Частотное регулирование двигателей переменного тока значительно снижает энергетические потери, улучшает эксплуатационные характеристики электродвигателей, повышает надежность и безопасность привода.
В большинстве схем частотных преобразователей электроэнергия, генерируемая двигателем при торможении, рассеивается на тормозном резисторе. ЧП с непосредственной связью обеспечивают рекуперацию, однако, требуют установки фильтров напряжения и тока, что не всегда экономически и технически оправдано.
Энергоэффективность частотного способа регулирования можно увеличить путем внутренней рекуперации электроэнергии.
Наибольшая экономия электроэнергии при этом наблюдается при эксплуатации технологического оборудования, работающего в повторно-кратковременных режимах с большим количеством включений, реверсов и торможений: кранов и грузоподъемных механизмов, прессов, кузнечных станков, лебедок и так далее.
Увеличение энергоэффективности происходит за счет преобразования механической энергии двигателя при торможении или изменении частоты вращения двигателя в электрическую и ее накопления в конденсаторе увеличенной емкости на выходе звена постоянного тока частотного преобразователя.
Установка конденсаторов повышенной емкости изменяет электрическую постоянную времени, что ухудшает рабочие характеристики электродвигателя. Эта проблема решается применением двух емкостных элементов, один из которых обеспечивает создание момента вращения двигателя, второй – накопление и передачу электроэнергии в цепь питания.
Для нормальной работы электропривода, укомплектованного частотным регулятором с внутренней рекуперацией, необходимо правильно рассчитать емкость конденсаторов.
Расчет емкости конденсаторов
Для определения емкостей конденсатора используется Г- образная схема замещения электрического двигателя:
где r 1, r 2 – значения активного сопротивления статора и ротора электрической машины, х 1 и х2 – полное сопротивление обмоток неподвижной и вращающейся части двигателя, rm, xm – активное и индуктивное сопротивления в цепи намагничивания, S – скольжение электродвигателя. Для определения электроэнергии, достаточной для создания магнитного потока трехфазного двигателя, используется формула:
где Lm – намагничивающая индуктивность, а m – количество фаз. Векторная величина идеального тока холостого хода определяется из выражения:
После расчета энергии, обеспечивающей момент вращения ротора электродвигателя и создание потока, переходим к расчету емкости конденсатора.
Подпитка электрического двигателя реактивной энергией происходит от конденсатора звена постоянного тока частотника при открытых транзисторных ключах. При переходе инверторных ключей в нулевое состояние, когда открыты 3 нижних или 3 верхних вентиля, конденсатор заряжается по цепи обратных диодов и транзисторов, накапливая электроэнергию. Реактивная энергия для возникновения магнитного потока электродвигателя вычисляется по формуле:
где Udc – минимальное напряжение при разряде конденсатора звена постоянного тока, Udc_max – максимальное значение напряжения при заряде емкостного элемента, С – емкость конденсатора. Конденсатор в цепи постоянного звена служит емкостным фильтром для сглаживания пульсации выпрямленного напряжения. Значение напряжения при разряде емкостного элемента не должно превышать максимальной пульсации постоянного напряжения. Таким образом, формула для вычисления энергии принимает следующий вид:
где ku – коэффициент пульсации выпрямленного напряжения. Емкость конденсатора определяется из выражения:
Величина емкости постоянного звена частотника зависит также от условий работы привода и типа модуляции управляющих сигналов. Для обеспечения внутренней репутации рекомендуется выбрать конденсатор несколько большей емкости чем вычисленная, с учетом поправки на стандартный ряд производимых промышленностью емкостных элементов.