Распечатать

Электропривод

Особенности использования преобразователей частоты в многодвигательных машинах

18.02.2019

Источник: Schneider Electric

Функционал преобразователей частоты (ПЧ) Altivar Machine ATV340 и Altivar Process ATV900 компании Schneider Electric позволяет использовать их в технике с большим количеством электроприводов, объединенных общими каналами управления,  мониторинга, питания и  связанных кинематически.

Развитие производства привело к созданию сложных машин с большим количеством исполнительных механизмов, приводимых в движение электродвигателями. При этом в механизмах используется либо один электродвигатель, соединенный со всеми его рабочими органами через механические передачи, либо индивидуальный для каждого рабочего органа электродвигатель или даже группа электродвигателей.  Машины с несколькими индивидуальными электродвигателями относятся к многодвигательным системам [1].

Использование для каждого рабочего органа механизма индивидуального электродвигателя упрощает производственные машины, уменьшая количество кинематических связей, позволяет удобнее разместить рабочие органы, а также делает возможным регулирование скорости вращения отдельных рабочих органов машины.

Однако обеспечение независимого управления каждым рабочим органом требует решения таких задач как обеспечение синхронного пуска и останова, поддержание требуемого соотношения моментов, обеспечение сложных зависимостей между скоростями разных рабочих органов и т. д.

Большинство задач решается с помощью организации системы автоматизированного управления на базе ПЧ.

Преобразователи частоты в таких системах должны обеспечивать поддержание необходимого момента, быструю реакцию на его изменение, обеспечивать высокую динамику и большую глубину регулирования скорости, а также возможность работы в двигательном и тормозном режимах. 

Данным требованиям отвечают, например, ПЧ частоты Altivar Process серии ATV900 и Altivar Machine серии ATV340 компании Schneider Electric. Их основные характеристики приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики приводов Altivar Process ATV900 и Altivar Machine ATV340

Описание

Altivar Process ATV900

Altivar Machine

ATV340

Диапазон мощности для трехфазного питания 380 В, кВт

0,75 .. 800

0,75 .. 75

Перегрузочная способность по току

120 %

150 %

Перегрузочная способность по моменту

180 %

для 0,75 … 22 кВт

220%

для 30 … 75 кВт

180%

Работа с асинхронным двигателем

Векторное управление потоком в замкнутой системе. Векторное управление напряжением в разомкнутой системе.

Скалярный закон управления с возможностью формирования отношения U/f по пяти точкам

Работа с синхронным двигателем

Векторное управление потоком.

Векторное управление с обратной связью по скорости.

Работа с датчиком обратной связи по скорости

Резольвер.

Датчик с импульсными выходами 5В/12В: A/B/I, SSI, EnDat 2.2.

Датчик с аналоговыми выходами SinCos, Hiperface, 1 Vpp.

Тормозной транзистор (подключение тормозных сопротивлений)

до 90 кВт встроен, свыше дополнительный модуль

 Каждый рабочий орган машины выполняет свою определенную функцию, но их действия должны быть слаженны, чтобы обеспечить работоспособность всей машины.  Для этого необходимо, чтобы все рабочие органы были организационно взаимосвязаны. Что достигается либо синхронизацией работы отдельных рабочих органов путем настройки их на определенные повторяющиеся циклы, либо за счет управления электроприводами рабочих органов от общей системы управления, объединённой с ними информационными каналами.

В тех случаях, когда применяются преобразователи частоты, предпочтительнее вариант с общей системой управления. Для подключения ПЧ ATV900 и ATV340 к автоматизированной системе управления используются коммуникационные интерфейсы, аналоговые или дискретные входы-выходы, а также их комбинация. В табл. 2 приведен перечень коммуникационных интерфейсов этих частотников.

Таблица 2. Коммуникационные интерфейсы ПЧ Altivar Process ATV900 и Altivar Machine ATV340

Встроенные коммуникационные интерфейсы

Modbus RTU, Ethernet IP / Modbus TCP

Дополнительные коммуникационные модули

ProfiNet, CANopen, Profibus DP, DeviceNet,  EtherCAT

Рассмотрим вариант структуры системы управления ПЧ для стана холодной прокатки (рис. 1). Прокатный стан имеет в своем составе электроприводы моталки, разматывателя и электроприводы рабочих клетей, каждый из них связан по каналу Ethernet с программируемым логическим контроллером. Полоса металла, скрученная в рулон, с разматывателя проходит сквозь несколько клетей, уменьшающих ее толщину, и снова наматывается в рулон на моталке.

В процессе работы стана система управления контролирует угловую скорость моталки, разматывателя и скорости валков, а также линейную скорость ленты, обеспечивает строгую зависимость между угловыми скоростями всех элементов для обеспечения нужной толщины полосы металла и ее целостности.

Рис. 1 Структура системы управления преобразователями частоты стана холодной прокаткиРис. 1 Структура системы управления преобразователями частоты стана холодной прокатки

На производстве в состав многодвигательных промышленных систем могут входить электродвигатели, которые периодически или постоянно работают в режиме рекуперации электроэнергии. В таблице 3 приведены примеры электропривода механизмов в случае, когда возможен периодически или постоянно режим рекуперации.

 Таблица 3. Примеры механизмов, электроприводы которых работают в рекуперативном режиме

электроприводы подъемных механизмов кранов и порталов

при спуске грузов

электроприводы наклонных конвейеров

при движении вниз

приводы разматываемых барабанов (разматывателей) станов холодной прокатки, текстильных, печатных или бумагоделательных станков

постоянно для поддержания натяжения

Привод входной и выходной моталки в реверсивных прокатных станах

при изменении направления движения после каждого пропуска металла

Привод разгрузочной части в агломерационной машине конвейерного типа

постоянно для плавного спуска тележек с верхней ветви агломерационной машины на нижнюю

Электроэнергию, отдаваемую в сеть электродвигателями при рекуперации, могут потреблять другие электродвигатели, питающиеся от этой же сети. В случае использования электродвигателей с ПЧ рекуперация электроэнергии в сеть осуществляется с помощью управляемого выпрямителя напряжения. Для этой цели компания Schneider Electric разработала частотно-регулируемые приводы с активным выпрямителем напряжения Altivar Process ATV980 [3].

При применении неуправляемого выпрямителя, возврат электроэнергии в сеть невозможен. В этом случае, для использования энергии рекуперации электродвигателями, работающими в двигательном режиме, преобразователи частоты всех электродвигателей объединяют по звену постоянного тока [4]. Такое объединение приводит к уменьшению потребления общей электроэнергии из сети. При этом возможно сокращение числа и номиналов тормозных устройств и тормозных резисторов, на которых рассеивается энергия рекуперации.

Для преобразователей частоты Altivar Machine ATV340 и Altivar Process ATV900 применяют три варианта объединения по звену постоянного тока [4]:

  • все преобразователи частоты объединены по звену постоянного тока и каждый питается от сети переменного тока (рис. 2 а);
  • все ПЧ объединены по звену постоянного тока и только один, мощность которого больше или равна сумме мощностей всех электродвигателей системы, питается от сети переменного тока (рис. 2 б);
  • все преобразователи частоты объединены по звену постоянного тока и подключены к общему выпрямителю, который питается от сети переменного тока (рис. 2 в). Рис. 2  Варианты объединения преобразователей частоты Altivar по шине постоянного тока

             Рис. 2  Варианты объединения преобразователей частоты Altivar по шине постоянного тока

Первый вариант объединения по звену постоянного тока возможен только для преобразователей частоты с одинаковой топологией выпрямителя.  В том случае, когда многодвигательная система состоит из большого числа электродвигателей с разными номинальными мощностями, то целесообразно применять вариант, когда все ПЧ питаются только постоянным током от одного общего выпрямителя.

Также компания Schneider Electric выпускает системы преобразователей частоты Altivar Process ATV990 для управления несколькими электродвигателями, часть из которых периодически или постоянно работают в режиме рекуперации электроэнергии. При этом они могут иметь как общий неуправляемый выпрямитель (ATV991), так и управляемый (ATV992), осуществляющий возврат электроэнергии в сеть.

Электродвигатели одного рабочего органа производственной машины могут быть объединены между собой жесткой, фрикционной или упругой связью. Особенностью такого объединения является одинаковое и одновременное управление электродвигателями рабочего органа. При объединении нескольких электродвигателей на одну нагрузку скорость всех электродвигателей одинакова, а момент должен распределяться равномерно между всеми электродвигателями.

Применение нескольких двигателей, объединенных на одну нагрузку, делает возможным использовать электродвигатели меньшей мощности и меньших габаритов, чем в случае применения одного двигателя, уменьшить суммарный момент инерции и нагрузку на зубчатые передачи и другие элементы конструкции, а также упростить кинематические связи механизма.

В промышленности объединение электродвигателей на общую нагрузку используется в следующих механизмах: вращающиеся печи, мельницы, конверторы, грохоты, прокатные станы, конвейеры, краны и т. д.

При использовании ПЧ для регулирования скорости вращения рабочих органов производственной машины возможны следующие варианты управления объединенными на одну нагрузку электродвигателями: подключение всех электродвигателей к одному преобразователю частоты (рис.3 а) и использование индивидуального преобразователя частоты для каждого электродвигателя (рис 3 б).

Рис. 3 Варианты управления объединенными на одну нагрузку электродвигателямиРис. 3 Варианты управления объединенными на одну нагрузку электродвигателями

В случае подключения нескольких электродвигателей к одному преобразователю частоты на его выходе формируется напряжение в соответствии с некоторым абстрактным электродвигателем, имеющим усредненные характеристики по всем электродвигателям. Из-за того, что характеристики электродвигателей одного конструктивного исполнения могут отличаться, то и их механические характеристики также могут розниться. При этом могут отличаться как синхронные скорости, так и жесткости механических характеристик.

Также электродвигатели могут работать в различных условиях, например, может быть неодинаково распределена нагрузка между ними или неодинаково может осуществляться охлаждение. В результате чего одни электродвигатели будут нагружать другие двигатели, и даже возможен переход части из них в генераторный режим. При этом ПЧ не отслеживает эти процессы, что является недостатком такого способа управления. Другим минусом подключения нескольких электродвигателей к одному ПЧ является невозможность обеспечения преобразователем частоты защиты каждого электродвигателя в отдельности.

При применении для каждого электродвигателя индивидуального преобразователя частоты, электродвигатели также могут нагружать друг друга. Однако, в виду того, что двигатели электрически не связаны между собой, существует возможность управлять созданием момента для отдельных электродвигателей.

Для ПЧ Altivar Machine ATV340 и Altivar Process ATV900 существуют два варианта структуры управления электродвигателями, объединенными на одну общую нагрузку и управляемых от индивидуального преобразователя частоты:

  • электродвигатели работают на общую нагрузку, и их преобразователи частоты связаны информационно только по заданию скорости вращения;
  • электродвигатели работают на общую нагрузку, и их преобразователи частоты связаны информационно по заданию скорости вращения и сигналу пропорциональному моменту на валу одного из электродвигателей.

При объединении Altivar Machine ATV340 или Altivar Process ATV900 только по заданию скорости вращения компенсация взаимного нагружения электродвигателей осуществляется за счет функции «выравнивание нагрузки» [2].

Данная функция позволяет создать более «мягкую», чем естественная, механическую характеристику электродвигателя. Что, в свою очередь, позволит сделать одинаковыми механические характеристики всех электродвигателей.

Следовательно, одинаковое повышение момента нагрузки будет провоцировать одинаковое снижение скорости вращения роторов всех объединенных электродвигателей. Это приведет к отсутствию взаимной нагрузки электродвигателей друг другом.

При объединении преобразователей частоты ATV340 или ATV900 по заданию скорости вращения и сигналу пропорциональному моменту на валу одного из электродвигателей возможно автоматическое выравнивание нагрузки между электродвигателями. При этом преобразователь частоты, который передает сигнал пропорциональный моменту, является ведущим, а остальные ведомыми. Ведомые преобразователи частоты будут управлять электродвигателями так, чтобы уравновесить нагрузку.

Для Altivar Machine ATV340 и Altivar Process ATV900 возможно объединение ведущего преобразователя частоты с ведомым либо по аналоговому сигналу, либо по Ethernet через MultiDrive Link [2]. Во втором случае возможно объедение до десяти преобразователей частоты.

В зависимости от того жесткой или упругой кинематической связью объединены электродвигатели ведущего и ведомых преобразователей частоты, возможен различный выбор настройки системы «ведущий - ведомый»: Rigid (для жесткого объединения) и Elastic (для упругого объединения).   Отличия этих двух вариантов настройки заключаются в том, что в режиме Elastic возможно устранение нежелательных колебаний, возникающих из-за упругой связи, за счет настройки встроенных фильтров.   

Заключение

Электропривод на основе ПЧ Altivar Machine ATV340 и Altivar Process ATV900 обладает функциональными свойствами необходимыми для работы в многодвигательных промышленных машинах: большую перегрузку по моменту, быструю реакцию на его изменение, большую глубину регулирования скорости, обеспечение работы в четырех квадрантах механической характеристики, возможность «делиться» энергией рекуперации с другими электроприводами, выравнивание нагрузки при жесткой, фрикционной и упругой кинематических связях между несколькими электродвигателями, большой набор коммуникационных интерфейсов.

Это делает возможным построение высокодинамичных производственных машин с небольшим количеством механических передач, с более удобным и компактным размещением рабочих органов, с меньшими моментами инерции вращающихся частей, с гибким управлением технологическим процессом в следствии управления скоростью каждого рабочего органа.

Также это позволяет снизить общее энергопотребление промышленными машинами, в состав которых входят электроприводы, работающие в генераторном режиме.

С. В. Довгиленко, к. т. н.,
эксперт по приводной технике
компании
Schneider Electric

Литература

1 Ферстер Г. Г. Электрооборудование и электроснабжение установок гидромеханизации. М. - Энергия, 1977
2 Altivar Process. Преобразователи частоты ATV930, ATV950, ATV960, ATV980. Руководство по программированию. 09.2016
3 Преобразователи частоты Altivar Process ATV900. Каталог. 01.2017
4 ATV900 DC bus sharing. Technical note. 11.2017

Электропривод 20.06.2019 Крупнейшая выставка строительно-дорожной техники Bauma 2019 продемонстрировала стремление к расширению использования электромеханических трансмиссий и чисто электрических транспортных средств.
Электропривод 20.06.2019 Многие производители представили на выставке Bauma 2019 модели полностью электрических и гибридных концептов, а также серийно производимых строительно-дорожных машин, работающих в циклических режимах, — фронтальных и вилочных погрузчиков, бульдозеров, экскаваторов, подъемников и пр.
Электропривод 20.06.2019 На Bauma 2019 было представлено большое количество производителей интеллектуальных интегральных силовых преобразователей для транспортных применений. Практически все преобразователи выполнены на базе IGBT. Разработки на SiC для внедорожных применений не актуальны.
Электропривод 20.06.2019 На Bauma 2019 демонстрировали продукцию большое количество компаний, производящих тяговые электродвигатели. По большей части это были синхронные машины с постоянными магнитами. Практически все с жидкостным охлаждением — тосол и/или масло.
Электропривод 19.06.2019 Новый поезд для петербургского метро будет оборудован асинхронным приводом с повышенным, по сравнению с предшественниками, КПД и получит возможность движения в беспилотном режиме. Макет концептуально нового состава был представлен АО «Трансмашхолдинг» в рамках проходящего форума SmartTRANSPORT-2019.
Электропривод 18.06.2019 Новые высокопроизводительные преобразователи частоты RX2 компании Omron отличают эффективность, а также простота настройки. Они могут использоваться как с двигателями с постоянными магнитами, так и с асинхронными машинами в таких применениях, как управление наполнением и контроль работы прессов.