Двигатели частотники


Частотный преобразователь для асинхронных электродвигателей

Асинхронный электродвигатель конструктивно прост и неприхотлив в эксплуатации. Но обладает рядом существенных недостатков:

  • ток в момент запуска (пусковой ток) превышает номинальный в несколько раз;
  • частоту вращения вала электродвигателя нельзя изменить.

Этих недостатков лишены асинхронные электродвигатели с фазным ротором и двигатели постоянного тока. Но их конструкция сложнее, а управление режимами работы требует установки громоздких магазинов сопротивлений, мощных контакторов. Управление режимами происходит с помощью релейно-контакторных схем, что снижает надежность работы.

Частотные преобразователи

Сохранить достоинства асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, при этом устранив его недостатки, позволяют частотные преобразователи.

Конструкция и принцип действия частотного преобразователя

Привлекательной особенностью преобразователя является тот факт, что для него не требуется серьезных переделок в схеме управления и электропитания мотора. В простейшем случае он ставится вместо элемента управления электродвигателем: пускателя или контактора. Сигналы с кнопок управления переключаются с катушек управления на соответствующие входы.

Но вот кабель к электродвигателю и кабель от распределительного устройства до преобразователя придется заменить на экранированные. Иначе не будут выполнены условия по электромагнитной совместимости частотника, являющегося полупроводниковым прибором.

В нем происходит два основных процесса: сначала трехфазное (или однофазное) напряжение питания выпрямляется, преобразуясь в постоянное. Затем из этого напряжения формируется синусоидальное напряжение питания электродвигателя нужной частоты и величины. Делается это несколькими способами, самый распространенный из которых – широтно-импульсная модуляция. Схема управления формирует на выходе пачки коротких импульсов, которые, сглаживаясь на индуктивности обмоток электродвигателя, дают в итоге практически синусоидальное напряжение.

Для выпрямления на входе частотного преобразователя установлены полупроводниковые диоды, рассчитанные на номинальный ток устройства. Перед ними обязательно устанавливается помехоподавляющие фильтры, чтобы защитить как сам частотник от внешних помех, так и не дать проникнуть помехам от него самого в сеть, к которой он подключен. За выпрямительными диодами установлены конденсаторы, сглаживающие напряжение пульсаций.

Блок-схема работы частотного преобразователя

Для силовой схемы формирования выходного напряжения используются мощные транзисторы или тиристоры. Поскольку в процессе работы в корпусе преобразователя выделяется тепло, для его отвода в него встраиваются кулеры, а сам прибор устанавливается вдали от горячих поверхностей. Сверху, снизу и по бокам прибора на расстояниях, указанных в паспорте завода-изготовителя, должно быть свободное пространство.

Для подключения кабелей в частотном преобразователе есть три вида клемм:

  • силовые клеммы: для подключения кабеля питания и кабеля к электродвигателю;
  • клеммы для подключения входных и выходных сигналов, как дискретных, так и аналоговых;
  • разъемы для подключения к автоматическим системам управления технологическим процессом (АСУТП).

На дискретные входы подаются сигналы управления от кнопок или реле.

Назначение дискретных входов частотного преобразователя

Пуск

Стоп

Реверс

Торможение

Выбор фиксированной скорости

Блокировка пуска

Дискретные выходы передают информацию о состоянии частоника.

Назначение дискретных выходов частотного преобразователя

Готов

Работа (двигатель включен)

Отказ (неисправность преобразователя)

Аналоговые входы предназначены для внешнего задания частоты вращения от устройств АСУ или получения частотным преобразователем сигналов от датчиков, на основе которых он принимает решение о величине частоты вращения двигателя, необходимой в данный момент.

Аналоговые выходы необходимы для подключения к устройствам отображения информации. На них частотник может выдавать значения, заданные в его установках: выходной ток, мощность, частоту вращения.

Частотный преобразователь

Управляет работой частотного преобразователя его мозг – блок управления. Для работы ему необходимы исходные данные: параметры электродвигателя и логика, согласно которой он будет регулировать частоту. Для их вода на передней панели прибора есть дисплей и кнопки, позволяющие эти данные ввести.

Простейшие схемы управления частотным преобразователем

С параметрами электродвигателя все просто: с таблички электродвигателя переписываются номинальные мощность, напряжение, ток и частота вращения. Затем они вводятся в память устройства. А вот с параметрами управления, в зависимости от сложности конструкции частотного преобразователя, все сложнее. Это зависит от сложности технологического процесса, схемы управления и регулирования, типа преобразователя, наличия АСУТП.

Простейшей схемой управления является ручной запуск с фиксированной частотой. Для пуска используются кнопки на самом частотнике, частота вращения регулируется вручную теми же кнопками, в зависимости от требуемой. Для ее реализации не нужны дорогостоящие аппараты, достаточно самого простого и дешевого.

С применением кнопочной станции для управления пуском и остановкой двигателя схема незначительно усложняется. Кабель от кнопок управления подключается к дискретным входам согласно схеме частотника. При этом в его настройках включается опция, разрешающее внешнее дискретное управление.

Способы автоматического регулирования частоты с использованием датчиков

Но такое использование прибора, позволяющего самостоятельно решать, какую частоту выбрать в тот или иной момент, неразумно. Рассмотрим пример его использования для поддержания постоянного уровня воды в баке водонапорной башни.

Традиционная схема управления таким насосом подразумевает наличие двух датчиков уровня: верхнего и нижнего. При понижении уровня воды до минимума срабатывание датчика приводит к запуску насоса, при достижении верхнего – к остановке. При небольшом объеме бака и повышенном потреблении воды насос часто включается и отключается.

При использовании частотного преобразователя в бак врезается датчик давления в самой нижней его точке. Сигнал с датчика пропорционален давлению столба жидкости, то есть, уровню воды в баке. Датчик подключается к аналоговому входу частотного преобразователя, в его настройках выбирается соответствующий макрос (логическая схема работы), выбирается метод задания частоты и задаются параметры, необходимые для его реализации. В нашем случае, это диапазон скоростей вращения насоса при минимальном уровне в емкости и при максимальном. В первом случае это максимально возможная частота вращения электродвигателя насоса, во втором – минимально возможное число оборотов для самого насоса (когда он еще что-то качает, а не перемалывает воду).

Теперь насос будет работать постоянно, но со скоростью вращения, зависящей от величины потребления воды из резервуара.

Таким же образом можно организовать работу насоса, питающего водопроводную сеть, используя датчик давления в напорной магистрали. В этом случае он будет поддерживать постоянным напор воды в ней.

Использование частотного преобразователя для поддержания напора в трубопроводе

Частотный преобразователь может управлять работой не только насосов, но и вентиляторов. Наиболее простой пример: вентиляторы охлаждения. Чем быстрее они вращаются, тем более сильный поток воздуха они создают, помещение (поверхность теплообменника) охлаждается в большей степени. Для регулирования не нужно измерять скорость потока или объем перекачиваемого воздуха. Достаточно датчика температуры, фиксирующего ее в нужной точке помещения (или на выходе теплообменника). Частотный преобразователь будет изменять скорость вращения вентилятора так, чтобы поддерживать заданное значение температуры или держать ее в допустимом диапазоне.

Управление электродвигателями грузоподъемных механизмов

Уж где необходимо изменять скорость вращения электродвигателей, так это на кранах. Для этого там используются асинхронные двигатели с фазным ротором. Но электрическую начинку крана можно сделать проще и компактнее, при этом получив в качестве бонуса еще и непревзойденную плавность регулирования скорости движения.

И все это позволят сделать частотные преобразователи. Для управления их работой в кабине машиниста устанавливаются соответствующие устройства, формирующие понятные частотнику сигналы управления. На каждый из электродвигателей приводов (подъем, перемещение тележки, перемещение моста) устанавливается по частотному преобразователю. В итоге число контакторов в схеме управления краном сводится к минимуму, что повышает его надежность.

К недостаткам относится только необходимость защиты шкафов с частотниками от пыли, но при этом нужно обеспечить их охлаждение в процессе работы.

Промышленные установки с системами АСУТП

Уходят в небытие времена, когда операторы вращали вручную задвижки, а регулировку подачи сырья на конвейере выполняли, перекрывая шибером его поток. Современные операторы технологических установок в чистой спецовке сидят за мониторами обыкновенного компьютера, связанного со щитовой АСУ. Любой параметр процесса меняет кликом мышки, результат которого преобразуется либо в команду «включить/выключить», либо в изменение сигнала управления. Важную роль в этом раю играют частотные преобразователи.

Функциональная схема АСУТП на предприятии

Для привода того же конвейера всегда использовались асинхронные электродвигатели. Поэтому для перевода его на управления с помощью частотного преобразователя не требуется глобальных переделок, даже мотор можно оставить тот же самый. Но при этом получается выигрыш в точности ведения процесса (количество перемещаемого продукта задается частотой вращения привода, то есть – скоростью движения ленты), а также – экономится электроэнергия.

Система для удаленного управления насосной

Для регулировки используется два способа:

  • с использованием аналогового входа, когда АСУТП выдает на каждый частотный преобразователь персональный сигнал управления;
  • с использованием интерфейсных модулей, когда управление происходит по одной шине несколькими приборами в цифровой форме по системному протоколу.

Важной особенностью этого подходя является тот факт, что частотник уже ничего не решает сам, все за него выполняет АСУ. Она принимает сигналы от датчиков, характеризующие состояние технологического процесса. Затем по заданной программе принимает решение, что делать дальше.

Оцените качество статьи. Нам важно ваше мнение:

electric-tolk.ru

Маленькие подсказки по применению частотных преобразователей

В настоящее время частотный преобразователь стал достаточно широко распостраненным прибором, и часто эксплуатируется людьми без специального образования по электроприводу. Данная статья в краткой тезисной форме помогает получить необходимую информацию по электроприводу и избежать некоторых ошибок при выборе, монтаже и работе оборудования с частотным преобразователем. Конечно, статья не заменит руководстова по эксплуатации и учебники по электроприводу, но самый минимальный набор полезных знаний она дать в состоянии.

Плавный пуск

Плавный пуск, обеспечиваемый частотным преобразователем, в любом приложении механически защищает приводную систему, уменьшая износ подшипников и предотвращая разрыв ремней, цепей, конвейерных лент и т.д. Плавный пуск также снижает электрические нагрузки на сеть, уменьшая пусковой ток с 600 % до 100-150% номинального тока двигателя.

Выбор двигателя

Ошибкой номер один при выборе электродвигателя для частотно-регулируемого привода является ориентация только на мощность (кВт). Нужно иметь ввиду, что указанная мощность частотного преобразователя относится только к эксплуатации его со стандартным 4-х полюсным асинхронным двигателем в стандартном применении. Во всех иных случаях нужно руководствоваться номинальными током (А) и напряжением (В) преобразователя и двигателя.

Работа двигателя на низкой скорости

Когда в приложении требуется, чтобы стандартный самовентилируемый двигатель длительно работал на низких скоростях (мене 1/3 от номинальной), то следует помнить, что охлаждающая способность вентилятора, расположенного на валу двигателя, резко снижается, и двигатель может быть перегрет. Поэтому нужно адекватно снижать нагрузку на двигатель или применять независимое охлаждение.

Электромагнитная совместимость

Грамотная прокладка электрических кабелей – ключ к решению большинства проблем электромагнитной совместимости. По возможности используйте экранированный кабель между преобразователем и двигателем, и прокладывайте его отдельно (на расстоянии от 100мм) от всех других проводов. В местах пересечения силовых и сигнальных проводов располагайте их под углом 90o друг к другу.

Питание от генератора

Плавный пуск электропривода позволит снизить стоимость питающего его электрического генератора, так можно будет применить генератор меньшей мощности (в 4 – 6 раз). Мощность генератора будет рассчитываться исходя из тока в установившемся режиме. Между генератором и преобразователем частоты должен быть установлен контактор, управляемый от релейного выхода преобразователя, выключающего его при срабатывании защиты. Таким образом, в случае перенапряжения от генератора, контактор разомкнется, и опасно-высокое напряжение с частотного преобразователя будет снято.

Свободновращающиеся вентиляторы

Вентиляторы в некоторых приложениях могут самораскручиваться, причем в обратную сторону, под воздействием движения воздуха. При пуске такого вентилятора могут возникать токи короткого замыкания, способные повредить частотный преобразователь и двигатель. Что бы этого избежать, на простых приводах нужно использовать функцию торможения постоянным током перед стартом, а на продвинутых приводах можно использовать функцию синхронизации с вращающимся двигателем.

Нагрузка с переменным моментом

Некоторые типы механизмов, например, такие как осевые и центробежные вентиляторы и насосы, имеют момент, зависящий от частоты вращения. Для них можно применять приводы (с перегрузочной способностью 120%), специально предназначенные для такой нагрузки. Для других типов насосов и вентиляторов, имеющих возвратно поступательное движение (например, поршневые) нужно применять общепромышленные приводы (с перегрузочной способностью 150%), предназначенные для работы с постоянным моментом.

Питание 3-х фазного преобразователя от однофазной сети

Трехфазные частотные преобразователи Optidrive могут быть запитаны напряжением требуемого уровня от однофазной сети. Только при этом его нельзя нагружать током более 50% от номинального.

Экономия электроэнергии

В общем случае при управлении двигателем от частотного преобразователя, снижение скорости приводит к снижению потребляемой мощности. Особенно энергосберегающий эффект выражен в насосных и вентиляционных системах, особенно с ПИД-регулятором процесса по давлению или расходу, особенно при наличии в преобразователе частоты функции оптимизации энергопотребления.

Переменная подача

Часто в некоторых технологических процессах полезно синхронизировать между собой нескольких приводов для их согласованной работы. Например, в деревообработке в продольно-резательных станках можно согласовать привод продольной пилы с приводом подачи древесины. Ток нагрузки привода пилы можно использовать в качестве сигнала отрицательной обратной связи для ПИД-регулятора привода подачи. Процесс будет оптимизирован тем, что при увеличении нагрузки на пилу подача будет адекватно уменьшена, и наоборот.

Гармоники

Все электроприводы по своей природе оказывают влияние на электрическую сеть, являясь источниками высших гармоник. Однако этот негативный эффект можно значительно снизить, используя сетевой дроссель. Кроме этого, сетевой дроссель, являясь двухсторонним буфером, оказывает много положительных эффектов на сам привод, увеличивая его надежность и продлевая эксплуатационный ресурс.

Защищенная конструкция

Разработчикам частотных преобразователей часто требуется искать компромисс между эффективностью теплоотвода и защищенностью устройства от воздействия внешних факторов (климатических, физических, человеческих). Как правило, частотники с высокой степенью защиты имеют большие размеры или меньший температурный диапазон, а иногда применяется система раздельного охлаждения. Разработчикам же систем с применение приводов приходится искать компромисс между требованиями надежности, безопасности и ценой оборудования. В некоторых случаях выгоднее использовать частотный преобразователь с высокой степенью защиты, а в некоторых устанавливать обычный ПЧ в защищенный шкаф.

Длинный моторный кабель

В идеальном случае частотный преобразователь должен быть расположен непосредственно на двигателе. Максимальная длина моторного кабеля указывается в руководстве по эксплуатации на ПЧ. Эта длина, как правило, относит к экранированным кабелям, бронированным, в металорукаве. При использовании не экранированного моторного кабеля, его длина может быть увеличена на 50%. А при использовании выходного моторного дросселя длина может быть увеличена еще в двое.

Параллельное подключение двигателей

Мощность (номинальный ток) частотного преобразователя при подключении к нему одновременно нескольких двигателей следует выбирать с запасом на 10 - 15% суммарной мощности (номинальных токов) всех двигателей. Также следует иметь в виду, что при определении длины моторного кабеля (см. предыдущий абзац) нужно суммировать длины кабелей всех двигателей. Уменьшить суммарную длину можно, подключая не все двигатели непосредственно к клеммам ПЧ, а 2-й к 1-му, 3-й ко 2-му, и т.д. Как правило, при трех и более параллельных двигателях рекомендуется ставить моторный дроссель, даже если длина их кабелей не превышает максимально допустимую. И большинство частотных преобразователей не допускает коммутации (подключения/отключения) двигателей с помощью э/м контакторов во время работы, а только через команду СТОП привода.

www.eti.su

Частотник для трехфазного электродвигателя

Содержание:
  1. Устройство и принцип действия преобразователя
  2. Подключение и настройка преобразователя частоты
  3. Самостоятельное изготовление частотного преобразователя
  4. Обслуживание устройства в процессе эксплуатации
  5. Преимущества частотников в асинхронных двигателях
  6. Видео: Самодельный частотник 220-380V

Трехфазные асинхронные двигатели уже долгое время используются в промышленности и других сферах жизни и деятельности людей. Среди всех этапов рабочего процесса, более всего уделяется внимание обеспечению плавного пуска и торможения агрегата. Для того чтобы выполнить это условие, необходимо использовать – частотник для трехфазного электродвигателя. Кроме своего основного названия – частотный преобразователь известен также, как инвертор, частотно регулируемый привод или преобразователь частоты переменного тока.

Основной функцией частотного преобразователя является регулировка скорости вращения асинхронных двигателей, с помощью которых электрическая энергия преобразуется в механическую. Первоначальное движение трансформируется в другие типы движений, необходимые для выполнения конкретной технологической операции. Использование частотных преобразователей позволяет довести коэффициент полезного действия электродвигателя до 98%.

Устройство и принцип действия преобразователя

Частотный преобразователь регулирует скорость вращения трехфазных электрических двигателей асинхронного типа. Вращение, полученное под действием электроэнергии, превращается в механическое движение с помощью специальных приводных устройств. Регулировка скорости вращения может осуществляться и другими устройствами. Однако все они обладают серьезными недостатками в виде высокой стоимости, сложной конструкции и низкого качества. Кроме того, диапазон регулировок подобных приспособлений совершенно недостаточный для нормальной работы.

Все эти проблемы эффективно решаются с помощью частотного преобразователя. Этот аппарат помимо обеспечения плавного пуска и остановки, контролирует и другие процессы, происходящие в двигателе. Использование частотника сократило до минимума риск возникновения неисправностей и аварийных ситуаций. Быстродействие и плавную регулировку обеспечивает специально разработанная схема частотного преобразователя для трехфазного двигателя. В результате ее применения существенно возросла продолжительность непрерывной работы электродвигателя, удалось добиться значительной экономии электроэнергии и увеличения КПД.

За счет чего же становится возможным управлять скоростью вращения электродвигателя? Прежде всего в частотном преобразователе изменяется напряжение, поступающее из сети. Далее, из него формируется уже нормальное трехфазное напряжение с нужной амплитудой и частотой, которое и потребляет электродвигатель. Регулировка скоростей осуществляется в достаточно широком диапазоне. В случае необходимости частотник позволяет переключить вращение ротора на противоположное направление. Все регулировки должны выполняться с учетом паспортных данных агрегата, с учетом максимально допустимых оборотов и установленной мощности.

Общее устройство частотного преобразователя представлено на схеме. В конструкцию аппарата входят три составные части:

  • Выпрямитель. При подключении к источнику электропитания формирует напряжение постоянного тока. В зависимости от модификации бывает управляемым или неуправляемым.
  • Фильтр. Предназначен для сглаживания выпрямленного напряжения, поэтому в его конструкцию входят конденсаторы.
  • Инвертор. Непосредственно формирует напряжение с нужной частотой и подает его на двигатель.

Основная классификация частотников осуществляется в зависимости от вида управления скоростью вращения. Существует два основных режима:

  1. Скалярный режим без обратной связи. В данном случае осуществляется управление магнитным полем статора.
  2. Векторный режим с обратной связью или без нее. Тут взаимодействуют магнитные поля ротора и статора, что и учитывается при управлении. В этом режиме происходит оптимизация момента вращения на различных скоростях. Данный способ управления считается более точным и эффективным. Однако он требует специальных знаний и навыков, более дорогой в обслуживании.

Подключение и настройка преобразователя частоты

Подключение частотных преобразователей особенно актуально для частных владельцев оборудования с асинхронными двигателями. Предварительно рекомендуется установить автоматический выключатель, который обесточит сеть при возможном коротком замыкании в одной из фаз.

В схемах частотники для асинхронных двигателей подключаются к электродвигателям двумя способами – «треугольником» и «звездой». Первая схема применяется для однофазных регулируемых приводов, без потери мощности. Такие частотники обладают максимальной мощностью 3 кВт и предназначены в основном для эксплуатации в бытовых условиях. Схема «звезда» используется там, где имеются трехфазные промышленные сети.

С целью ограничения пускового тока и уменьшения пускового момента, запуск двигателей, мощностью свыше 5 кВт осуществляется по смешанной схеме «звезда-треугольник». «Звезда» используется в момент запуска, когда напряжение подается на статор. После того как двигатель достигнет номинальной скорости, подача питания переключается на другую схему – «треугольник». Данный способ применяется не везде, а только там, где имеется возможность подключения сразу обеих схем.

Подключение пульта осуществляется в соответствии со схемой, прилагаемой к частотному преобразователю. Перед началом монтажа и до подачи питания управляющий рычаг должен находиться в положении ВЫКЛЮЧЕНО. Когда рычаг переводится в положение ВКЛЮЧЕНО, это действие подтверждается световым индикатором. Во многих моделях запуск по умолчанию осуществляется путем нажатия на кнопку RUN. Постепенное наращивание оборотов электродвигателя производится медленным поворотом рукоятки пульта. По достижении необходимой скорости, рукоятка фиксируется в этом положении. Для переключения режима на обратное вращение существует кнопка реверса.

Самостоятельное изготовление частотного преобразователя

В последнее время широкое распространение в быту получили асинхронные электродвигатели малой мощности, используемые в приводах различных устройств. Поэтому чтобы не приобретать к ним дорогостоящее дополнительное оборудование, многие домашние мастера обеспечивают частотное регулирование электродвигателей путем изготовления преобразователей своими руками. Таким образом, достигается экономия электроэнергии с сохранением мощности двигателя.

Домашняя однофазная сеть позволяет подключать электродвигатель, мощность которого не превышает 1 кВт. Именно для таких агрегатов в основном и изготавливаются самодельные частотники. Нужно заранее продумать схему подключения треугольников, предназначенную для однофазной сети. С этой целью выводы обмоток последовательно соединяются между собой, по принципу подключения вывода одной обмотки к вводу другой. Также рекомендуется, чтобы схема частотного преобразователя, собираемого собственноручно, была составлена заранее.

Перед началом конструирования нужно подготовить все необходимые элементы и материалы. Можно воспользоваться любым микроконтроллером – аналогом модели АТ90РWМ3В и драйвером трехфазного моста, аналогичного модели IR2135. Кроме того, нужно запастись 6 транзисторами типа IRG4BC30W, 6 кнопками и индикатором. Все детали располагаются на двух платах, соединяемых между собой гибким шлейфом.

Конструкция частотного преобразователя дополняется импульсным блоком питания. Эту деталь можно приобрести в готовом виде или собрать своими руками по отдельной схеме. Контроль над работой двигателя осуществляется с помощью внешнего управляющего тока или микросхемы IL300, имеющей линейную развязку. Для монтажа транзисторов и диодного моста используется общий радиатор. Управляющие кнопки дублируются оптронами ОС2-4.

Если электродвигатель обладает небольшой мощностью, то устанавливать трансформатор на однофазный частотный преобразователь необязательно. Вместо него можно использовать токовый шунт, в котором провода имеют сечение 0,5 мм. К нему же подключается и усилитель DA-1, выполняющий дополнительную функцию измерения напряжения.

Обслуживание устройства в процессе эксплуатации

Выполнение обязательных рекомендаций способствует значительному увеличению сроков эксплуатации частотных преобразователей.

  • В первую очередь нужно выполнять своевременную очистку устройства изнутри от пыли. Основная процедура выполняется с помощью пылесоса, но полную очистку таким способом выполнить невозможно. Пылесос просто не справляется с толстыми и плотными слоями скопившейся пыли. Поэтому рекомендуется использовать компрессор или проводить чистку вручную.
  • Большое значение придается своевременной периодической замене элементов, деталей и узлов. Вентиляторы охлаждения рекомендуется менять через 2-3 года эксплуатации. Существуют сроки для предохранителей, внутренних шлейфов и других частей. При соблюдении этих сроков частотник для электродвигателя будет служить значительно дольше.
  • Необходимо в обязательном порядке контролировать внутреннею температуру и напряжение на шине. Слишком высокая температура приводит к негативным последствиям, когда разрушаются конденсаторы и начинает засыхать термопроводящая паста.
  • Пасту рекомендуется менять, не реже, чем один раз в три года. Температура окружающей среды не должна превышать 40 градусов, а влажность и концентрация пыли – допустимых пределов.

Преимущества частотников в асинхронных двигателях

Асинхронные двигатели обладают многими преимуществами по сравнению с устройствами постоянного тока. Они отличаются простотой конструкции и высокой надежностью. Поэтому для бытовых и промышленных целей чаще всего выбираются асинхронные агрегаты.

В настоящее время многие пользователи отказываются от механического управления током в процессе эксплуатации двигателей. Такой способ не гарантирует надлежащее качество работы оборудования. Вместо него уже давно используются частотные преобразователи. Электронное управление позволяет существенно сократить потребление электроэнергии, сохраняя при этом собственную мощность двигателя.

Эксплуатировать частотные преобразователи следует в соответствии с техническими характеристиками, отраженными в документации оборудования. Самодельные устройства рекомендуется использовать только в бытовых условиях, а на производстве применять аппаратуру заводского изготовления. Ремонт и обслуживание преобразователей должны выполнять только квалифицированные специалисты.

electric-220.ru

Частотный преобразователь для электродвигателя - устройство, принцип работы

Для несведущего человека словосочетание «частотный преобразователь для электродвигателя» звучит совершенно непонятно. Что это такое, какие частоты и во что он преобразовывает — даже и не хочется задумываться. А ведь подобные устройства занимают не последнее место по важности практически на любом производстве.

Да что промышленность, некоторые приборы и в быту не смогли бы так облегчать жизнь, как они это делают, не будь изобретен частотный преобразователь. Самый яркий тому пример — стиральная машина-автомат. Ведь все изменения скорости вращения барабана при стирке, полоскании или отжиме — это заслуга подобного устройства.

А электромоторы современных автомобилей — ведь и в них за скорость вращения отвечают преобразователи частоты. Кстати, тем, кто ездит на работу на таком виде транспорта, как трамвай и троллейбус, наверное, тоже будет интересно понять, как развивает обороты подобная техника. А значит, необходимо разобраться, что же такое частотный преобразователь, как он устроен и по какому принципу работает, и как сделать подобное устройство так, чтобы оно было понятно даже для чайников.

Внешний вид частотного преобразователя

Что такое частотник?

Под этим термином подразумевается частотный преобразователь для двигателя, то есть сложное техническое устройство, которое обладает возможностью преобразовывать входной переменный ток 50 Гц, меняя на выходе частоту. Если брать характеристики современных преобразователей, то параметры их работы могут колебаться в диапазоне от 1 до 800 Гц.

Многие могут спросить, для чего нужно такое преобразование частоты. Все просто — для плавного запуска и изменения оборотов любого электродвигателя. Как раз по этой причине и появляется разница в скорости вращения барабана современных стиральных машин.

Все преобразователи можно разделить на три основных типа – это однофазный аппарат, трехфазный и высоковольтный. Схема частотника любого из этих типов схожа, за исключением небольших нюансов.

Принцип работы высокочастотного преобразователя заключается в создании экономичного режима, при помощи которого появляется возможность управлять такими характеристиками, как привод, скорость и крутящий момент агрегата, согласовываясь с заданными параметрами и характером циклов.

Вместе с выполняемой основной работой, на жидкокристаллический экран, которым снабжен современный частотный преобразователь для асинхронного двигателя, выводится информация о параметрах; выходное значение частот, скоростей, мощностей, а так же крутящих моментов. Так же на нем отображается и информация о продолжительности функционирования.

Схема, отображающая принцип частотного преобразователя.

Схема, отображающая принцип частотного преобразователя

Преобразователь частоты для асинхронных двигателей по назначению, которое может быть:

  • Промышленным, с мощностями, не превышающими 315 кВт, с тремя фазами;
  • Частотники векторного управления, с мощностями, не превышающими 500 кВт, так же с тремя фазами;
  • С управлением аппаратами насосно-вентиляторного типа, с нагрузкой до 315 кВт;
  • Для работы с кранами и другими механизмами подъемного типа;
  • Применяемые во взрывоопасных областях;
  • Частотные преобразователи, монтируемые непосредственно на двигатели.

Строение современного преобразователя

Общая схема частотного преобразователя состоит из двух составляющих — это управляющая и силовая. Обычно вторая выполнена с использованием транзисторов или тиристоров. Основную работу по контролю выполняют микропроцессоры, которые посредством работы ключа, который замыкает, либо размыкает цепь, работая как привод. Он решает многие задачи, связанные не только с контролем работы двигателя, но и с защитой при возникновении внештатной ситуации, и с диагностикой оборудования.

Так же преобразователи частоты можно разделить на два типа по принципам их работы — с промежуточным звеном или без него.

Область применения каждого из типов и видов частотных преобразователей как раз и обусловлена преимуществами и недостатками, которыми они обладают.

Теперь, когда в общих чертах стал понятен принцип действия частотного преобразователя, имеет смысл разобраться с вопросом выбора подобного электропривода для частных целей.

Конечно, если известна электрическая схема преобразователя частоты, то вполне реально собрать подобный частотник своими руками, но это очень трудоемкий процесс, который под силу только профессионалу. Любитель, не знакомый со спецификой подобной работы не соберет самодельный инвертор.

Полная схема частотного преобразователя

Полная схема частотного преобразователя

Конечно, производитель заинтересован в снижении себестоимости изготавливаемой продукции, так сохраняется его конкурентоспособность и увеличивается прибыль. А потому он старается минимизировать затраты за счет уменьшения возможностей частотных преобразователей, в результате чего производятся агрегаты с минимальным функционалом, но по меньшей цене.

Как раз набор встроенных функций и может играть главную роль при выборе подобных устройств, так как от этого может зависеть и долговечность приобретаемого частотного преобразователя. А потому необходимо понять, какие функции будут важны, а какими можно поступиться в угоду кошельку.

Способ управления

По этому параметру асинхронный преобразователь частоты может быть скалярным или векторным. Вторые в наше время более распространены, но и стоимость их выше. Главное достоинство векторных частотных преобразователей в их регулировке, которая очень точна. У скалярных частотников простейшее управление, не способное к изменению частот в процессе работы двигателя, а, следовательно, и его скорости. Поэтому оптимальной станет установка подобных устройств на маломощные двигатели, например, вентиляторы. Он вполне обеспечит плавный пуск, минимизирует расход электроэнергии и продлит срок службы двигателя, но это все, на что он способен.

По мощности

Не возникает вопросов в том, что лучше агрегаты с большей мощностью. Хотя для бытового использования подобный показатель не слишком важен, главное, чтобы хватило для двигателя, на который будет устанавливаться приобретаемый частотный преобразователь.

Основное внимание следует обратить на марку агрегата. Идеальным будет вариант приобретения устройства, сделанного именно тем производителем, который выпустил и двигатель. От этого будет зависеть эффективность рабочего тандема. Да и присутствие поблизости фирменного центра обслуживания играет немаловажную роль.

Схема блока питания для частотного преобразователя.

Схема бока питания для частотного преобразователя

Напряжение в сети

Здесь, конечно же, главный критерий — широта рабочего диапазона напряжений. Все знают, как работает наша электросеть, где перепады временами бывают очень существенными, а потому подумать о безопасности оборудования при подобных неприятностях стоит заранее. Конечно, понижение в сети не доставит больших неприятностей, максимум – отключится частотник для трехфазного электродвигателя, а вот резкое повышение может привести к очень серьезным последствиям. Электролитические конденсаторы, скорее всего, не выдержат и взорвутся, что, естественно, приведет к выходу из строя устройства на долгое время.

Частотная регулировка

В этом вопросе решать придется каждому самому, исходя из области применения частотного преобразователя. К примеру, если частотник пойдет на шлифовальную машину, то, скорее всего, необходимый диапазон регулируемых частот составит 10–100 Гц. Особенность этого параметра в том, что если требуется действительно широкодиапазонный агрегат, то необходимо устройство векторного типа.

Дискретные входы

Для обеспечения формирования необходимой команды с блока управления в частотниках имеются специальные входы, называемые дискретными. Посредством их происходят все рабочие процессы в двигателе, то есть именно они управляют запуском, остановкой, разгоном и торможением, реверсом и т.п. Обратная связь, при помощи которой происходят операции контроля за состоянием и настройки, производится посредством аналоговых входов. По сути, большее количество подобных функций улучшает качество устройства, но в то же время и усложняет его настройки, и увеличивает ценовую категорию.

Варианты подключения электродвигателя

Варианты подключения электродвигателя

Соотношение цены и количества выводов

Конечно, необходимо присутствие выводов, как аналоговых, так и дискретных, без них невозможна работа частотного преобразователя и взаимодействие его с двигателем. К тому же большее их количество обеспечивает и лучшее взаимодействие агрегатов, но ведь и ценовую политику никто не отменял. Сложности в вопросе, как настроить инвертор, не столь существенны, так как при неспособности одного человека их произвести, всегда может найтись тот, кто выполнит подобную работу.

В общем, в этом вопросе каждый сам решает по мере своих финансовых возможностей.

Перегрузки и ШУ

ШУ или шина управления выбирается согласно схеме подключения устройства. Необходимо понимать, что входы и выходы должны быть в равных количествах, но, при этом, оптимальным будет небольшой запас, ведь оборудование, возможно, будет совершенствоваться.

При подборке частотного преобразователя желательно наличие документов по техническим характеристикам двигателя. Агрегат по номиналу должен быть мощнее двигателя как минимум на 10 %. Ну при отсутствии документации, если gпоказатели не известны, конечно, придется «угадывать» параметры приемлемого частотного преобразователя.

Области применения

Благодаря тому, что множество моделей современных частотников выполнены с применением высоких технологий, с внедрением в их схему микроконтроллеров увеличилось и количество выполняемых ими функций, практически вся работа по управлению и безопасности легла на них, с чем они вполне успешно справляются.

И тому подтверждение — практически во всех отраслях производств задействован именно векторный частотник для трехфазного электродвигателя на микроконтроллерах. Область применения подобных агрегатов:

  • Водоснабжение, теплоснабжение с изменением темпов передачи воды, как горячей, так и холодной. Теперь не требуется постоянное участие человека в регулировании этих процессов, так как встроенный микроконтроллер справляется со всем сам. Человеку остается лишь контроль.
  • Заводские условия машиностроения. Станки с числовым программным управлением прекрасно себя зарекомендовали.
  • Легкая текстильная промышленность так же постепенно наращивает количество станков, контролируемых подобными устройствами.
  • Энергетика и производство топлива.
  • Технологические процессы управленческой автоматики.
  • Насосы для водоотведения.

Для управления частотным преобразователем существуют специально созданные программы, которые поддерживают непрерывную связь с основным компьютером через беспроводные сети. Здесь же, на монитор, работающий с ними в связке, выводятся и все показатели, которые касаются состояния агрегата, проделанную работу и так далее, отсюда и осуществляется полное управление циклами, будь то запуск или остановка двигателя, ускорение, замедление или реверс. Естественно, что все данные архивируются и сохраняются на сервере и могут быть использованы по мере надобности.

Подобный обмен производится поэтапно, следуя алгоритму «идентификация – инициализация – управление». Такой принцип работы частотных преобразователей и обеспечивает им популярность.

И даже цены на устройства, обеспечивающие бесперебойное питание в наше время, зависят от наличия или отсутствия в них таких устройств, а потому, скорее всего и экономика, и энергетика должны показать более высокий и быстрый рост именно благодаря новейшим и высокотехнологичным разработкам частотных преобразователей.

Похожие статьи:

domelectrik.ru

Выбор частотных преобразователей, диапазон регулирования частоты

Нюансы выбора частотного преобразователя:

  • В том случае, если при выборе пользователь ошибся с мощностью, и она оказалась завышена, преобразователь не сможет защитить двигатель от возможного перегруза, скачков напряжения и прочих факторов.
  • Меньшая мощность не создаст условия для хорошей эффективности машины. Преобразователь с небольшой мощностью не сможет обеспечить высокую динамику рабочего режима насосной установки. Возникающие периодически перегрузки могут послужить причиной неисправности.

Факторы, на которые обращают внимание при выборе

Условия эксплуатации устройства являются существенным фактором, влияющим на сроки эксплуатации электродвигателя. Поэтому, выбирая преобразователь частоты, нужно обратить внимание на такие факторы:

  • границы рабочих скоростей электрического двигателя;
  • рабочие границы моментов вращения;
  • характер нагрузки;
  • циклограмму работы.

Все характеристики взаимосвязаны между собой. Так, нагрузка имеет несколько типов и связана с такими характеристиками, как скорость, момент и пусковой момент. Она бывает:

  • функциональной или служит для подъема грузов, например, мостовой кран, электродвигатель может быть подключен от ПЧ;
  • вязкая нагрузка;
  • нагрузка с высокой силой инерции;
  • нагрузка с передачей и накоплением энергии.

Скорости вращения и момента связаны со скоростью, моментом и параметрами времени, они зависят от следующих характеристик:

  • величина постоянного момента;
  • постоянная величина скорости;
  • уменьшающееся число крутящего момента;
  • уменьшающаяся скорость.

Характер нагрузки зависит от таких показателей, как:

  • ударная нагрузка;
  • постоянная нагрузка;
  • изменяющаяся периодами нагрузка;
  • высокий начальный момент;
  • низкий начальный момент.

Особенности при расчете ПЧ для электродвигателя

Прежде, чем выбрать преобразователь частоты выполняют выбор и расчет преобразователя частоты для электродвигателя. Обязательно обращают внимание на продолжительность скоростных режимов, в том числе и на повторно-кратковременный режим. Необходимо принимать во внимание мгновенную величину максимального тока и на длительность постоянного тока на выходе с преобразователя.

Важно учитывать максимальную и номинальную частоту. Принимается во внимание мощность или импендас силового распределительного трансформатора вместе с проводами линии электропередач или кабельной линией. Источник питания влияет на работу частотника и насосной установки, длина питающей линии оказывает влияние на потери напряжения. Учитываются возможные скачки напряжения, возможный перекос фаз при неравномерной нагрузке, влияющий на фазный дисбаланс.

Учитываются такие факторы, как механическое трение, потери в проводнике и изменение рабочего цикла.

Выбор частотных преобразователей на насосы

Важно произвести правильный расчет преобразователя частоты и совмещение его с насосной установкой. Расчет будет влиять на правильный выбор преобразователя. От этого зависит его эффективность и долговечность использования, как самого преобразователя, так и электропривода (насосной установки) полностью.

Как выбрать ПЧ перед тем, как его купить

Перед тем, как выбрать частотный преобразователь,проверяют электрическую совместимость с двигателем и нагрузочной способностью (мощностью).

Рис. №1. Структурная схема работы системы насосных агрегатов от преобразователя частоты VFD.

При работе преобразователя частоты с одним двигателем выбор проводят в зависимости от паспортных характеристик. При выборе учитываются такие показатели, как:

  1. Мощности по паспорту ПЧ и электродвигателя должны быть равными. Этот параметр действует в случае использования двигателей с двумя парами полюсов (2p=4), со скоростью вращения до 1500 об/мин, с постоянным моментом. Он же действует и для ПЧ, которые могут справиться с перегрузом в 150% (конвейеры, транспортерные ленты) и для преобразователей, работающих с перегрузом 120% (вентиляторы, центробежные насосы).
  2. Величина номинального тока должна быть равной и быть больше продолжительного фактического тока, который потребляется двигателем (тока нагрузки).

Важно: потребляемый двигателем ток должен быть меньше номинального тока преобразователя частоты, приведенного в спецификации.

Время разгона двигателя при пусковом токе 150% составляет 120% для преобразователей, специализирующихся в насосных агрегатах, от номинального ПЧ обычно не должно превышать 60сек.

  1. Входное напряжение сети должно удовлетворять преобразователь, он должен сохранять свою работоспособность при любых отклонениях напряжения от нормы.
  2. Диапазон регулирования частот, который может поддерживать преобразователь должен удовлетворять высокоскоростному режиму двигателя.
  3. Наличие дискретных входов управления необходимо для ввода различного рода команд, запрограммированных пользователем. Нужны и аналоговые, служат для ввода сигналов задания и для обратной связи. Необходимы и цифровые входы, служащие для высокочастотных сигналов, поступающих от энкордеров или цифровых датчиков скорости и положения.
  4. Число выходных сигналов служат для создания сложных схем для системы насосных станций.
  5. Возможность оперативного управления в рабочем режиме, это могут быть входы управления с помощью пульта. Или управление с помощью шины последовательной связи посредством контроллера или компьютера. Может быть это будет комбинированное управление.
  6. Выбор преобразователя зависит от предпочтения способа управления электродвигателем, скалярное или векторное управление. Зависит раздельного векторного управления двигателями или скалярное управление – поддержание одного постоянного отношения выходного напряжения к выходной частоте. Для насосных агрегатов более свойственен способ векторного управления.
  7. К более точным критериям выбора частотника принадлежит параметр, определяющий работу двигателя на установившейся скорости. При работе преобразователя с одним двигателем необходимая мощность для запуска рассчитывается по формуле:

Рис. №2. Формула расчета полной пусковой мощности.

Ток потребления двигателем от преобразователя при сетевом напряжении 220/380В рассчитывают по формуле:

Рис. №3. Расчет механических характеристик двигателя.

Важно: Руководствуясь требованием, как правильно выбрать преобразователь частоты по токовым характеристикам, требуется соответствие ПЧ всем нормам и требованиям, но нормами по мощности разрешается пренебречь.

Рис. №4. Таблица неравенств, которые необходимо соблюдать при выборе ПЧ для работы одного частотника с несколькими двигателями.

 Преимущества применения частотного преобразователя

Рис.№5. Преимущества выбора частотного преобразователя

К достоинствам частотного преобразователя относятся несколько важных качеств:

  1. Снижение пускового тока до фактической рабочей величины. Условия питания электрического двигателя напрямую от сети и питание от преобразователя отличаются. В первом случае, пусковой ток увеличивается не менее, чем в семь раз от номинального значения тока двигателя. Плавный пуск с постепенным плавным нарастанием частоты сетевого напряжения питания двигателя может быть понижен до фактического, потребляемого двигателем в установившемся рабочем режиме. Достигается это установкой времени разгона, если необходимо разогнать инерционную нагрузку преобразователь может обеспечить большую мощность, чем мощность двигателя.
  2. Существуют модели преобразователей, максимально ориентированных для работы на нагрузку с переменным моментом, а именно, для насосных станций, укомплектованных центробежными насосами. Номинальный ток преобразователя может быть более, чем на две ступени выше паспортных показателей двигателя.
  3. Использование частотного преобразователя для запуска насосных агрегатов дает экономию электроэнергии минимум 30%.

Недостатки векторных частотных преобразователей:

  1. Сложность настройки векторного преобразователя, необходима консультация специалиста. Производится учет параметров электродвигателя, в том числе и индуктивности.
  2. Технология использования электропривода должна подразумевать 100% точность, только в этом случае оправдан выбор ПЧ.
  3. Выбирая векторный преобразователь, нужно не забыть перейти со скалярного режима.
  4. Высокие требования к точности измерительных приборов и датчиков тока, что сказывается на стоимости.
  5. Векторный ПЧ желательно использовать для конкретного электродвигателя.

chistotnik.ru

Русские частотные преобразователи

Для того чтобы понять для чего используется частотный преобразователь, и тем более распределять частотники на категории, согласно стране-производителю, сначала не помешает разобраться что такое преобразователь частоты и зачем эту самую частоту преобразовывать.

Асинхронные двигатели уже давно работают на благо человечества. Практически ни один механизм, работающий на электрической энергии, не обходится без применения электрического двигателя.

До появления частотного инвертера, для работы асинхронного двигателя нужно было подводить в цех трёхфазное напряжение. Иногда это было не возможно по техническим причинам. В таких случаях, электрики использовали конденсаторы большой ёмкости, чтобы подключать трёхфазные двигатели. Такое решение, всегда приводило к сильной потере мощности электрического двигателя, а также обмотки двигателя начинали сильно перегреваться.

Всё это приводило к потере ресурса работы электрического двигателя, и установка часто оказывалась в ремонте.

Также, до появления инвертера частоты напряжения было невозможно плавно регулировать обороты вала электрического двигателя. Что часто приводило к полоскам механической части станков и прочего оборудования, которое работало за счёт вращения вала электрического двигателя.

Что изменилось с приходом в энергетику ЧП?

Неправильная работа электрического мотора без модуля управления (частотника) не давала покоя инженерам, и они создали преобразователь частоты. Благодаря этому хитрому прибору удалось полностью стабилизировать и подчинит себе работу электрического двигателя.

Благодаря манипуляциям с частотой переменного тока появилась возможность плавно регулировать обороты электрического двигателя. Также, проблемы с перегревом и потерей мощности ушли в прошлое, что позволило в разы увеличить отказоустойчивость всей установки и продлить срок полезной эксплуатации электрических двигателей.

Таким образом, если электрический двигатель, приводящий в движение гидронасос, работает при помощи частотника, то благодаря возможности плавного пуска двигателя, насос не создаёт гидроударов вовсе и системе гидравлики не выходит из строя так часто, как это происходило раньше, до начала применения частотников.

На сегодняшний день частотные инвертеры научились умному управлению электрическими двигателями, научились работать в централизированой системе управления цезами. Умеют контролировать все возможные параметры работы электрического двигателя, следить за его температурой и состоянием.

Подавляющее большинство моделей частотных инвертеров произведены за пределами России.

Но, не так давно отечественные производители начали догонять зарубежных инженеров и стали выпускать вполне серьёзные аналоги частотных инвертеров.

Русские частотные преобразователи

Как и зарубежные аналоги, русские частотники собираются только на основе наиболее качественных компонентов. Так как в России производятся далеко не все компоненты, которые необходимы для конструирования приборов, то некоторую часть деталей русские производители закупают заграницей.

Частотные преобразователи ВЕСПЕР

Чаще всего на рынке силового электрического оборудования можно встретить частотники компании «ВЕСПЕР». Это, пожалуй, самая распространенная фирма, так как именно она производит частотники самого широкого диапазона мощностей.

Таким образом, частотники Веспер могут питать двигатели от 0,75 до 315 кВт. Частотники Веспер широко применяются в общепромышленном направлении и работают практически во всех условиях.

В частотниках этого отечественного производителя реализованы передовые возможности (не хуже чем у зарубежных аналогов):

  • Защита двигателя.
  • ПИД-регулятор.
  • Вольт-частотное управление.
  • Русский интерфейс.
  • Аналоговые входы и выходы.
  • Цифровые входы и выходы.
  • ModBus.
  • Питание от обычной городской электрической сети.

К преимуществам отечественного производителя смело можно отнести наличие большого количества сервисных центров, где можно обслуживать оборудование. Производитель, расположенный в России обеспечивает свои приборы полным сервисом за наименьшие деньги. Нет необходимости содержать в России иностранных инженеров, работа которых на порядок дороже работы отечественных мастеров.Это, и многое другое позволяет существенно понизить расходы на обслуживание оборудования.

Немаловажным преимуществом является и постоянное наличие частотников всех моделей на складах российского производителя. Заводу не нужно договариваться с таможенной службой, не нужно искать логистов для обеспечения спроса новыми приборами. Они есть всегда, и оставить их из одного российского города в другой не представляет особого труда. Куда сложнее привезти импортное оборудование, которое собрано за пределами РФ и стоит дороже только потому, что за него плачены таможенные пошлины.

Одной из основных фишек отечественных производителей, это бесплатная доставка до терминалов транспортных компаний. У отечественных заводов есть корпоративные договоры с логистами, и доставка осуществляется большими партиями. Так что, для тех, кому не лень прокатиться до терминала, доставка не будет стоить и копейки.

На подавляющее большинство частотников отечественного производства распространяется гарантия в три года.

Частотные преобразователи ОВЕН

Вторыми по распространённости русские частотники это частотники компании «ОВЕН». Они встречаются не так часто как Веспер, но всё же занимают прочное второе место по частоте применения в промышленности. По своей структуре эти частотники ничем не отличаются от аналогов.

Но по стране производителю и таможенному пространству они существенно отличаются. Они на порядок дешевле, чем зарубежные аналоги именно потому, что собираются в России.

Производитель не тратит лишних денег на импорт, а собирает их тут, тут и продаёт. Также как и у всех других отечественных производителей частотных инвертеров, ОВЕН имеет большое количество сервисных центров по всей России, что существенно облегчат обслуживание приборов, как по гарантии, так и при коммерческом ремонте.

Недостатка приборов на складах дилеров не наблюдается. Изготовитель вполне обеспечивает потребности российской энергетики в этих частотниках. Чатотники ОВЕН представлены в менее широком диапазоне мощностей, всего до 90 кВт. Но это не мешает этой марке быть в троке лидеров продаж отечественных частотников.

Овен собирается только из качественных компонентов, некоторая часть которых закупается зарубежом. Но по большему счёту это русская разработка частотника.

Работает ОВЕН как от сети 220 вольт, так и от сети 380 вольт. Это делает частотники универсальными в применении.

Эти инвертеры часто можно встретить в самых влажных и пыльных помещениях. Именно они позволяют удлинить кабели, которыми подключаются двигатели, что позволяет устанавливать частотник в хорошей удалённости от питаемого им двигателя. Это позволяет существенно продлить срок службы частотника и уменьшить частоту периодических чисток прибора от пыли и прочих загрязнений.

Российский немец

В 2016-м году даже такой гигант электроники как Siemens начал собирать свои частотники в России. Но, это скорее немецкий частоник, просто собранный в России. А наша статья была о русских преобразователях частоты.

chistotnik.ru

Преобразователь частоты. Выбор и расчет преобразователя частоты для электродвигателя.

Выбор преобразователя частоты

При определении характеристик преобразователя частоты для заданной нагрузки первым шагом является рассмотрение нагрузочных характеристик. Существуют четыре различных способа расчета требуемых выходных параметров, при этом выбор способа зависит от характеристик электродвигателя.

Нагрузочные характеристики

Прежде чем определить типоразмер преобразователя частоты, необходимо провести различие между двумя наиболее широко используемыми нагрузочными характеристиками. Нагрузочные характеристики различаются между собой следующим образом:

Рис. 1. Постоянный и квадратичный нагрузочный момент

• Когда скорость центробежных насосов и вентиляторов увеличивается, потребляемая мощность возрастает в третьей степени (Р = n3).

• Обычный рабочий диапазон центробежных насосов и вентиляторов лежит в пределах скоростей от 50 до 90 %. Коэффициент нагрузки возрастает пропорционально квадрату скорости, т. е. приблизительно от 30 до 80 %.

Оба эти фактора проявляются в характеристиках крутящего момента электродвигателя, управляемого преобразователем частоты.

На рис 2 и 3 показаны характеристики крутящего момента для двух типоразмеров преобразователей частоты, один из них (рис. 3) имеет меньший диапазон мощности, чем другой. Для обеих характеристик крутящего момента были заданы одинаковые нагрузочные характеристики центробежного насоса.

На рис. 2 весь рабочий диапазон насоса (0-100 %) находится в пределах номинальных значений параметров двигателя. Поскольку обычный рабочий диапазон насоса находится в пределах 30-80 %, можно выбрать преобразователь частоты с меньшей выходной мощностью.

Рис. 2. Преобразователь частоты большой мощности

Рис. 3. Преобразователь частоты малой мощности

Если нагрузочный момент постоянен, электродвигатель должен быть способен развивать крутящий момент, превышающий нагрузочный момент, поскольку избыточный крутящий момент используется для разгона.

Для разгона и обеспечения высокого начального момента, например в случае привода ленточных транспортеров, достаточен кратковременный перегрузочный момент, составляющий 60 % от момента, развиваемого преобразователем частоты. Перегрузочный крутящий момент также обеспечивает системе способность преодолевать внезапные увеличения нагрузки. Преобразователь частоты, который не допускает никакого перегрузочного момента, должен выбираться таким образом, чтобы ускоряющий крутящий момент (TB) находился в пределах номинального крутящего момента.

Рис. 4. Перегрузочный крутящий момент используется для разгона

При определении нагрузочных характеристик рассматриваются четыре разных набора технических характеристик электродвигателя, позволяющие принять решения относительно выбора типоразмера преобразователя частоты по мощности.

1. Преобразователь частоты можно выбрать быстро и точно на основе значения тока lM, который потребляет электродвигатель. Если электродвигатель загружается не полностью, его ток может быть измерен при работе аналогичной системы с полной нагрузкой.

Рис. 5. Выбор преобразователя частоты на основе номинального тока

Пример расчета и выбора преобразователя частоты:

Электродвигатель 7,5 kW, 3 х 400 В потребляет ток 14,73 А.

Что касается технических данных преобразователя частоты, то выбирается такой преобразователь, у которого длительный максимальный выходной ток больше или равен 14,73 А при постоянной или квадратичной характеристике крутящего момента.

Примечание:

Если преобразователь частоты выбирается на основе мощности (способы 2-4), необходимо сравнить расчетную мощность и мощность, указанную в технических данных преобразователя частоты, при одном и том же напряжении. Если преобразователь частоты рассчитывается на основе тока (способ 1), этого не требуется, поскольку выходной ток преобразователя частоты влияет на другие данные.

2. Преобразователь частоты можно выбирать на основе полной мощности SM, потребляемой электродвигателем и полной мощности, подаваемой преобразователем частоты.

Рис. 6. Выбор преобразователя частоты на основе полной мощности

Пример расчета и выбора преобразователя частоты:

Электродвигатель 7,5 kW, 3x400 В потребляет ток 14,73 А. Sm =U х I х √3 / 1000 = 400 х 14.73 √3 / 1000= 10,2 кВА

Что касается технических данных преобразователя частоты, то выбирается такой преобразователь частоты, у которого длительная максимальная выходная мощность больше или равна 10,2 кВА при постоянной или квадратичной характеристике крутящего момента.

3. Преобразователь частоты можно также выбирать по мощности Рм, вырабатываемой электродвигателем. Однако данный способ является неточным, поскольку cos φ и коэффициент полезного действия η изменяются с нагрузкой.

Рис. 7. Выбор преобразователя частоты на основе стандартной серии электродвигателей

Пример расчета мощности электродвигателя

Электродвигатель мощностью 3 кВт, имеющий cos φ = 0,80 и η = 0,81, потребляет мощность SM= PM/(η х cos φ) = 3,0 / (0,80 х 0,81 )=4,6 кВА

Что касается технических данных преобразователя частоты, то выбирается такой преобразователь, у которого длительная максимальная выходная мощность больше или равна 4,6 кВА при постоянной или квадратичной характеристике крутящего момента.

4. На практике номинальная мощность большинства преобразователей частоты соответствует стандартной серии асинхронных электродвигателей. Поэтому преобразователи частоты часто выбирают исходя именно из этого соображения, что, однако, может привести к неточному определению их характеристик, особенно если электродвигатель не нагружается полностью.

Рис. 8. Выбор преобразователя частоты по выходной мощности на валу

Распределение тока в преобразователе частоты (cos φ (фи) электродвигателя)

Ток для намагничивания электродвигателя подается конденсатором, находящимся в промежуточной цепи преобразователя частоты. Ток намагничивания представляет собой реактивный ток, который протекает между конденсатором и электродвигателем (рис. 9).

Рис. 9. Токи в преобразователе частоты

Из сети поступает только активный ток (lW). Именно поэтому выходной ток преобразователя частоты всегда больше входного тока. Кроме активного тока из сети потребляется ток Iloss, (ток потерь).

Пример расчета

При отсутствии нагрузки ток 4-полюсного электродвигателя мощностью 1,1 кВт равен 1,6 А. Выходной ток подключенного преобразователя частоты составляет около 1,6 А, а входной ток при работе без нагрузки почти равен нулю.

Изготовители электродвигателей обычно указывают cos φ электродвигателя при номинальном токе. При меньшем значении cos φ (например, в случае реактивного синхронного электродвигателя) номинальный ток электродвигателя при одинаковых значениях мощности и напряжения будет больше, как видно из следующего уравнения:

IS = IW/ cos φ

Если преобразователь частоты выбирается по номинальному току электродвигателя (способ 1), то снижения номинального крутящего момента электродвигателя не происходит.

Конденсатор, подключенный к клеммам электродвигателя для компенсации реактивного тока, необходимо удалить. Ввиду высокой частоты коммутации преобразователя частоты конденсатор ведет себя как короткозамкнутая цепь и вызывает существенное увеличение тока электродвигателя. Преобразователь воспримет это как замыкание на землю или короткое замыкание и отключится.

Управление скоростью электродвигателя

Выходная частота преобразователя частоты и, следовательно, скорость электродвигателя управляются одним или несколькими сигналами (0-10 В, 4-20 мА или импульсами напряжения). Когда подается сигнал на увеличение скорости, скорость электродвигателя возрастает, и вертикальная часть характеристик крутящего момента электродвигателя сдвигается вправо (рис. 10).

Рис. 10. Зависимость между управляющим сигналом и характеристиками крутящего момента электродвигателя

Если нагрузочный момент меньше, чем номинальный крутящий момент электродвигателя, скорость достигнет требуемого значения. Как показано на рис. 11, нагрузочные характеристики пересекаются с характеристиками крутящего момента электродвигателя в вертикальной части (в точке А). Если пересечение происходит в горизонтальной части (точка В), скорость электродвигателя не может длительное время превышать соответствующее значение, Преобразователь частоты допускает превышение предельного тока короткого замыкания без отключения (точка С), но продолжительность превышения обязательно должна быть ограничена по времени.

Рис. 11. Ток электродвигателя может в течение короткого времени превышать предел по току

Рампы разгона и торможения

Характеристика (рампа) разгона показывает темп, с которым происходит увеличение скорости вращения, и задается в виде времени разгона tacc. Эти рампы базируются, главным образом, на номинальной частоте электродвигателя, например, рампа разгона 5 с означает, что преобразователю частоты потребуется 5 секунд для перехода от нулевой до номинальной частоты электродвигателя (f = 50 Гц).

Рис. 12. Время разгона и торможения

Рампа торможения показывает, насколько быстро снижается скорость. Она задается в виде времени торможения tdec.

Возможен непосредственный переход от разгона к торможению, поскольку электродвигатель всегда отслеживает выходную частоту инвертора.

Если известен момент инерции вала электродвигателя, можно вычислить оптимальные значения времени разгона и торможения.

tacc= J x (n2-n1)/[(Tacc – Tfric) x 9,55]

tdec = J x (n2-n1)/[(Tacc + Tfric) x 9,55]

J - момент инерции вала электродвигателя.

Tfric – момент трения системы.

Тасс - избыточный (перегрузочный) момент, используемый для разгона.

Tdec - тормозящий момент (момент торможения), который возникает при уменьшении задания скорости.

n1 и n2- скорости вращения на частотах f1 и f2.

Если преобразователь частоты допускает кратковременный перегрузочный момент, то моменты разгона и торможения устанавливаются равными номинальному крутящему моменту электродвигателя Т. На практике время разгона и время торможения обычно одинаковы.

Пример расчета

J = 0,042 кгм2, Tfric = 0,05 x MN , n1 = 500 об/мин, n2 = 1000 об/мин, ТN = 27 Нм

tacc = J х (n2 – n1)/ [(Тасс - Tfric) х 9,55] = 0,042 х (1000 - 500)/ [(27,0 - (0,05 х 27,0)) х 9,55] = 0,1 [с]

Динамическое торможение

Когда сигнал задания скорости снижается, электродвигатель ведет себя как генератор и тормозит. Замедление при торможении зависит от величины нагрузки электродвигателя.

Электродвигатели, подключенные непосредственно к сети, отдают мощность торможения обратно в сеть.

Если электродвигатель работает от преобразователя частоты, энергия торможения сохраняется в промежуточной цепи преобразователя частоты. Если мощность, выделяемая при торможении, велика и преобразователь частоты не может рассеять ее за счет собственной конструкции, напряжение промежуточной цепи возрастает.

Напряжение промежуточной цепи может расти до тех пор, пока преобразователь частоты не будет отключен средствами защиты, и иногда к промежуточной цепи приходится подключать нагрузку в виде тормозного модуля и внешнего резистора для поглощения мощности торможения.?

Использование тормозного модуля и тормозного резистора позволяет осуществлять быстрое торможение при больших нагрузках. Однако, при этом возникают проблемы, связанные с нагревом. Другим решением является использование блока рекуперативного торможения. Такие блоки применяются для преобразователей частоты с неуправляемым выпрямителем и возвращают энергию торможения в питающую сеть.

В преобразователях частоты с управляемыми выпрямителями мощность торможения может возвращаться в сеть (см. рис. 13) с помощью, например, инвертора, подключенного к выпрямителю встречно-параллельно.

Рис. 13. Включение тормозного модуля и тормозного резистора

Рис. 14. Инвертор, включенный встречно-параллельно

Другой способ торможения электродвигателя - торможение постоянным током. Для создания магнитного поля в статоре используется напряжение постоянного тока, подаваемое между двумя фазами электродвигателя. Поскольку энергия торможения остается в электродвигателе и возможен перегрев, торможение постоянным током рекомендуется использовать в диапазоне низких скоростей, чтобы не превышать номинальный ток электродвигателя. Обычно торможение постоянным током ограничивается во времени.?

Реверс

Направление вращения асинхронных электродвигателей определяется порядком следования фаз питающего напряжения.

Если поменять местами две фазы, направление вращения электродвигателя изменится, и он будет вращаться в противоположном направлении.

Большинство электродвигателей сконструировано таким образом, чтобы заставить вал двигателя вращаться по часовой стрелке, если соединение выполнено следующим образом:

Рис. 15. Направление вращения электродвигателя изменяется путем изменения порядка следования фаз

Этому же правилу отвечает и порядок следования фаз на выходных клеммах большинства преобразователей частоты.

Преобразователь частоты может осуществлять реверс электродвигателя путем изменения порядка следования фаз с помощью электроники. Реверс производится либо путем задания отрицательной скорости, либо цифровым входным сигналом. Если при первоначальном вводе в эксплуатацию требуется, чтобы электродвигатель имел определенное направление вращения, необходимо знать заводскую настройку преобразователя частоты по умолчанию.

Поскольку преобразователь частоты ограничивает ток электродвигателя номинальным значением, двигатель, управляемый преобразователем частоты, можно реверсировать чаще, чем двигатель, подключенный непосредственно к сети.

Рис. 16. Тормозной момент преобразователя частоты во время реверса

Рампы

Все преобразователи частоты имеют функции изменения скорости (рампы) для обеспечения плавной работы. Эти рампы можно изменять, и благодаря им задание скорости можно увеличивать или уменьшать в определенном интервале.

Рис. 17. Регулируемое время разгона и торможения

Угол наклона характеристики разгона/торможения (длительность разгона/торможения) можно установить таким малым, что в некоторых ситуациях электродвигатель не сможет отработать задание (не сможет разогнать/затормозить двигатель за заданное время).

Это приводит к увеличению тока электродвигателя до тех пор, пока не будет достигнут предел по току. В случае малого времени замедления (t-а) напряжение промежуточной цепи способно возрасти до такого уровня, что схема защиты преобразователя частоты остановит преобразователь.

Оптимальное время изменения скорости можно вычислить по приведенным ниже формулам.

ta = J x n/[(TN-Tfric)x9,55]

t-a = J x n/[(TN+Tfric)x9,55]

ta - время увеличения скорости

t-a- время уменьшения скорости

n - число оборотов

TN - номинальный крутящий момент электродвигателя

Tfric - момент трения

Рис. 18. Установка времени изменения скорости

Время разгона/торможения обычно выбирается исходя из номинальной скорости электродвигателя.

Текущий контроль

Преобразователи частоты могут контролировать регулируемый процесс и вмешиваться в него при неисправности.

Такой контроль может быть разделен на три вида в зависимости от объекта: контроль технологической установки, контроль электродвигателя и контроль преобразователя частоты.

Контроль установки основан на контроле выходной частоты, выходного тока и крутящего момента электродвигателя. На основании этих параметров можно устанавливать несколько пределов, превышение которых воздействует на функцию управления. Этими пределами могут быть допустимая наименьшая скорость электродвигателя (минимальная частота), допустимый наибольший ток (предел по току) или допустимый наибольший крутящий момент электродвигателя (предельный крутящий момент).

Преобразователь частоты может быть запрограммирован, например, на подачу предупреждающего сигнала, уменьшение скорости электродвигателя или останов последнего в случае выхода его скорости за установленные пределы.

Пример

В установках, использующих для соединения электродвигателя с остальной частью системы клиновой ремень, преобразователь частоты может программироваться на контроль состояния этого ремня.

Поскольку в случае разрыва ремня выходная частота будет увеличиваться быстрее, чем определяется заданной рампой, в таких ситуациях можно использовать эту частоту для подачи предупреждения или останова электродвигателя.

Контроль электродвигателя можно производить с помощью преобразователя частоты путем мониторинга тепловой модели электродвигателя или путем подключения к электродвигателю термистора. Преобразователь частоты может предотвращать перегрузку электродвигателя, действуя подобно термореле. В вычислениях, производимых преобразователем частоты, участвует и выходная частота. Это гарантирует, что электродвигатель не будет перегружаться на малых скоростях из-за ухудшения внутренней вентиляции. Современные преобразователи частоты также способны защищать электродвигатели с принудительной вентиляцией, если ток становится слишком большим.

Контроль преобразователя частоты традиционно производится таким образом, что в случае перегрузки по току преобразователь отключается. Некоторые преобразователи допускают кратковременную перегрузку по току. Микропроцессор в преобразователе частоты способен одновременно учитывать значение тока электродвигателя и время его приложения, что обеспечивает возможность оптимального использования преобразователя частоты без перегрузки.

По материалам Danfoss

www.eti.su


Смотрите также