О способах устранения проблем при использовании частотных преобразователей

Для устранения (или смягчения негативов) разных электротехнических проблем, возникающих при эксплуатации приводов с регулируемой скоростью на частотных преобразователях, в том числе описанных в предыдущем материале цикла (см. этот материал), используются различные:

• организационные мероприятия, например по оптимизации топологии подключения и коммуникаций привода.
  Так, для смягчения негативов связей между собственно преобразователем и двигателем в частотно-регулируемых приводах (Variable Frequency Drives – VFD) максимально возможно сокращают длину коммутационных кабелей, используют специальные экранированные кабели (действующие как распределенный фильтр), провода с усиленной изоляцией и специальные пропитки для двигателей, подшипники с внешним изоляционным покрытием или керамическими телами качения (шариками), электростатические экраны, усиленные схемы заземления, экранирования и пр.;
• технические средства, включая одно- и многозвенные пассивные фильтры гармоник, демпфирующие реакторы на входе в выпрямитель (и выходе из инвертора) частотного преобразователя, накопители энергии (конденсаторы, индуктивности) в звене постоянного тока (ЗПТ) и т.д.

Решение проблемы зависимости частотно-регулируемых приводов от стабильности питания.

В реальных условиях эксплуатации на промышленных, а часто и непромышленных, инфраструктурных объектах VSD работают в условиях нестабильного напряжения с провалами, перенапряжениями, кратковременными прерываниями (отключениями) питания. В зависимости от целевого применения и характеристик нарушения питания, производственно-технологический процесс, контролируемый VSD, может быть на мгновение прерван или полностью остановлен.

Особенно это важно в системах непрерывного процесса (литейные, бумагоделательные, намоточные машины, экструдеры и т. д.), где любое прерывание питания может остановить весь производственный процесс, что зачастую ведет к существенным финансовым потерям, а иногда и появлению рисков угрозы здоровью людей. Согласно исследованиям научно-исследовательского института электроэнергетики (Electrical Power Research Institute - EPRI) в странах ЕС в промышленности и коммерческом секторе более 90% нарушений параметров качества электроэнергии длятся менее 1 с, а в США 92% нарушений качества электроэнергии были вызваны провалами напряжения с падением амплитуды до 50% и длительностью менее 0,5 с.

Решения вопроса обеспечения устойчивости VSD к перебоям в питании разные, а наиболее популярные на сегодня:

• специальные программы управления в программно-логическом контроллере (ПЛК), которые в случае прерывания питания с падением напряжения в ЗПТ переводят работу инвертора на частоты немного ниже частоты двигателя, что заставляет электродвигатель действовать как генератор, поддерживая напряжение ЗПТ на заданном уровне;
• увеличение емкости накопителей энергии (реакторов, конденсаторов) вплоть до применения суперконденсаторов, как в ЗПТ, так и отдельном звене, подключаемом к ЗПТ, что позволяет удержать напряжение инвертора и, соответственно, двигателя во время кратковременного прерывания питания;
• применение комплектных преобразователей с активным выпрямителем (active infeed converter, AIC - п. 3.1.1 ГОСТ IEC 61800-9-2) на IGBT транзисторах (VSD front-end), которые способны управлять реактивной мощностью (коэффициентом мощности на фундаментальной частоте) на стороне питающей сети, а также способны обеспечить устойчивость к просадкам напряжения до 40% при полной нагрузке;
• применение источников резервного питания, включая мотор-генераторные установки, маховики, сверхпроводящие магнитные накопители энергии (superconducting magnetic energy storage - SMES), топливные элементы и пр.

Вместе с тем, практика показывает, что превентивно избежать возможных электротехнических проблем, возникающих при эксплуатации приводов с регулируемой скоростью, можно правильным выбором частотного преобразователя.

Правильный выбор частотного преобразователя для привода с регулируемой скоростью.

На текущий момент в различных отраслях экономики, а особенно в промышленности для VFD популярны комплектные преобразователи частоты с автономным инвертором напряжения (АИН), которые могут быть:

• непосредственные (с однократным преобразованием) или двухзвенными с выпрямителем и АИН (VSC в обозначениях международного электротехнического словаря IEV);
• пассивными (диодные, однокаскадные тиристорные) и активными (на IGBT транзисторах) по типу выпрямительного звена;
• со скалярным (U/f), векторным (с датчиками и без – т.н. бездатчиковым), пространственно-векторным (потоком при прямом управлении моментом), полеориентированным (с датчиками и без) алгоритмом управления, точность и цена которого возрастает соответственно перечислению.

Предельно важным при выборе частотного преобразователя для привода с регулируемой скоростью является следующее:

• реальный режим нагрузки электродвигателя определяет перегрузочную способность частотного преобразователя, а значит следует выбирать комплектный преобразователь электропривода переменного тока с регулируемой скоростью по мощности, а не по току, причем с учетом всех потерь на фундаментальной и нефундаментальных частотах;
• нельзя рассматривать преобразователь, как автономный компонент привода и механизма, поскольку реальный тип и характер нагрузки (разд. 4 ГОСТ IEC 60034-1-2014) определяет, как зависимости момента, мощности от скорости, так и устойчивость к перегрузкам по току и вращающему моменту (соответственно пп. 9.3.3 и 9.4.1 ГОСТ IEC 60034-1-2014);
• проектирование привода с комплектным преобразователем, в том числе с активным задним фронтом (выпрямителем) нельзя без анализа и учета спектра гармонических искажений, генерируемых самим частотным преобразователем, другими источниками эмиссии гармоник и попадающих трансмиссией из силовой сети (более детально о правильном выборе частотного преобразователя для привода с регулируемой скоростью в этом материале).