Частотник двигатель


О том как работает частотник

Удивительно, но в русскоязычной литературе нет ни одного человеческого описания того как функционирует частотный преобразователь для управления асинхронным электродвигателем в векторном режиме. Тем не менее, вполне возможно “на пальцах” объяснить принцип работы частотника, что я и попытаюсь сделать.Далее я буду считать, что электродвигатель имеет одну пару полюсов, исправен и работает в нормальном режиме. 

0. Что такое трехфазный асинхронный электродвигатель.

Это такой электрический девайс, который имеет три провода, если его включить в трехфазную сеть его вал начинает крутиться. Прикол состоит в том, с какой скоростью он крутится: эта скорость чуть-чуть ниже частоты питающей сети. Разность между частотой питающей сети и скоростью вращения называется скольжением.

Задача состоит в поддержании заданной скорости вращения вала двигателя. Можно было бы реализовать обратную связь по скорости и просто регулировать частоту питающего напряжения. Так работает скалярный режим с датчиковым управлением. Но это не круто по разным причинам (в первую очередь из-за плохой динамики регулирования), поэтому индустриальным стандартом является векторное управление.

1. Как частотник думает о двигателе.

Во-первых, описание двигателя с помощью трех фазных напряжений и трех фазных токов — слишком громоздко и математически избыточно, поэтому три величины (неважно, токи или напряжения) сворачиваются в две с помощью преобразования Кларка [wiki]. Это преобразование обратимо, поэтому всегда можно вернуться к нормальным параметрам трехфазной сети.

Потом, фазные напряжения и токи — имеют синусоидальную форму, т.е. переменные во времени. Намного удобнее работать с постоянными величинами. Это можно сделать, если измерять напряжения и токи во вращающейся системе координат, скорость вращения которой равна частоте их колебания. (Вообще-то тут можно было заметить, что токи и напряжения можно представлять как вращающиеся вектора [wiki], но я не люблю векторные диаграммы, потому что просто не люблю рисовать).

Короче, мы можем два переменных тока и два переменных напряжения после преобразования Кларка свести к постоянным величинам с помощью еще одного преобразования — преобразования Парка (или Парка-Горева, как его называют в русскоязычной литературе) [wiki]. В итоге мы получаем везде постоянные величины, и трехфазный двигатель переменного тока как будто бы превращается в машину постоянного тока. Очень круто!

Итак, что мы получаем на входе:– токи и — два компонента (постоянных) токов статора после преобразования Парка,– напряжения — два компонента (постоянных) напряжения статора после преобразования Парка,На выходе двигателя мы имеем:– крутящий момент – механическую скорость вращения вала

2. Что вообще делает частотник.

Частотник знает следующую вещь о двигателе: момент пропорционален произведению токов и . Тут уместно заметить, что представление двигателя во вращающейся системе координат очень похоже на двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, где — это ток якоря, — ток намагничивания (возбуждения).

Отсюда мы должны сделать одновременно два управления:– стабилизировать ток намагничивания на постоянном значении, обеспечивая необходимый уровень магнитного поля в двигателе.– регулировать при этом , для обеспечения необходимого момента на валу .

Поскольку мы можем независимо управлять двумя токами и делать это одновременно, то именно такое управления называется векторным. Оно приближает асинхронный двигатель по характеристикам управления практически к машине постоянного тока с независимым возбуждением.

Как изменять ток — по закону Ома. Мы можем менять , регулируя напряжение . Аналогично , регулируя напряжение . Таким образом, в частотнике находится два ПИД-регулятора, каждый из которых регулирует соответствующий ток статора, изменяя при этом напряжения и , которые далее пересчитываются обратно с помощью преобразования Парка и Кларка (инверсных) в переменные напряжения трехфазной сети (которые делаются ШИМом).

Тут есть одна очень важная хитрость. Преобразования Парка (которое вращает систему координат) и инверсное преобразование Парка требуют задания скорости вращения систем координат. Эта скорость называется синхронной скоростью вращения — скорость вращения синхронного двигателя, включенного в ту же сеть, что и асинхронный. Очевидно, она равна скорости вращения вала асинхронного двигателя плюс скорость скольжения.

Это означает, что:– необходимо точное измерение скорости вала,– необходимо вычисление скорости скольжения.Скорость вала измеряется с помощью инкрементального энкодера. Скорость скольжения — вычисляется с помощью модели двигателя. В простейшем случае, это линейная модель.

Почему нельзя скорость скольжения тупо измерить? Мы знаем частоту напряжения, которую подаем в данный момент на двигатель, мы знаем актуальную скорость, их разность дает скольжение. Тут важно понимать причинно-следственную связь: мы вообще не можем подать напряжение на двигатель, не зная ее частоты, которая в свою очередь определяется скольжением. Поэтому модель двигателя работает на опережение, она предсказывает какое скольжение должно быть в данный момент.

Регулирование скорости происходит с помощью еще одного ПИД-регулятора, который берет рассогласование между уставкой скорости и ее действительным значением по энкодеру и изменяет при этом ток , который влияет на момент. Т.е. используется известный факт, что скорость — это интеграл момента.

Собственно, то что я описал называется indirect field oriented control (IFOC) (векторное управление с ориентированием по полю ротора). Существуют еще другие варианты векторного управления, но менее популярные. Картинка алгоритма, описанного выше словами вот

3. Что делает крутой частотник.

Описанное в предыдущем пункте верно, но возможны многочисленные важные улучшения алгоритма.

Во-первых, это касается модели двигателя, по которой вычисляется скорость скольжения. Представлять асинхронный электродвигатель как линейный объект управления — слишком неадекватно даже для номинальных режимов работы. Причина одна: магнитное насыщение. Известно, что применение нелинейных моделей двигателей для управления (в том числе и для вычисления скольжения) позволяет существенно улучшить характеристики регулирования.

Потом интересная вещь с законом Ома для компонентов тока статора. Изменяя мы меняем не только ток , но и немного . И аналогично изменяя мы меняем токи , но и немного . Чтобы избавится от взаимовлияния используется специальное математическое преобразование, линеаризующее и развязывающее характеристики регулирования токов между собой. Что-то вроде линеаризации по обратной связи [wiki].

Еще по поводу параметров двигателя. Линейная модель двигателя, используемая в частотнике, требует от нас по крайне мере значений индуктивности и сопротивления ротора. Их автоматически может определить сам частотник, проведя некоторые манипуляции с подключенным к нему двигателем. Нелинейные модели двигателя требует задания конструктивных параметров, в частности параметров сердечников и т.д. Следует кстати сказать, что некоторые производители поставляют частотники только со своими двигателями (SEW-Eurodrive, например), это в частности связано с использованием нелинейных моделей двигателей.

Like this:

Like Loading...

akpc806a.wordpress.com

Разрабатываем частотник. Часть первая, силовая часть.

Самостоятельная разработка частотника для трехфазного электродвигателя, дело достаточно затратное и хлопотное. Но если есть желание и интерес к данной теме огромен, то можно попробовать. Данный пост не претендует на оригинальность и писатель из меня честно говоря плохой. Итак обо всем по порядку.

Начнем с общей структурной схемы.

Данная структурная схема построена по так называемой схеме двойного преобразования. Трехфазное напряжение 380В частотой 50 Гц поступает на вход неуправляемого выпрямителя. На выходе выпрямителя напряжение составляет около 540 В. Это и есть первый этап преобразования. На втором этапе напряжение при помощи инвертора преобразуется в широтно-модулированные импульсы, которые и поступают на обмотки электродвигателя. Статорные обмотки имеют активно-индуктивный характер сопротивления и являются фильтрами, сглаживающими ток. Среднее значение тока будет зависеть от среднего значения приложенного напряжения, то есть от соотношения длительностей внутри периода ШИМ. Блок управления реализует основные алгоритмы управления инвертором. Обеспечивает диагностику силового модуля, а также выполняет функции противоаварийной защиты. Блок питания предназначен для питания цепей управления.

Выпрямитель. Схема выпрямителя предельно проста.

На вход силового блока поступает трехфазное напряжение сети амплитудой 380 В, и частотой 50 Гц. Для защиты от перенапряжения в схеме используются варисторы VR1- VR3. Далее входное напряжение поступает на выпрямитель с промежуточным звеном постоянного тока. Выпрямитель 36МТ160 представляет собой трехфазную мостовую схему (т.н схема Ларионова) конструктивно выполненную в одном модуле. Во время зарядки конденсатора промежуточного контура протекает очень большой кратковременный ток. Это может вывести из строя выпрямитель. Ток зарядки ограничивается включением балластного резистора R4 последовательно с конденсаторами DC-звена, который активизируется только при включении преобразователя. После зарядки конденсаторов резистор шунтируется, контактными реле К1. Большая емкость конденсаторов требуется для сглаживания напряжения промежуточного звена. После выключения инвертора из сети, конденсаторы сохраняют высокое напряжение в течение определенного времени.

Вот что получилось в итоге.

Блок питания. Собран на микросхеме UC3843. Вообще, что касается блока питания, то вовсе не важно какой будет использован. Хоть самодельный хоть купленный. Главное, на мой взгляд, по возможности питание драйвера IGBT и питания блока управления было от отдельных обмоток трансформатора.

Схема.

Фото.

Инвертор. Схема инвертора.

IGBT-драйвер собран на транзисторах FGA25N120 и связке оптопары TLP250 и микросхемы TC4420. Что касается микросхемы TC4420 то ее мне посоветовал использовать один мой друг который занимается усилителями «класса D».

Готовый инвертор.

Подопытный кролик Электродвигатель. Двигатель взял для начала малой мощности. Закрепил на нем инкрементальный энкодер «RO6345» фирмы «IFM».

Все это протестировано, проверено и ждет изготовления блока управления. Будем надеется что у меня хватит терпения, времени и сил довести этот проект до работающего прототипа.

Продолжение следует…

we.easyelectronics.ru

Принцип работы и схема подключения частотных преобразователей для асинхронных электродвигателей | ProElectrika.com

Принцип управления частотой вращения электрического привода с двигателем постоянного тока довольно прост как по своей сути – изменением величины подводимого напряжения, как и по решению этой задачи – регуляторы напряжения постоянного тока довольно просты в проектировании и производстве. Но в настоящее время основная масса приводов в различных тех-процессах выполняется с применением асинхронных электродвигателей переменного тока.

Для осуществления возможности регулировать скорость вращения таких двигателей и были разработаны частотные инверторные преобразователи для асинхронных двигателей, или попросту “частотники”. Область применения этих приборов весьма обширна – в станках и электроприводах промышленного назначения, вытяжных вентиляторах, конвейерах и т.п.

 

Принцип работы частотного преобразователя

В основу работы прибора заложено правило вычисления угловой скорости вращения вала электродвигателя, в которое входит такой параметр, как частота питающей сети. И поэтому, если изменять частоту питания обмоток, будет изменяться и скорость вращения ротора двигателя в прямой зависимости. Но при этом мощность аппарата будет падать. Для того, чтобы сохранить КПД устройства на неизменном уровне, вместе с частотой питания нужно также изменять и величину подаваемого на обмотки напряжения.

От метода, при помощи которого решается задача одновременного регулирования частоты и напряжения на выходе преобразователя, эти приборы и получили свое второе название – “инверторы”. В устройстве происходит инвертирование мощными электронными элементами входного переменного напряжения в постоянное, с регулируемой величиной напряжения и частотой импульсов на выходе. Управление выходным сигналом осуществляется при помощи широтно-импульсного регулирования выходным каскадом на полупроводниковых элементах. Таким образом, на электродвигатель по каждой из фаз поступают пачки импульсов изменяемой частоты и напряжения.

Маркировка и схема подключения к электросети и нагрузке

Частотные инверторы любой фирмы обязательно маркируются табличками с указанием основных характеристик:

Подключение прибора к электрической сети может производиться по схеме, изображенной на рисунке

К питающей трехфазной сети подключение производится через автоматический выключатель, рассчитанный на ток потребления нагрузки, и магнитный пускатель. Включение в сеть производится через клеммы RST, подсоединение электродвигателя – к клеммам UVW. Имеется также возможность дистанционного управления работой при помощи линии связи с компъютером.

Основная масса выпускаемых промышленностью частотников предназначена для работы в трехфазных сетях переменного тока, однако существуют и частотные преобразователи для однофазных двигателей.

Настройка и управление

Описание возможностей и настройку основных параметров покажем на примере распространенного инверторного  преобразователя Mitsubishi D700.

На лицевой панели прибора находится кнопочная панель управления с цифровым дисплеем, позволяющие производить соответствующие настройки.

Ввод данных по основным параметрам работы и защиты производится путем входа в режим программирования через кнопку PU/EXT, затем кнопкой SET выбирается необходимый параметр и редактируется его значение.

Узнать больше об управлении частотным преобразователем Mitsubishi можно из инструкции на инвертор (СКАЧАТЬ) с. В ней также приведены схемы подключения и расшифровка кодов ошибок, выводимых на экран в случае срабатывания защиты преобразователя.

Инструкции по установке, подключению и эксплуатации частотных преобразователей:

Пример программирования инвертора Мицубиши в следующем видео:

 

 

proelectrika.com

Распространённые проблемы частотных преобразователей

Частотные преобразователи, они же "частотники", они же фазовые инверторы используются в разнообразном экструзионном оборудовании для регулировки частоты вращения двигателей. При эксплуатации экструзионного оборудования иногда с ними возникают проблемы, а иногда необходимо увеличить максимальные обороты электродвигателя.

Частотные преобразователи позволяют поднять максимальные обороты двигателя на 20%, а в некоторых моделях на 40% относительно номинальных рабочих оборотов. Такая необходимость иногда возникает при модернизации оборудования. Увеличивая производительность экструзионного оборудования или в результате конструкторских просчётов, бывает необходимо увеличить максимальные обороты электродвигателя. В таких случаях часто менее затратным и быстрым способом является увеличение максимальной рабочей частоты электромотора управляемого фазовым инвертором.

Практически на любую модель частотного преобразователя можно найти в интернете на сайте производителя инструкцию по программированию. Если не найдётся на русском языке, то со 100% вероятностью будет на английском языке. С помощью инструкции можно поднять максимальную рабочую частоту с 50 Гц до 60 Гц, а в некоторых моделях и до 70 Гц. Таким образом максимальные обороты электромотора увеличиваются примерно на 20-40%. Почему примерно? Да всё потому что зависимость оборотов от рабочей частоты не линейная, но практически таковой является.

В целях увеличения срока эксплуатации частотного преобразователя необходимо хотя бы раз в месяц продувать сжатым воздухом радиатор охлаждения расположенный в задней части корпуса. Заодно можно продуть корпус полностью. Меньше пыли - меньше проблем! Почему необходимо продувать радиатор? На этом радиаторе закреплён так называемый IGBT-ключ. Через него и происходит управление электромотором. Соответственно он выделяет много тепла и очень сильно греется. Как и любой полупроводниковый прибор он не выдерживает высоких температур!

Красным цветом выделен IGBT ключ, самый массивный элемент силовой платы, монтируется на радиатор, для лучшего теплоотвода применяется термопаста

Зачастую на корпусе и радиаторе установленны воздушные вентиляторы принудительного охлаждения. Их также необходимо проверять периодически на предмет работоспособности. В случае необходимости их можно легко найти практически в любом компьютерном магазине или магазине радиодеталей. Благо их сейчас продаётся великое разнообразие.

Если управление частотным преобразователем происходит ручным способом, а не с помощью PLC контроллера, часто из строя выходит потенциометр (переменный резистор). Да, да, это и есть ничто иное как многооборотный переменный резистор. Управление может быть как с внешнего потенциометра, так и с выносной панельки инвертора. Способ управления задаётся в сервисном меню частотного преобразователя. Если вышел из строя внешний, можно переключить на управление с выносной панельки. При выходе из строя потенциометра на выносной панельке и отсутствием внешнего, можно его установить самостоятельно. Для этого подойдёт переменный резистор сопротивлением 10-15 кОм. По схеме в инструкции он легко подключается к "частотнику". Ищем в инструкции параметр способа управления и меняем его на управление с внешнего потенциометра.

съёмная панель частотного преобразователя, красной стрелкой отмечен потенциометр

Часто бывает выскакивает ошибка на преобразователе при запуске, хотя до остановки всё было нормально. После проверки кабелей и протяжки всех клемм они практически всегда пропадают. На многих моделях они расшифровывается как ошибка при перегрузке. Для того чтобы избежать таких неприятных ситуаций необходимо раз в 3-4 месяца протягивать все клемные соединения кабелей, а также визуально проверять их целостность.

При управлении частотным преобразователем с внешней выносной панельки бывает пропадание управления. При этом возникает ощущение что он вышел из строя. Зачастую проблема таится в плохом контакте разъёмов кабеля. Стоит всего лишь проверить полностью ли вставлен кабель в разъём и на месте ли винты крепления штекера к разъёму.

задняя часть выносной панели управления частотного преобразователя, видно гнездо подключения кабеля и сам кабель

Следующий неприятный момент потребует замены или ремонта частотного преобразователя. При включении управления двигателем отображается ошибка, а двигатель не трогается с места. В лучшем случае это вышел из строя электромотор. В худшем - прозошёл пробой фазы на массу в самом частотном преобразователе. Для проверки придётся разобрать инвертор и проверить сопротивление входов и выходов силовой части IGBT ключа на массу. Найти этот IGBT ключ не составит труда, это самая большая радиодеталь в частотном преобразователе. Если произошёл пробой одной из фазы - придётся его заменить. Но и здесь не всё так просто. Стоимость IGBT ключа зачастую доходит до 30% стоимости самого частотного преобразователя. Да и найти их в России бывает не очень просто. Зачастую легче просто купить новый "частотник" и заменить его.

При любой неисправности в первую очередь следует проверить сначала работоспособность электромотора, целостность кабелей и клемм. А уже после этого копаться в самом частотном преобразователе. А также следует соблюдать правила техники безопасности и не забывать про профилатические работы.

{jcomments lock}

plastichelper.ru


Смотрите также

AllmazCAR.ru Информационный портал для автолюбителей.

Копирование материалов без проставление активной обратной ссылки запрещено.

Инфо