Принцип работы частотника для электродвигателя

Что такое преобразователь частоты и для чего он нужен?

Для регулирования работы асинхронного двигателя с целью не допустить снижения его КПД применяют специальные устройства – частотные преобразователи. Их работа заключается в том, что они плавно изменяют скорость вращения двигателя, с помощью смены частоты питающего напряжения.

В данной статье мы постараемся рассмотреть ряд незаметных, на первый взгляд, особенностей в работе асинхронного электродвигателя и проанализируем, насколько важно в ходе его эксплуатации использовать частотный преобразователь.

Что может привести к неисправности?

В асинхронном двигателе напряжение для работы чаще всего поступает через последовательно включенный автоматический выключатель. То сесть данный способ запуска двигателя по другому называется — плавный пуск. Таким образом это провоцирует высокий рост тока пусковой обмотки, что для оборудования закончится весьма плачевно.

Частотный преобразователь имеет к этому важное отношение – он контролирует ток электродвигателя. Формируя необходимое напряжение нужной амплитуды и частоты, частотник подает их на двигатель. Поясним – в процессе его запуска преобразователь отдает не полную частоту, скажем, в 50 Герц, а где-то 0,1Гц (или чуть больше). То же самое и с напряжением – не все 220 В или 380 В, а около 20-30 (смотря, какие выставлены настройки).

Принцип работы преобразователя частоты для электродвигателя

Все это позволяет пропускать через обмотку статора ток оптимального значения, не выше номинального показателя, чтобы создать магнитное поле, которое, в свою очередь, вместе с созданным в обмотке током создаст крутящий момент. Что касается принципов изменения характеристик напряжения, то подробно об этом, а также о критериях выбора частотника, вы можете прочесть здесь, в одной из других наших статей. Кстати, если говорить о критериях выбора, то отметим также, что выходные токи преобразователя частоты должны быть ниже тока полного режима нагрузки.

Выше мы описывали старт двигателя. Что касается разгона, то в ходе этого процесса преобразователь плавно повышает частоту и величину поступаемого напряжения, тем самым разгоняя двигатель. Главное – настроить частотник таким образом, чтобы времени на разгон уходило как можно меньше, а ток обмотки статора не был выше её номинального значения. Кроме того, важно поддерживать достаточный крутящий момент на валу.

Почему без преобразователя не обойтись? Главные преимущества его использования

Итак, преобразователь частоты дает следующие преимущества при управлении асинхронным двигателем:

1. Плавный пуск и остановка электропривода
2. Управление производительностью оборудования
3. Установка оптимальных режимов работы
4. Взаимное согласование электроприводов в сложных системах

Самые важные – это 1 и 2 пункты. Почему именно они?

Плавный пуск позволяет наращивать скорость постепенно, что позволяет не допустить скачков тока. Неконтролируемые скачки опасны, так как при прямом пуске они превышают номинальные показатели в 5-7 раз, что может спровоцировать высокую нагрузку на электросеть, защитит оборудование от перегрузок и сэкономит деньги на затратах электроэнергии.

Что касается управления производительностью, то в этом случае преобразователь частоты контролирует скорость работы электродвигателя с учетом «реальных нужд» в системе в целом. Это также помогает напрасно не тратить энергию и гарантирует её экономию в 30-60%.

Помимо 4-х основных преимуществ описанных выше, использование преобразователя обеспечивает следующие преимущества:

• Понижение величины пусковых токов в 4-6 раз
• Регулировка частоты и напряжения с экономией до 50% электроэнергии
• Самостоятельное выключение контактора, снятие напряжения и с его плавной подачей в звено постоянного тока
• Устранение ударных нагрузок, защита двигателя от механической перегрузки, либо недогрузки
• Понижение общего числа ненужных отключений при ударных нагрузках
• Обеспечение нужной величины и частоты при запуске оборудования, поддержание обратной связи смежных приводов
• Контроль скорости вращения ротора и анализ работы двигателя

Классификация частотных преобразователей

В первую очередь, данные устройства различаются по режимам работы:

• Амплитудно-частотное регулирование (скалярное) – применяются в обычных установках с вентиляторами, насосами, тележками, транспортерами и т.д. где не требуется стабилизация оборотов двигателя
• Векторное регулирование – используются на любом оборудовании, где возможны резкие изменения крутящего момента на валу, причем в большом диапазоне и где нужна высокая стабильность оборотов на валу электродвигателя.

По типу питания:

• Низковольтный 0,4 кВ
• Среднее напряжение 0,69 кВ
• Высоковольтный 6 и 10 кВ

Также данные устройства бывают с промежуточным звеном (связью) и без него. О характере работы таких устройств читайте тут, в ещё одной нашей статье.

Настройка

Настройка преобразователей выполняется строго по инструкции производителя и с учетом особенностей задачи, которая решается посредством оборудования, в котором установлен двигатель.

Например, если применяется асинхронный двигатель скалярного типа, то амплитуду сигнала и выходную частоту устанавливают по определенной формуле. Для других видов двигателя обычно используют датчики скорости вращения вала двигателя. Последовательность этапов алгоритма настройки мы перечислили здесь, в другом нашем материале.

Можно ли отказаться от частотных преобразователей?

Можно. Но лучше этого не делать. Безусловно, скорость вращения можно также регулировать и при помощи гидравлической муфты или механического вариатора и других. Но данные приспособления неэкономичны (а в промышленности это крайне важно!), у них узкий диапазон регулирования, что доставляет серьезные неудобства в ходе эксплуатации, а также они гораздо быстрее выйдут из строя.

Итоги: почему нужно использовать преобразователи частоты?

Вот основной перечень преимуществ для работы оборудования, которые вы получаете, используя преобразователи:

• Плавный пуск и плавную остановку оборудования
• Эффективную защиту от перегрузок и бросков напряжения
• Возможность эксплуатации оборудования с большими номинальными сетевыми напряжениями и токами
• Понижение энергопотребления
• Стабильность технологического процесса и улучшение КПД

Итак, это наиболее важная информация о частотных преобразователях, которую мы хотели до вас донести. В завершение скажем о том, от чего зависит стоимость и на что стоит обращать внимание при выборе. Это такие факторы, как марка производителя, модель и тип управления преобразователем. Также стоит обращать внимание при выборе на тип и уровень мощности двигателя, его диапазон и точность, а также степень точности поддержки крутящего момента.

Принцип работы частотного преобразователя и критерии его выбора для потребителя

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором является сегодня самым массовым и надежным устройством для привода различных машин и механизмов. Но у каждой медали есть и обратная сторона.

Два основных недостатка асинхронного двигателя – это невозможность простой регулировки скорости вращения ротора, очень большой пусковой ток — в пять, семь раз превышающий номинальный. Если использовать только механические устройства регулирования, то указанные недостатки приводят к большим энергетическим потерям и к ударным механическим нагрузкам. Это крайне отрицательно сказывается на сроке службы оборудования.

Частотный преобразователь

В результате исследовательских работ в этом направлении родился новый класс приборов, позволивший решить эти проблемы не механическим, а электронным способом.

Частотный преобразователь с широтно–импульсным управлением (ЧП с ШИМ) снижает пусковые токи в 4-5 раз. Он обеспечивает плавный пуск асинхронного двигателя и осуществляет управление приводом по заданной формуле соотношения напряжение / частота.

Частотный преобразователь дает экономию по потреблению энергии до 50%. Появляется возможность включения обратных связей между смежными приводами, т.е. самонастройки оборудования под поставленную задачу и изменение условий работы всей системы.

Принцип работы частотного преобразователя

Частотный преобразователь с ШИМ представляет собой инвертор с двойным преобразованием напряжения. Сначала сетевое напряжение 220 или 380 В выпрямляется входным диодным мостом, затем сглаживается и фильтруется с помощью конденсаторов.

Это первый этап преобразования. На втором этапе из постоянного напряжения, с помощью микросхем управления и выходных мостовых IGBT ключей, формируется ШИМ последовательность определенной частоты и скважности. На выходе частотного преобразователя выдаются пачки прямоугольных импульсов, но за счет индуктивности обмоток статора асинхронного двигателя, они интегрируются и превращаются наконец в напряжение близкое к синусоиде.

Критерии выбора частотных преобразователей

Выбор по функциям

Каждый производитель пытается обеспечить себе конкурентное превосходство на рынке. Первое правило для обеспечения максимума продаж – это низкая цена. Поэтому производитель стремиться включить в свое изделие только необходимые функции. А остальные предлагает в качестве опций. Прежде чем купить частотный преобразователь, определитесь, какие функции вам нужны. Стоит выбирать тот прибор, который имеет большинство необходимых функций в базовом варианте.

По способу управления

Сразу отбрасывайте те преобразователи, которые не подходят по мощности, типу исполнения, перегрузочной способности и т.д. По типу управления, нужно определиться, что выбрать, скалярное или векторное управление.

Большинство современных частотных преобразователей реализуют векторное управление, но такие частотные преобразователи дороже, чем частотные преобразователи со скалярным управлением.

Векторное управление дает возможность более точного управления, снижая статическую ошибку. Скалярный режим только поддерживает постоянное соотношение между выходным напряжение и выходной частотой, но например, для вентиляторов это вполне достаточно.

По мощности

Если мощности оборудования примерно одинаковы, то выбирайте преобразователи одной фирмы с мощностью по мощности максимальной нагрузки. Так вы обеспечите взаимозаменяемость и упростите обслуживание оборудования. Желательно, чтобы сервис центр выбранного частотного преобразователя был в вашем городе.

По сетевому напряжению

Всегда выбирайте преобразователь с максимально широким диапазоном напряжений как вниз, так и вверх. Дело в том, что для отечественных сетей само слово стандарт может вызвать только смех сквозь слезы. Если пониженное напряжение приведет, скорее всего, к отключению частотного преобразователя, то повышенное может вызвать взрыв сетевых электролитических конденсаторов и входу прибора из строя.

По диапазону регулировки частоты

Частотный преобразователь Верхней предел регулировки частоты важен при использовании двигателей с высокими номинальными рабочими частотами, например для шлифовальных машин ( 1000 Гц и более). Убедитесь, что диапазон частот соответствует вашим потребностям. Нижний предел определяет диапазон регулирования скорости привода. Стандарт – это 1:10. Если вам нужен более широкий диапазон, то выбирайте только векторное управление, запросите параметры привода у производителя. Даже заявленный предел от 0 Гц, не гарантирует устойчивую работу привода.

По количеству входов управления

Дискретные входы нужны для ввода команд управления ( пуск, стоп, реверс, торможение и т.д.). Аналоговые входы необходимы для ввода сигналов обратной связи (регулировки и настройки привода в процессе работы). Цифровые входы нужны для ввода высокочастотных сигналов от цифровых датчиков скорости и положения (энкодеров). Количество входов много не бывает, но чем больше входов, тем сложнее систему можно построить, и тем она дороже.

По количеству выходных сигналов

Дискретные выходы используются для выхода сигналов о различных событиях (авария, перегрев, входное напряжение выше или ниже уровня, сигнал ошибки ит.д.). Аналоговые выходы используются для построения сложных систем с обратными связями. Рекомендации по выбору аналогичны предыдущему пункту.

По шине управления

Оборудование, с помощью которого вы будете управлять частотным преобразователем должно иметь ту же шину и количество входов выходов что и выбранный вами частотный преобразователь. Предусмотрите некоторый запас по входам и выходам для дальнейшей модернизации.

По сроку гарантии

Срок гарантии косвенно позволяет оценить надежность частотного преобразователя. Естественно, нужно выбирать частотный преобразователь с большим сроком. Некоторые производители оговаривают особо случаи поломок, которые не являются гарантийными. Всегда тщательно читайте документацию и посмотрите в интернете отзывы о моделях и производителях оборудования. Это поможет правильному выбору. Не жалейте денег на качественный сервис и обучение персонала.

По перегрузочным способностям

В первом приближении, мощность частотного преобразователя нужно выбирать на 10-15% больше мощности двигателя. Ток преобразователя должен быть больше номинального тока двигателя и чуть больше тока возможных перегрузок.

В описании на конкретный механизм обычно указывают токи перегрузок и длительность их протекания. Читайте документацию! Это вас развлечет, и возможно, обезопасит от поломок оборудования в будущем. Если для привода характерны еще и ударные (пиковые) нагрузки (нагрузки в течении 2-3 сек), то необходимо выбрать преобразователь по пиковому току. Опять возьмите запас 10%.

По теме

Преобразователь частоты для трехфазного двигателя

Трехфазные асинхронные электродвигатели – самые распространенные электрические машины. Их отличают небольшие габариты при значительной мощности, простота конструкции, низкая стоимость. До появления частотных регуляторов применение этих устройств ограничивали высокие пусковые токи, сложные схемы регулирования скорости вращения ротора.

Ранее для этого применялись:

• Механические устройства (муфты, редукторы и т.д.).
• Электрические схемы, изменяющие величину питающего напряжения.

Такие методы не обеспечивали точность, жесткие механические характеристики электродвигателя во всем диапазоне регулирования вызывали значительные потери мощности. В качестве электропривода ответственного оборудования применялись электрические машины постоянного тока, а также двигатели с фазным ротором.

С появлением высоковольтных транзисторов и тиристоров стал возможным серийный выпуск частотных преобразователей для асинхронных электродвигателей мощностью до десятков МВт. Частотно-регулируемый электропривод отвечает всем современным требованиям:

• Максимально возможный К.П.Д. (свыше 90%).
• Надежность и простота управления.
• Высокая ремонтопригодность.
• Широкий диапазон и плавное регулирование скорости вращения, углового положения вала, разгона и торможения, момента силы и других параметров.
• Высокая энергоэффективность.
• Изменение характеристик в зависимости от фактической нагрузки на валу.
• Помехоустойчивость и быстрое устранение ошибок.
• Снижение тока при запуске до 100-200% от номинального.

Применение преобразователей частоты позволяет заменить дорогостоящие электромоторы переменного тока с фазным ротором и двигатели постоянного тока на дешевые асинхронные машины с короткозамкнутым ротором.

Принцип работы частотного преобразователя

Принцип частотного регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты напряжения, поданного на обмотки статора. ПЧ состоит из силовой и управляющей части. Первая состоит из управляемого или неуправляемого выпрямителя, конденсатора и инвертора. Переменное напряжение сети поступает на выпрямитель, где преобразуется в постоянное. Пульсация получаемого напряжения сглаживается на конденсаторе. Далее постоянное напряжение инвертируется в переменное и поступает в цепь питания электродвигателя.

Постоянная составляющая и высшие гармоники сглаживаются на обмотках двигателя. При необходимости между ПЧ и электрической машиной включают L-фильтры.

Частота и амплитуда напряжения в выходной цепи зависит от управляющих импульсов, отпирающих и запирающих транзисторные ключи инвертора.

Управляющая часть содержит микроконтроллер. Функции этого устройства – формирование управляющих сигналов в соответствии с заданной программой, обработка информации с датчиков, подача сигналов на внешние устройства. Кроме того, в состав управляющей схемы могут входить устройства связи, конвертор интерфейсов, дополнительная память.

Типы сигналов управления

Частотный преобразователь имеет входные и выходные клеммы для подключения датчиков, внешних устройств управления, сигнализации и контроля. Для управления частотно-регулируемым приводом используют следующие сигналы:

• Цифровые(0-5; 0-10 В). Служат для обмена данными с ПК, а также оборудованием удаленного контроля по протоколам САN, RS232, LАN и так далее.
• Аналоговые (0-10 В; 0-20 мА). К таким входам подключают датчики, устройства управления с соответствующим уровнем выходного сигнала.
• Релейные. Предназначены для включения устройств оповещения, сигнальных ламп, звуковой сигнализации, тормозных электромагнитных муфт и т.д.
• Дискретные (0-10 В; 0-20 мА). Для подключения устройств с 2 положениями.

Как правильно подобрать преобразователь частоты для трехфазного двигателя

Выбор ПЧ делают по следующим критериям:

• Способу управления. Различают векторный и скалярный способ управления электродвигателями. Последний применяется для низкопроизводительных вентиляторов, насосных агрегатов, компрессоров. Для лифтов, кранового оборудования и других устройств, требующих точной регулировки с обратной связью по нескольким характеристикам, применяют векторные ПЧ.
• Диапазону регулирования скорости и момента. Он должен соответствовать требованиям к оборудованию.
• Номинальному току, электрической мощности и напряжению. При этом учитывают максимальное значение величин этих характеристик. Рекомендуемый запас мощности ПЧ составляет 15-20%. На двигателе обычно указывают 2 значения напряжения при подключении в звезду или треугольник. Необходимо подобрать преобразователь с номинальным напряжением, соответствующим типу соединения обмоток.
• Количеству аналоговых, цифровых и релейных входов и выходов. Для упрощения последующей модернизации системы управления электроприводом необходимо подобрать преобразователь частоты с большим количеством разъемов.
• Электромагнитной совместимости. Частотный преобразователь является источником высших гармоник и электромагнитных помех. При выборе этого устройства необходимо учесть электромагнитную совместимость с другим оборудованием. При необходимости применять экранированные кабели и фильтры.
• Классу пылевлагозащищенности IP. При невозможности подобрать подходящий ПЧ, устройство, несоответствующее условиям монтажа, устанавливают в электротехнические шкафы, обеспечивающие необходимую защиту от пыли и влаги.
• Возможности подключения нескольких электродвигателей. Для подключения двух или более однотипных двигателей иногда достаточно одного преобразователя частоты.
• Наличию информационного дисплея, пульта дистанционного управления, поддерживаемым протоколам обмена данными, другим дополнительным функциям.

Самостоятельное подключение ПЧ

Подключение частотных преобразователей может осуществляться собственным электротехническим персоналом предприятия. При этом руководствуются технической документацией и следующими правилами:

• Класс ЭМС ПЧ должен соответствовать аналогичной характеристике другого электрооборудования. Для достижения этого требования используют РЧ-фильтры и экранируемые кабели.
• Электродвигатели, для плавного пуска которых применялось переключение “звезда-треугольник”, подключают по одной рабочей схеме.
• ПЧ защищают трехфазным автоматическим выключателем и плавкими предохранителями, включаемыми перед устройством.
• Все управляющие кабели прокладывают раздельно. Также запрещена совместная прокладка силовой и контрольной линии.
• Датчик температуры обмоток подключают к соответствующему входу ПЧ.
• Недопустимо включение конденсаторных фильтров между частотником и электродвигателем. Для компенсации реактивной составляющей используют индуктивные устройства.
• При наличии принудительного охлаждения электродвигателя, управляющую цепь также подключают к ПЧ, который обеспечивает одновременный запуск охлаждающего вентилятора и электродвигателя.
• При установке ПЧ в шкафах управления должна быть обеспечена хорошая вентиляция и охлаждение корпуса устройства.

Частотные преобразователи применяются во всех сферах промышленности и народного хозяйства, а также для бытового электропривода. Их применение снижает потребление электроэнергии, позволяет заменить дорогие электрические машины на простые и дешевые двигатели асинхронного типа, упростить схемы автоматического управления.

Как работает частотный преобразователь

Частотный преобразователь — сложное электронное устройство, принцип работы которого основан на множестве взаимосвязанных механизмов. Попробуем разобрать всё по полочкам. Каждый преобразователь — уникальный механизм с определённым расположением механизмов и предназначением. Но некоторынее части основные части остаются неизменными. Входной неуправляемый выпрямитель. Благодаря ему напряжение сети (220 или 380 V) выпрямляется диодным мостом. Конденсаторы. Совершают второй шаг после выпрямителя — фильтруют и сглаживают напряжение. СУИ ШИМ. Функция ШИМ состоит в формировании заданной последовательности импульсов определённой частоты (заданной пользователем или производителем). Это происходит за счёт управляемых микросхем и IGBT ключей.

Заданная цель каждого частотного преобразователя — интеграция и преобразование напряжения в график, близкий к синусоиде, достигается в самом конце. Прямоугольные пачки импульсов, выходящие из частотного преобразователя, превращаются в синусоидальное напряжение за счёт самого асинхронного двигателя — механизма, к которому он подключается, а именно способности его обмоток к индуктивности.

На схеме вы можете увидеть правильное подключение преобразователя по требованиям ЭМС. Не забывайте об основных требованиях эксплуатации: влажности менее 90%, недопустимости проникновения воды, воздействия электромагнитных импульсов вблизи устройства. Важно обеспечить хорошую вентиляцию в помещении с установленным преобразователем.

Таким образом, частотный преобразователь даёт массу преимуществ пользователям асинхронных двигателей. Особенно полезны они станут владельцам заводов и фабрик, которые уже давно используют преобразователи и получают массу плюсов, окупающих приобретение. При правильном подключении и использовании, пусковые токи можно уменьшить в 4-5 раз. Экономия электроэнергии даже для трёхфазных и более систем может составлять 50% и более. Самостоятельная настройка оборудования становится намного легче, появляется возможность установки обратных связей между смежными проводами.