Електропривод – змінного або постійного струму?

Електропривод – змінного або постійного струму?

Щорічний темп зростання продажів регульованих електроприводів становить, приблизно, 6 %, в той час як темп зростання приводів змінного струму - 8 %, а обсяг ринку приводів постійного струму залишається більш менш стабільним. Дана стаття призначена для кінцевих користувачів, OEM-виробників, системних інтеграторів та інших інженерно-технічних працівників, що використовують приводну техніку, щоб в загальних рисах окреслити переваги вибору для різних прикладних задач одного з двох основних типів регульованого електроприводу постійного або змінного струму.

Яке приводний рішення вибрати - DC або AC?

Силові статичні перетворювачі на базі мікропроцесорів, що застосовуються в приводах змінного, так і постійного струму, в даний час досягли дуже високого технічного рівня, який (в допустимих межах технологічних) в більшості додатків дозволяє використовувати електропривод змінного струму, там де раніше застосовувався привід постійного струму. Однак, традиційний привід постійного струму (1-а і 4-х квадрантный) продовжує відігравати важливу роль, особливо в тих додатках, де потрібно забезпечити високодинамічні режими з постійним моментом обертання, жорсткими вимогами по перевантажувальної здібності в широкому діапазоні швидкостей і рекуперацію енергії назад у мережу.

Головні критерії вибору

Перше, що повинен зробити користувач, це об'єктивно оцінити варіанти, пропоновані на ринку регульованих приводів, технічно відповідають вимогам прикладної задачі/процесу. Головними критеріями цієї оцінки повинні бути:
1. Сукупна вартість закупівлі регульованого приводу та необхідного додаткового обладнання
2. Поточні експлуатаційні витрати:

• обслуговування;

• виробничі витрати, ККД, і т. д;

• необхідна площа розміщення.

3. Технологічні та інноваційні аспекти:

• динамічний відгук, час розгону; 4-х квадрантні операції; аварійний стоп, і т. д.

• масо-габаритні характеристики.

4. Експлуатаційна надійність, придатність приводів:

• відповідність міжнародним вимогам і стандартам IEC, ГОСТ Р, EN CE-EMC; CSA, UL, і т. д.;

• умови навколишнього середовища; ступінь захисту корпусу; ремонт "по-місцем

5. Вплив на зовнішнє середовище:

• спотворення напруги

• ЕМС

6. Необхідний простір для перетворювача і двигуна
7. Відвід тепла

Порівняння основних характеристик приводів постійного і змінного струму в промисловому застосуванні

Порівняння проводиться між 6-пульсными 3-фазними тиристорними приводами постійного струму з незалежним збудженням [далі званими ППТ] і 3-фазними електроприводами змінного струму на базі перетворювача частоти з широтно-імпульсною модуляцією і асинхронного двигуна [далі званими ЧРП – частотно-регульований привід], в наступних типових категоріях:
ППТ - P = 11 kW ... 5200 kW; U = 200 V ... 1190 V
ЧРП - P = 0.75 kW ... 2000 kW; U = 380 V ... V 690

У першому наближенні істотних відмінностей між цими приводами не так і багато, проте, при більш детальному розгляді, виявляються характерні особливості приводів і відмінність фізичних принципів функціонування. Далі в статті розкриваються аспекти відмінності приводів за наступними пунктами:

• характеристики двигунів, як електромеханічних перетворювачів

• характеристики перетворювачів електричної енергії

• 4-х квадрантні приводи

• вплив на зовнішнє середовище

• модернізація приводів постійного струму

Відмінності між двигунами постійного і змінного струму

Більшість користувачів мають таке загальне уявлення про електродвигунах: «Двигуни постійного токасложные, потребують частого обслуговування, що робить їх експлуатацію дорогий; до того ж вони мають низьку ступінь захисту. Двигуни змінного струму (асинхронні двигуни) прості і надійні, не потребують обслуговування, мають більш низьку ціну, і, крім того, більш високу ступінь захисту». Така класифікація може бути вірною для багатьох простих застосувань; ті не менше цей загальний вердикт бажано піддати більш ретельному розгляду!

Характеристики відношення потужності і швидкості в режимі S1 двигунів постійного та змінного струму:

(1) На відміну від стандартного асинхронного двигуна з фіксованою базовою (номінальної) частотою обертання (синхронні швидкості 3000/1500/1000/... об/хв на 50 Гц), двигун постійного струму може бути спроектований з базовою частота обертання в діапазоні приблизно від 300 до 4000 об/хв для кожної робочої точки.
(2) В залежності від типорозміру двигуни постійного струму (як скомпенсированные, так і не скомпенсированные) можуть мати область роботи з ослабленням поля 1 : 3 або 1 : 5 .
(3) Обмеження потужності пов'язано з максимальним моментом асинхронного двигуна, зменшується назад квадрату швидкості (1/n2).
(4) Обмеження потужності пов'язано з зменшенням комутаційної здатності колекторного двигуна постійного струму.

Порівняння робочих характеристик двигунів показує, що двигун постійного струму вигідніше асинхронного при тривалій роботі на низьких швидкостях і для широкого діапазону швидкостей при постійній потужності. Перевантажувальна здатність в короткочасному режимі залежить не тільки від параметрів двигуна, але у великій мірі від характеристик перетворювача частоти / тиристорного перетворювача.
Чим ширше діапазон швидкостей, в якому двигун може видати максимальну потужність, тим він краще може бути адаптований до процесів, що вимагає забезпечення постійного моменту у всьому діапазоні швидкостей.
Типове застосування: намотувальні пристрої.

• Типорозміри, моменти інерції і час розгону:
Основні технічні відмінності двигунів постійного і змінного струму, методи формування магнітного потоку розсіювання втрат потужності також обумовлюють різні розміри (висота осі обертання вала H) і момент інерції ротора (Jrotor), при одному і тому ж номінальному моменті обертання двигуна.
Двигуни постійного струму мають значно меншу висоту осі обертання H і масу ротора, ніж асинхронні двигуни, і отже володію більш низьким моментом інерції ротора Jrotor, що є суттєвою перевагою в високодинамічних застосуваннях, таких як випробувальні стенди, летючі ножиці, і реверсивні приводи, так як це впливає на час розгону і динамічний відгук двигуна в 4-х квадрантных додатках (в рухових і гальмівних режимах).

• Широкий діапазон швидкостей при постійній потужності (робота з ослабленням поля або діапазон регулювання збудження):
Для спеціалізованих приводних додатків, як привід намотчика і розмотувача, випробувальний стенд, лебідка і т. д., потрібно дуже широкий діапазон швидкостей при постійній потужності. У цьому випадку, традиційний режим роботи з ослабленням поля двигуна постійного струму з незалежним збудженням є особливо економічно ефективним. Це означає: широкий діапазон швидкостей, при якому двигун може видавати максимальну потужність (довжина горизонтальної лінії характеристики на рис.5 від nG до n1), потрібен менший запас по потужності двигуна Pmax(motor) / Pmax(load).

• Обслуговування двигуна:
В даний час, залежно від складності програми, ресурс щіток двигуна постійного струму становить приблизно 7000 ... 12000 годин, завдяки сучасному колекторному сайту, вуглецевої щіток і оптимізованому поля збудження. В залежності від механічних умов експлуатації, інтервал заміни мастила в двигунах постійного/змінного струму може бути порівняна, а часто і менше, ніж ресурс щіток колекторного двигуна.

• Ступінь захисту двигуна:
Історично склалося так, що починаючи з 20-х років, двигуни постійного струму розроблялись в основному для регульованих приводів, що зумовило застосування в них внутрішньої форсованої незалежної вентиляції (прим. у 85 % двигунів до 250 kW). Стандартні асинхронні двигуни активно почали застосовуватися в 70-х/80-х роках і в більшості своєму (прим. 90 % до 250 kW) проводилися з поверхневою самовентиляцією, так як частотно-регульовані приводи тоді не були широко поширені. Фактично всі асинхронні двигуни потужністю, прим. до 1400 kW мають ступінь захисту IP 54, як стандарт, завдяки їх простій і міцної конструкції. Для експлуатації в зонах з підвищеною небезпекою, практично використовуються виключно вибухозахищені асинхронні двигуни. Асинхронний двигун відіграв для себе провідну позицію і довів свою ефективність у тих секторах промисловості, які характеризуються агресивними умовами довкілля, високим ступенем забрудненості та запиленості.

• Маса і місце для установки двигуна:
Більш низькі маса і габарити двигунів постійного струму (стандартна ступінь захисту IP 23) порівняно з асинхронними двигунами (стандартна ступінь захисту IP 54) особливо важливі для додатків, де двигун повинен переміщатися разом з вантажем (напр., для великих підйомних, мостових кранів), або в системах, де важливо компактне розміщення (бурові установки, підйомники для гірськолижних трас, морські застосування, друкарські машини, тощо).

Відмінності між тиристорними перетворювачами постійного струму і перетворювачами частоти

• Комутація і перетворення електричної енергії:

Структурна схема 1-квадрантного приводу постійного струму

Перехід струму від одного тиристора до іншого починається з пускового імпульсу, і після цього продовжується в лінійно взаємопов'язаному режимі. Це означає, що напруга між комутованими фазами мережі поляризується таким чином, що струм знову відкритого тиристора збільшується, і замикає передує тиристор, знижуючи його струм до нуля. Комутація тиристорів здійснюється природним шляхом (напругою мережі) при переході струму через нуль і запирання тиристорів відбувається без будь-яких проблем навіть при значному перевантаженню. Тому тиристори можуть обиратися не за пікового струму, а по среднедействующему номінального струму навантаження.

Структурна схема перетворювача частоти

Хоча вхідний випрямний міст перетворювача частоти працює подібно приводом постійного струму, однак випрямлений їм струм повинен бути перетворений назад у 3-х фазний змінний за допомогою інвертора. Так як у постійного струму немає ніяких переходів через нуль, то перемикальні елементи (IGBT транзистори) повинні переривати повний струм навантаження. Коли IGBT транзистор закривається, струм проходить через зворотний діод на протилежний полюс напруги постійного струму. Перемикання відбувається без контролю напруги, але воно можливе у будь-який час незалежно від форми мережевої напруги.

Результат:
Комутація в перетворювачах частоти відбувається з великою частотою і у вихідному напрузі з'являється високочастотна складова, і можуть виникнути проблеми з електромагнітної сумісності.
В перетворювачах постійного струму є тільки один контур перетворення енергії (AC → DC). В перетворювачах частоти два контури перетворення енергії (AC → DC і DC → AC), тобто втрати потужності подвоюються порівняно з приводами постійного струму.
Втрати потужності, отримані емпіричним шляхом наступні: ППТ - 0.8 % ... 1.5 % від номінальної потужності; ЧРП - 2 % ... 3.5 % від номінальної потужності.
Місце, необхідне для розміщення шафи перетворювача потужністю від 100 kW: ППТ - 100 %, ЧРП - 130 % ... 300 %. Це перевага приводів постійного струму зумовлює зменшення розміру та вартості електрошафи і системи охолодження.

• Вихідні струми перетворювачів змінного і постійного струму; шум двигуна; навантаження на ізоляцію обмоток, електромагнітна сумісність (ЕМС):

• Вплив на напругу мережі:
Лінійні струми приводів постійного струму з 6-пульсним тиристорним мостом будуть завжди містити крім основної гармоніки ще 5-ю, 7-ю, 11-ю і 13-ю гармоніки у відповідному процентному відношенні: 22 %, 14 %, 9 %, 7.6 %. У разі роботи декількох приводів постійного струму, підключених у одного джерела напруги, вони трохи урівноважать один одного за рахунок різної фазової послідовності, і загальне спотворення напруги буде знижено. В перетворювачах частоти перемикання IGBT транзисторів практично не створює низкочастотныхгармонических спотворень, але істотними є високочастотні складові.

• Реактивна потужність:
Обидва типи приводів (ППТ і ПВП) споживають реактивну потужність з мережі. Її розмір не значний у частотно-регульованих приводах, а в приводах постійного струму більш значний і залежить від частоти обертання двигуна. Перевагу в цьому питанні мають частотні приводи.

Значення, отримані емпіричним шляхом для приводів постійного струму:
1-кварантные програми - cos ≈ 0...0.9
4-квадрантні програми - cos ≈ 0...0.85

Значення, отримані емпіричним шляхом для частотно-регульованих приводів:
1-кварантные програми (з доданими вхідним мостом) - cos ≈ 0.99
4-квадрантні програми (з тиристорним вхідним мостом і рекуперацією в мережу) - cos ≈ 0.9

Модернізація існуючих приводів постійного струму.

Коли виникає питання про те, чи варто модернізувати існуючий привід постійного струму або дешевше його повністю замінити на електропривод змінного струму, треба підійти до цього питання зважено і розглянути всі аргументи і «за» і «проти».

В основному доступно кілька рівнів модернізації:

• Повна заміна приводу постійного струму (перетворювача і двигуна) на новий сучасний привід постійного струму.

• Заміна тільки перетворювача, якщо двигун в хорошому стані.

• Заміна одного з модулів перетворювача на новий.

• Заміна аналогової керуючої електроніки на цифрову без зміни силової частини (рекомендується тільки на потужностях більше 1 МВт).

• Повна заміна всієї приводної системи на частотно-регульований привід.

Відповідаючи на питання, про те, який підхід вибрати в кожному конкретному випадку, важливо оцінити ряд критеріїв:

• Може з'явитися потреба у зміні приводу в майбутньому (змінюватися тип або характер навантаження, умови експлуатації, тощо)?

• В якому стані знаходяться індивідуальні компоненти системи (надійність, вік, експлуатаційні витрати)?

​

До прийняття рішення про заміну приводу постійного струму на ЧРП врахуйте наступні пункти:

• Витрати на прокладку нових кабелів.

• Місце для розміщення перетворювача частоти.

• Чи потрібна заміна комутаційної апаратури?

• Можливість і складність механічного монтажу нового двигуна

• Тривалість всіх робіт по заміні приводів.

Порівняння цін приводних систем постійного і змінного струму

(перетворювач + двигун або повний шафа управління + двигуна)
На підставі сьогоднішніх цін на приводи постійного і змінного струму, з урахуванням зазначених вище переваг і недоліків різних рішень, можна керуватися наступною оцінкою:
1-квадрантні приводи < 40...80 кВт → ЧРП менш дорогі
4-квадрантні приводи < 40...60 кВт
(Перетворювач частоти + гальмівний (модуль) резистор); → ППТ менш дорогі
Рекуперативні 4-квадрантні приводи > 15 kW → ППТ менш дорогі

Висновок

Основним недоліком аналогового приводу постійного струму є низька завадостійкість, складність в налаштуванні і нестабільність параметрів. В якості датчика зворотного зв'язку по швидкості застосовується тахогенератор, має ті ж недоліки, що і колекторний двигун. Для реверсивних приводів після тахогенератора доводиться встановлювати діодний міст, що обмежує діапазон регулювання на малих швидкостях через зникнення зворотного зв'язку. У разі синхронізації механізмів з різними приводами в режимі «ведучий – ведений» частотний преобразовательнамного краще, т. к. в якості датчика швидкості застосовуються цифрові датчики типу енкодера, резольвера або sin/cos перетворювачі, що дозволяє будувати системи з електричними валами. Наявність додаткових пристроїв (опцій) частотних перетворювачів дозволяють нарощувати функції останніх: збільшувати число входів виходів, використовувати сучасні шини і протоколи обміну, застосовувати привід у пристроях позиціонування, стежити за температурним режимом двигуна і приводу, використовувати привід у режимі віртуального кулачка (змінна швидкість обертання за один оборот валу) і багато іншого.

Сучасні мікроконтролери, керуючі частотним перетворювачем, дозволяють обробляти дані за період у кілька десятків мікросекунд, (десять років тому це час становило 200 мС), що дозволило розширити діапазон регулювання зі зворотним зв'язком до 1:1000 з точністю підтримки швидкості 0,2 обороту у всьому діапазоні, що наближає частотні приводи до сервоприводам.

Однак, враховуючи стійке зростання ринку регульованих приводів, очікується, що обсяг ринку приводів постійного струму залишиться більш або менш стійким протягом деякого періоду. Це уявлення підтверджено останніми дослідженнями ринку.

Порівняння двох типів приводних систем, зроблене в даному огляді, показує, що питання про те, чи є правильним вибір приводу постійного або змінного струму, цілком залежить від конкретного застосування.

• Повинен бути забезпечений режим роботи в 4-х квадрантах з рекуперацією?

• Передбачається тривала робота на низькій швидкості?

• Потрібна менша виділення тепла перетворювачем?

• Передбачаються часті динамічні розгони і гальмування?

• Потрібен широкий діапазон швидкостей при постійній потужності ( > 1:1.5)?

• Влаштовує ступінь захисту двигуна < IP54? Робота в незабрудненій середовищі?

• Є можливість забезпечення періодичного обслуговування двигуна?

• Потрібні компактні розміри і невелика маса перетворювача і двигуна?

Чим на більшу кількість запитань Ви відповіли "Так", тим актуальніше для Вас використання привода постійного струму!