Разработка, лежащая в основе VSD (приводов с переменной скоростью)

Официальный поставщик продукции Leroy-Somer

После нашего предыдущего поста о том, что такое привод с регулируемой скоростью (VSD), Герайнт Томас, технический автор журнала Control Techniques, более подробно рассматривает технологию, лежащую в его основе.

В условиях растущего давления на промышленность с целью снижения энергопотребления привод с регулируемой частотой вращения (VSD, иногда известный как частотно-регулируемый привод, VFD) стал ценным средством достижения этой цели в повседневных промышленных применениях. Давайте взглянем на то, где была технология управления двигателем и где она находится сейчас.

Начиная с первых версий переменного тока и заканчивая сегодняшним современным заводом, двигатели являются неотъемлемой частью эксплуатации и производства изделий, используемых нами каждый день. До того, как у нас появились VSD, двигатели переменного тока управлялись простым подключением двигателя непосредственно к источнику питания переменного тока. Этот метод был известен как direct online (DOL), который обеспечивал двигателю полную частоту питания (50 Гц в Европе и 60 Гц в Америке), ни больше, ни меньше. Затем, для управления скоростью двигателя, была использована механическая система, которая принимала вращательное движение и изменяла производительность в зависимости от требований производственной машины. Эта система широко известна как коробка передач.

По мере того как знания и понимание силовой электроники росли, а связанные с ней технологии становились все более совершенными, родился первый VSD. По общему признанию, он сильно отличался от VSD, которые сегодня используются на современных заводах, но имел некоторые ключевые сходства. По сути, способ их работы тот же, но с использованием аналогового управления вместо цифрового, которое мы видим сегодня.

Стремительный рост в мире микропроцессоров способствовал невероятному технологическому прогрессу в VSD, продвинув его за пределы аналоговой эпохи в новый цифровой мир, создав продукт, который может не только управлять двигателем, но и обладать собственной формой интеллекта. Впоследствии VSD стали лучше, быстрее и компактнее, что позволило использовать их в целом ряде отраслей промышленности и приложений.

В силовой электронике VSD есть три ключевые части, которые мы рассмотрим отдельно.

Источник переменного тока поступает на входной мост, где находится диодный мостовой выпрямитель, который преобразует переменный ток в постоянный. Затем ток обычно сглаживается конденсаторной батареей постоянного тока, хотя, если мощность привода превышает 2,2 кВт, то питающий ток сглаживается катушкой индуктивности. Затем напряжение постоянного тока сохраняется в линии постоянного тока перед входом в выходной каскад, где имеется 3 пары двухпереходные транзисторы с изолированным затвором (IGBTs). Более старые версии использовали бы МОП-транзисторы или тиристоры для достижения того же эффекта. Затем выходной каскад использует IGBTs для включения и выключения, что «настраивает» ток на нужную частоту. Это делается с помощью процесса, называемого широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Поскольку ШИМ генерирует треугольную форму волны синусоидального характера, двигатель будет работать в обычном режиме, поскольку он будет видеть волну только в виде синусоидальной волны.

Представьте себе двигатель, работающий ДОЛ, с регулировкой скорости, управляемой коробкой передач. Двигатель будет работать на полной скорости, постоянно, постоянно потребляя максимальное количество электроэнергии.

Теперь представьте себе замену коробки передач на VSD для управления частотой вращения двигателя. Двигателю не придется работать на полной скорости и использовать коробку передач для замедления работы системы. Вместо этого привод с регулируемой скоростью может изменять частоту или обороты двигателя, регулируя ШИМ в выходном каскаде VSD. Это означает, что от электросети будет потребляться меньше энергии, что, в свою очередь, означает большую эффективность и меньшие затраты.

Как правило, при использовании двигателя мощностью 15 кВт можно добиться экономии до 5700 кВт*ч по сравнению с использованием двигателя без VSD. Если учесть, что на двигатели приходится от 65% до 70% всей электроэнергии, используемой в промышленности, вы можете увидеть, как внедрение VSD в эти двигатели может обеспечить огромную экономию.