внедрения и эксплуатации (вплоть до изменения программного обеспечения для адаптации к специфическим уникальным требованиям) и эффективной системой обеспечения качества обеспечивают успешное внедрение преобразователей серии ЭПВ в самых различных применениях.

Литература

  1. Виноградов А. Б., Чистосердов В. Л., Сибирцев А. Н., Монов Д. А. Асинхронный электропривод общепромышленного назначения с прямым цифровым управлением и развитыми интеллектуальными свойствами // Изв. вузов. Электромеханика. 2001. № 3.
  2. Виноградов А. Б., Чистосердов В. Л., Сибирцев А. Н. и др. Новые серии многофункциональных векторных электроприводов переменного тока с универсальным микроконтроллерным ядром // Привод и управление. 2002. № 3.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2006_02_64.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо