Новая концепция построения силовых цепей частотно-регулируемых асинхронных электроприводов
Предложена новая концепция построения силовых цепей частотно-регулируемых асинхронных электроприводов, которая позволяет не только радикально улучшить спектральных состав потребляемого приводом тока, но и придать ему новые, ранее недостижимые полезные качества.
Частотно-регулируемые электроприводы с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором широко используются буквально во всех областях современной техники, где требуется эффективное регулирование координат и параметров разнообразных технологических процессов. Мощности таких электроприводов охватывают диапазон от сотен ватт до единиц мегаватт. Например, фирма "TELEMECANIQUE" выпускает частотно-регулируемые приводы для асинхронных двигателей мощностью от 0,5 до 200 л.с., фирма "LEROY-SOMER" от 1,0 до 150 л.с., "ТЕСОWESTINGHOUSE" от 0,4 до 1500 л.с., а мировой лидер в современной технологии регулируемых электроприводов фирма ”ABB” от 0,4 до 5000 л.с..
Подавляющее большинство работающих во всем мире и находящихся в разработке частотно-регулируемых приводов общепромышленного применения (ASD – Adjustable Speed Drives, как их принято называть в мировой литературе) имеют годами отработанную и хорошо зарекомендовавшую себя на практике, принципиальную силовую схему, в наиболее общем виде показанную на рис. 1.
При небольших мощностях (менее 100—200 кВт) схема состоит из одного канала, содержащего входной (линейный) реактор переменного тока 11, выпрямитель 31, дроссель 41 в цепи выпрямленного тока, батарею электролитических конденсаторов 51, сглаживающих пульсации выпрямленного напряжения, транзисторный инвертор напряжения 61 (как правило, с использованием силовых IGBT-транзисторов) и выходной нагрузочный реактор 7, подключенный к статорным обмоткам регулируемого двигателя М.
При больших мощностях используют два или более каналов (модульное исполнение), причем возможно любое соотношение между числом модулей выпрямителей m и инверторов n, т.е. возможно m=n, m>n, m<n‚ например, в приводе OPTIM 2000 TWGD21131 (TECO-WESTINGHOUSE) n=2, m=3. То же касается количества линейных реакторов, дросселей и батарей конденсаторов. Применяется также питание выпрямителей и от отдельных трансформаторов, имеющих соединения первичных и вторичных обмоток по схеме "звезда-звезда" и "звезда-треугольник" и образующих тем самым 12—пульсную систему выпрямления; возможны и более сложные комбинации. Ниже мы будем говорить об одноканальной системе, имея в виду, что все сформулированные выводы и предложения применимы и к многоканальным вариантам. Все значительные успехи в разработке и применении частотно—регулируемь1х приводов, достигнутые за последние годы, связаны, в основном, с созданием совершенных систем и законов управления, систем диагностики и защиты и, конечно, применением новейшей элементной базы, прежде всего транзисторов типа IGBT, в т.ч. с интеллектуальными чипами. Структура же и состав силовых цепей привода существенных изменений не претерпели. Между тем, сейчас сложилась ситуация, требующая значительной модернизации именно силовых цепей привода.
Связано это с обостряющейся и все нарастающей проблемой ухудшения качества электроэнергии в силовых распределительных сетях (и не только в них) , вызываемой мощными нелинейными нагрузками. Частотно-управляемые электроприводы и другие нелинейные нагрузки , имеющие в своем составе выпрямители и батареи электролитических конденсаторов , выступают в этом случае в качестве “жертвы”, и в качестве “преступника”. Трехфазные нагрузки этого типа генерируют в питающую сеть мощные гармоники тока, в основном 5-ю и 7-ю (до 70-80% от основной каждая), искажаю синусоиду потребляемого тока до неузнаваемости и доводя коэффициент гармоник этого тока (Total Harmonic Distortion -THDI) до 80-90%, а также снижаю коэффициент мощности на входе (Power Factor- PF) до 0,5-0,6. Напомним, что THDI=; PF=P/S, где Iv , I1 – токи v-й и основной первой гармоник; P, S – активная и полная мощности, потребляемые из сети.
Однофазные выпрямительные нагрузки, хотя и не такие мощные, благодаря своей массовости (компьютеры, телекоммуникационная аппаратура, аудио-видеотехника, бытовые электроприборы и т.п.) также вносят существенный вклад в ухудшение качества электроэнергии, генерирую в сеть 3-ю (до 80%) и кратные ей гармоники тока и доводя общий THDI до 90-120%. Внешние гармоники тока, помимо увеличения потерь энергии в питающих сетях, неизбежно увеличивают и коэффициент гармоник по напряжению (THDv), особенно в “слабых”, т.е. высокоимпедансных сетях, искажают синусоиду питающего напряжения уплощая ее и существенно снижаю “Crest-factor” (который, как известно, для идеальной синусоиды равен 1,41). В низковольтных сетях Украины THDv редко бывает меньше величины 4-5%. На западе, где сети более мощны, и то предлагается при расчетах функционирования электрооборудования ориентироваться на так называемые источники питания типа SP2, имеющие изначально 1% несимметрии и 2,5% предварительно присутствующей 5-й гармоники напряжения. Искажения питающего напряжения, в свою очередь, негативно сказываются на функционировании электроприводов и других нагрузок, подключаемых к узлам с повышенным уровнем THDv , замыкая порочный круг отрицательного взаимовлияния гармоник тока и напряжения в сетях с нелинейными нагрузками.
Отрицательные последствия загрузки сети высшими гармониками хорошо изучены, регулярные обсуждения на многочисленных конференциях способствовали принятию в ряде развитых государств соответствующих стандартов, запрещающих или ограничивающих введение в действие и эксплуатацию электрооборудования, генерирующего гармоники того или иного уровня. Например, в США и Канаде в ближайшее время должен вступить в действие на правах стандарта документ IЕЕЕ Std 519.1992, регламентирующий гармонический состав потребляемого электрооборудования тока в соответствии с таблицей (Ih – максимальный ток h-ой гармоники; IL - ток нагрузки; ISC - ток короткого замыкания питающей сети).
| I h / I 1 , % | THD I | |||||
| I SL / I L | h<11 | 11≤h≤17 | 17≤h≤23 | 23≤h≤35 | 35≤h | |
| <20 | 4,0 | 2,0 | 1,5 | 0,6 | 0,3 | 5,0 |
| 20<50 | 7,0 | 3,5 | 2,5 | 1,0 | 0,5 | 8,0 |
| 50<100 | 10,0 | 4,5 | 4,0 | 1,5 | 0,7 | 12,0 |
| 100<1000 | 12,0 | 5,5 | 5,0 | 2,0 | 1,0 | 15,0 |
| 1000 | 15,0 | 7,0 | 6,0 | 2,5 | 1,4 | 20,0 |
Известно несколько способов снижения уровня гармоник, генерируемых нагрузками с выпрямителями и фильтрующими конденсаторами в своем составе, в том числе частотно-регулируемыми электроприводами. Все они условно могут быть разделены на "пассивные" и "активные" методы подавления гармоник. К сожалению, первые, будучи простыми, надежными, сравнительно недорогими и выполнимыми на большие мощности, — увы, громоздки и плохо управляемы. Вторые же — дороги и ограничены по мощности и надежности. Разработчики и производители частотно-регулируемых электроприводов, особенно средней и большой мощностей, чтобы хоть в какой-то мере снизить уровень генерируемых в сеть гармоник тока (и, отметим попутно, защитить привод от вредного воздействия некачественного питания) пользуются, в основном, одним из трех возможных способов, показанных на рис. 1: — включают на входе выпрямителя линейный трехфазный реактор 2; — включают линейный дроссель постоянного тока 4 в цепь заряда батареи электролитических конденсаторов 5 ; — используют оба эти приема одновременно. Это, понятно, приводит к существенному ухудшению массогабаритных и стоимостных показателей электропривода в целом, которое в рекламных проспектах и презентативных материалах зачастую умышленно замалчивается либо вуалируется, например, приводится высокий коэффициент мощности 0,95, но умалчивается, что это коэффициент мощности по первой гармонике тока, между тем, как истинный коэффициент мощности равен: PF =, где .- фазовый угол тока основной частоты, поэтому при соs = 0,95, если THDI =0,6, истинный коэффициент мощности равен всего 0,81. Между тем, меры по снижению уровня генерируемых приводом гармоник тока, даются поистине дорогой ценой. Вот два примера на этот счет. 1. Для того чтобы снизить уровень гармоник тока до THDI = 37% (что еще далеко до разрешенного упомянутым стандартом США уровня) фирма " TELEMECANIQUE " в приводе ATV-66MCN4 мощностью 75 кВт (для регулирования скорости двигателя 100 л.с.) вынуждена применять входной реактор переменного тока массой 45 кг при массе собственно привода (без двигателя) 127 кг, т.е. масса скромно упоминаемого в рекламном проспекте реактора составляет более трети (!) "малогабаритного, легкого и технически совершенного транзисторного привода". 2. "Небольшой" дроссель в цепи постоянного тока привода типа FMV2306AS мощностью 75 кВт фирмы " LEROY-SOMER " имеет массу 32 кг при массе собственно привода 90 кг, что в процентном отношении мало отличается от приведенного выше примера. К сожалению, отечественные приводы по этим показателям в лучшую сторону не отличаются. Разработчики и производители 3-х и 5-процентных линейных реакторов (Line/Load Reactors) и дросселей постоянного тока (DC Link Chokes) для частотно-регулируемых электроприводов достигли сейчас практически предельного совершенства в минимизации массогабаритных показателей (см., например, проспекты фирмы МТЕ Corporation USA). Между тем снизить уровень гармоник потребляемого тока до уровня, меньшего 32—35% нет никакой возможности ‚из-за того обстоятельства, что каждый последующий процент этого снижения дается ценой почти 10% увеличения индуктивности реактора и, следовательно, такого же снижения питающего привод напряжения, что делает последний неработоспособным. Для преодоления этой тупиковой ситуации применительно к приводам средней и большой мощностей нами предлагается новый подход, который позволяет не только радикально улучшить спектральный состав потребляемого приводом тока, доведя его до международных стандартов, улучшить массогабаритные и стоимостные показатели силовой части привода, но и придать ему новые, ранее недостижимые полезные качества. Подход этот заключается в полном отказе как от реакторов переменного тока, так и дросселей постоянного тока, существенном снижении емкости батарей электролитических конденсаторов, а вместо этого - использовании Universal Harmonic Mitigator(UHM) - специальных силовых широкополосных L, М, С-фильтров. Включение UHM между питающей сетью и выпрямительным мостом привода (рис. 2), как показали расчеты, моделирование и эксперименты, приводит к следующим основным эффектам: — подавлению 5—ой и 7—0й гармоник потребляемого из сети тока до уровня 2—4% и резкому снижению общего ТНВ] до 5—7%; — изменению формы подводимого к плечам моста линейного напряжения, которое в этом случае становится близким к трапецеидальному; — увеличению на контролируемую величину среднего значения выпрямленного напряжения; — увеличению жесткости нагрузочной характеристики выпрямителя.
Эти четыре фундаментальных отличия, связанные с применением UНМ, (на рис.2 они схематично отражены в овалах, из которых без фоновые относятся к схемам с ННМ, а фоновые — к традиционным схемам) приводят к появлению ряда дополнительных положительных качеств, из которых отметим следующие.
Благодаря снижению коэффициента гармоник и коррекции коэффициента мощности по первой гармонике, существенно увеличивается общий коэффициент мощности системы РF. Если в приводах без реактора переменного тока он составляет 0,75—0,77, в приводах с реакторами — 0,85-0,88, то в системе с UНМ-РF= 0,98—0,99. Это значит, что при той же мощности нагрузки соответственно на 30 либо 11% снижается эффективное значение потребляемого из сети тока, примерно на столько же уменьшаются потери напряжения и на 70—20% уменьшаются потери энергии в питающей привод сети. Кроме того, в 2-3 раза уменьшается "crest-factor", т.е. превышение максимального (пикового) значения тока над действующим, приближаясь к характерной для синусоиды величине 1,41.
Существенным положительным фактором, сопровождающим применение UНМ, является видоизменение формы подаваемого на выпрямительный мост междуфазного напряжения — с синусоидальной на трапецеидальную, при которой пульсации выпрямленного напряжения при той же нагрузке и при том фильтрующем конденсаторе оказываются намного меньшими. Например, коэффициент пульсаций напряжения на 50—киловаттной нагрузке, шунтированной батареей электролитических конденсаторов емкостью 6000 микрофарад, обычно составляет Кп=0,8—0‚9%, при снижении емкости до 2000 микрофарад он увеличивается до 2,5-2,7%. При использовании же UНМ, как показали расчеты и эксперименты, он равен соответственно 0,34 и 0,92%. Таким образом, без ущерба для работы электрооборудования можно почти в З раза (!) уменьшить объем и снизить цену дорогостоящих (и, отметим попутно, с малым сроком службы) электролитических конденсаторов. Это преимущество, особенно для приводов большой мощности, трудно переоценить. С другой стороны, при той же батарее конденсаторов уменьшение пульсаций напряжения приводит к улучшению условий работы и уменьшению потерь в инверторе и даже к возможности выдерживать кратковременные (до 2-3 периодов) перерывы сетевого питания.
Отрицательные последствия некачественного электропитания (наличия несимметрии трехфазной сети, присутствия высших гармоник питающего напряжения и т.п.) обычно сказываются не только на усложнении условий работы выпрямительно-инверторного блока электропривода, но и на ухудшении спектрального состава и симметрии потребляемого из сети тока, приводя к новому витку ухудшения показателей качества напряжения в узлах нагрузки и отрицательному влиянию на соседние потребители. Применение UНМ решает и эту проблему.
Благодаря наличию в схемах UНМ междуфазных магнитных связей и соответствующему выбору соотношений между его параметрами создается эффект нивелировки несимметрии питающих напряжений и присутствия в них высших гармоник: коэффициент несимметрии потребляемых из сети токов уменьшается в 4-5 раз по сравнению с коэффициентом несимметрии питающих напряжений, а гармонический состав этих токов улучшается в 6-10 раз. В качестве иллюстрации этого утверждения на рис. 3 показаны расчетные гистограммы спектров питающих напряжений и потребляемых токов для привода мощностью 50 кВт с UНМ на входе. Видно, что при наличии в питающем напряжении 10% 7—ой гармоники эта же гармоника в потребляемом токе составляет лишь 1,5%.
UНМ, помимо выполнения основных функций, может выступать также в качестве согласующего по напряжению устройства, когда привод, рассчитанный, например, на номинальное напряжение 380 В (Европа) необходимо эксплуатировать в сетях США с напряжением 480 В, или, скажем, в канадских 600-вольтовых сетях или украинских 380—вольтовых использовать американские 480-вольтовые приводы. Сейчас в этих и подобных случаях тривиально применяют согласующие трансформаторы на полную проходную мощность, что, понятно, существенно удорожает комплект электрооборудования. Применение для этих целей специально рассчитанных UНМ дает возможность обойтись без трансформатора и обеспечивает существенную выгоду. Еще одно достоинство UНМ -возможность их использования в многодвигательных приводах и очень мощных однодвигательных. Обычно каждый многодвигательный привод снабжается индивидуальным 3(5)—процентным линейным реактором и считается недопустимым применение общего реактора по условиям взаимовлияния приводов друг на друга. Как показывают наши расчеты, применение общего для нескольких приводов UНМ вполне допустимо, а выигрыш от использования одного мощного вместо нескольких менее мощных устройств известен. То же касается применения одного мощного UНМ вместо нескольких реакторов на входе многоканальных преобразователей (рис. 1)мощных однодвигательных приводов переменного тока. Наконец, еще одно соображение в связи с использованием UНМ. В качестве довода в пользу применения линейных реакторов часто (и справедливо) приводится их способность, помимо улучшения коэффициента гармоник, ограничивать броски тока и напряжения сети, поступающие силовые цепи и цепи управления приводом. Предлагаемый UНМ с успехом выполняет и эти функции, притом более качественно. На рис. 4, а приведена типичная ситуация возникновения в распределительной сети короткого выброса напряжения при подключении (переключении) косинусных конденсаторов.
Кратковременное пиковое напряжение, в 1‚6-1,7 раза превышающее номинальное амплитудное, приводит в отсутствие реактора к быстрому заряду электролитических конденсаторов фильтра до уровня напряжения постоянного тока, превышающего типичный уровень защиты схемы инвертора привода (рис. 4, б, кривая 1) и последняя срабатывает, отключая привод, несмотря на то, что через 1-1‚5 периода напряжение на фильтрующих конденсаторах будет восстановлено. Реактор устраняет этот нежелательный эффект (кривая 2, рис. 4, а). UНМ делает это быстрее и с меньшим перепадом напряжений (кривая 3, рис. 4,б). Кроме того, использование UНМ позволяет исключить из состава привода устройства предварительного заряда фильтрующих конденсаторов "Chargers".
Экспериментальные исследования частотно-регулируемых приводов с UНМ проводились на установках мощностью 5 кВт, 380 В, 50 Гц в Киеве и 50 кВт, 480 В, 60 Гц — в Торонто (Канада). И качественно, и количественно они подтвердили работоспособность таких установок с ожидаемыми техническими характеристиками. В настоящее время проектируется серия UНМ на мощности от 5 кВт до 2 МВт и напряжения 380-600 В. Разумеется, достижение описанных преимуществ приводов с UНМ дается не даром: масса UНМ примерно в 2 (1‚5) раза больше обычно применяемых 3(5)-процентных реакторов переменного тока. Однако сумма достигаемых при этом положительных качеств (прежде всего — радикальное улучшение спектрального состава потребляемого тока) позволяет, полагаю, эффективно использовать предлагаемую концепцию построения силовых цепей частотно-регулируемых асинхронных электроприводов во многих отраслях промышленности.