Регулируемый электропривод: повышение надёжности и увеличение производительности с помощью синусоидального фильтра

В промышленности, все большую популярность приобретают регулируемые электропривода, так называемые преобразователи частоты, которые активно стараются внедрять на производственных площадках, технологических линиях, системах отопления, вентиляции и кондиционирования. Инженерные системы, такие как лифты и промышленное кондиционирование, тоже не обходятся без внедрения частотных инверторов — везде, где есть необходимость не только регулировать скорость вращения двигателя, но и существенно увеличить энергоэффективность системы в целом.

Специалисты отмечают, что, несмотря на все положительные стороны применения частотных инверторов, есть и недостатки, которые могут быть устранены при правильном подходе к выбору оборудования. Так, например, использование синусоидальных фильтров значительно повышает надежность и увеличивает производительность регулируемых электроприводов.

Для справки

Сейчас на рынке предложен большой выбор недорогих трехфазных асинхронных двигателей, которые решают различные задачи и отвечают высоким требованиям потребителей. При этом важно обеспечить электронное управление напряжением на двигателе.

Принцип работы регулируемого электропривода основан на широтно-импульсной модуляции выходных сигналов напряжения — преобразовании трехфазного синусоидального напряжения питания в постоянный ток в промежуточном контуре (звене постоянного тока) привода, а затем происходит преобразование уже выпрямленного напряжения в переменное требуемой амплитуды. Для того чтобы выходное напряжение соответствовало техническим характеристикам двигателя и требуемой величине тока, применяется биполярный транзистор с изолированным затвором — IGBT (полупроводниковый ключ).

Если синусоида имеет малые значения амплитуды, то генерируются короткие импульсы, которые содержат небольшое количество энергии. Чем ближе к максимуму амплитудного значения синусоиды, тем больше составляет ширина выходных импульсов. При отрицательных значениях синусоиды процесс представляет собой аналогичный алгоритм, меняется лишь полярность напряжения.

Управление вращающим полем, крутящим моментом, ускорением и замедлением двигателя осуществляется за счет процессора, который регулирует время подачи напряжения на обмотки привода, то есть осуществляется ШИМ (широтно-импульсная модуляция).

График № 1. Типичная форма выходного сигнала регулируемого электропривода.

На графике представлено обычное напряжение на выходе инвертора, с частотой переключения 2-16 кГц.

Преимущества частотных инверторов

Современные типы частотных инверторов (регулируемых электроприводов) имеют ряд преимуществ:

• компактность конструкции — минимум занятого пространства;
• меньший вес, что значительность упрощает транспортировку и установку;
• защита от перегрева, таким образом сокращаются затраты на дополнительную систему охлаждения;
• щадящий режим эксплуатации двигателя;
• экономия энергии;
• векторное управление двигателем;
• совместимость с системой ПЧ-двигатель, что дает возможность управления по RS-485;
• доступная стоимость.

Возможные проблемы при применении регулируемых электроприводов

Несмотря на столь значимые преимущества частотных инверторов, есть и серьезные недостатки, которые связаны с особенностями характеристики скорости изменения выходного сигнала (du/dt). Возникшие проблемы могут сделать применение данной технологии неэффективным.

График № 2. Синусный фильтр улучшает характеристику du/dt управляемого электропривода.

Принцип работы синусоидального фильтра

Недостатки применения регулируемых электроприводов устраняются использованием синусных фильтров BLOCK. Они преобразуют широтно-модулированные импульсы электропривода в синусоидальный сигнал. Работа фильтров основана на двух принципах.

Встроенная катушка индуктивности играет роль реактивного контура, который запасает энергию в магнитном поле и затем преобразует ее в электрическую энергию цепи нагрузки. Зависящий от частоты импеданс (индуктивность и емкость) образует фильтр нижних частот первого порядка. Граничная частота подобрана таким образом, чтобы пропускать лишь нужный сигнал при минимальной потере энергии. Типичное падение напряжения составляет 30 В, что не мешает использовать двигатели с высоким крутящим моментом. Высокочастотные компоненты приводят к нелинейным искажениям порядка 5-8%. Существуют усовершенствованные версии, отвечающие повышенным требованиям.

График 3. Синусоидальный фильтр снижает амплитуды гармоник основного сигнала (3 кГц)

Подготовлено на основе материала: 

Удо Леонард Тил – руководитель направления «EMC filters and ferrite components» 

компании Block TransformatorenElektronik-Filter GmbH & Co. 

Майк Гриз – главный менеджер компании Block USA LP.

Синусные фильтры BLOCK в нашем каталоге