Частотный преобразователь для электродвигателя и принцип работы

Рекомендации по покупке частотных преобразователей

Покупка частотного преобразователя является достаточно ответственным делом, ведь подобные устройства стоят достаточно дорого и на них возлагаются очень серьезные задачи, поэтому некорректность работы оборудования может привести не только к финансовым потерям, но и остановке всего производства или других работ.

Перед тем как покупать преобразователь частот, необходимо:

• Определиться с параметрами, которые будут соответствовать вашему электродвигателю.
• Составить рабочую схему, по которой будет осуществляться монтаж и подключение оборудования.
• Выбрать дополнительные модели, которые будут подключаться к самому преобразователю.
• Закупить все необходимые кабеля, крепления и каркасы, необходимые для установки.
• Подготовить рабочую площадку для монтажа. Возможно, нужно будет оборудовать дополнительные источники питания или реорганизовать производственное оборудование для возможности его подключения к преобразователю.

Многие в связи с дороговизной преобразователей частот покупают б/у устройства. Такой подход более рискованный, чем покупка новой продукции, но позволяет сэкономить некоторую сумму денег.  Если вы также решили купить бывший в употреблении преобразователь, то стоит его тщательно проверять не только по внешним признакам, но и в работе. Лучше всего, если продавец не будет демонтировать его со своего объекта и сможет продемонстрировать его работоспособность на практике.

2 Рекомендации по выбору и установке оборудования

Если используемый вами насос не обладает встроенным частотным преобразователем, то приобрести и установить такой регулятор мощности можно самостоятельно. Как правило производители насосов в техническом паспорте указывают, какой конкретно преобразователь подойдет к данном модели оборудования.

Если же рекомендаций нету, и выбор прибора полностью лег на ваши плечи, руководствуйтесь следующими критериями:

1. Мощность — преобразователь напряжения всегда подбирается исходя из мощности электропривода, к которому он подключается.
2. Входное напряжения — указывает на силу тока, при которой преобразователь остается работоспособным. Тут необходимо выбирать с оглядкой на колебания, которые могут быть в вашей электросети (пониженное напряжение приводит к остановке прибора, при повышенном он может попросту выйти из строя). Также учитывайте тип двигателя насоса — трех, двух или однофазный.
3. Диапазон частот регулировки — для скважинных насосов оптимальным будет диапазон 200-600 Гц (зависит от изначальной мощности насоса), для циркуляционных 200-350 Гц.
4. Количество ходов и выходов управления — чем их больше, тем больше команд и, как следствие, режимов работы преобразователя в сможете настроить. Автоматика позволяет задать скорость оборотов при пуске, несколько режимов максимальных оборотов, темпы разгона и т.д.
5. Способ управления — для скважинной насосной станции удобнее всего будет выносное управление, которое можно расположить внутри дома, тогда как для циркуляционных насосов отлично подойдет преобразователь с пультом ДУ.

Циркуляционный насос Грундфос с частотным преобразователем

Если вы отсеяли все представленные на рынке приборы и столкнулись с тем, что подходящего по характеристикам оборудования попросту нет, необходимо сузить критерии выбора до ключевого фактора — потребляемого двигателем тока, по которому подбирается номинальная мощность преобразователя.

Также выбирая блок управления частотой, особенно от отечественных либо китайских производителей, учитывайте срок гарантийного обслуживания. По его продолжительности можно косвенно судить о надежности техники.

Пару слов о производителях. Ведущей компанией в данной сфере является фирма Grundfoss (Дания), которая поставляет на рынок свыше 15 различных моделей преобразователей. Так, для насосов с трехфазным электродвигателем подойдут модель Micro Drive FC101, для однофазных (работающих от стандартной электросети 220В) — FC51.

Более доступным в ценовом плане является оборудование компании Rockwell Automation (Германия). Фирма предлагаем линейку преобразователей PowerFlex 4 и 40 для маломощных циркуляционных насосов и серию PowerFlex 400 для скважинных насосных станций (от одного преобразователя могут работать сразу 3 параллельно подключенных насоса.

Учитывайте, что цена хорошего преобразователя подчас может доходить до стоимости насоса, поэтому подключение и настройка такого прибора должна выполняться исключительно специалистами.

Назначение преобразователей частоты

Преобразователи частоты (ПЧ) предназначены для регулирования скорости или момента электродвигателя в широком диапазоне и с максимальным КПД.

Преобразователь частоты обеспечивает полную защиту двигателя: от короткого замыкания на землю и между фазами, тепловую защиту от перегрузки по току и моменту.

Преобразователь частоты измеряет, регистрирует, отображает и передаёт по сети АСУ ТП параметры двигателя: ток, скорость, момент, мощность, напряжение, температуру, потреблённую электроэнергию

Частотный преобразователь обеспечивает:

• высокий пусковой момент при низком пусковом токе и низких оборотах двигателя (за счёт эффективного управления электромагнитным полем)
• высокий перегрузочный момент двигателя
• длительный плавный разгон или останов двигателя с высокоинерционной нагрузкой
• эффективное динамическое торможение двигателя
• управление работой двигателя, как в двигательном, так и в генераторном режиме
• максимальный КПД двигателя во всех режимах работы
• управление электромагнитным тормозом (в подъёмниках)
• ПИД-регулирование переменной процесса
• работу двигателя с обратной связью по скорости и положению
• локальное управление технологическим процессом (в ПЧ может быть встроен логический контроллер, расширяемые входы для подключения датчиков и выходы для управления исполнительными устройствами).

Это интересно: Схема подключения дифавтомата в однофазной и трехфазной сети: разъясняем основательно

Как можно регулировать обороты асинхронного двигателя: обзор способов

Благодаря надежности и простоте конструкции асинхронные двигатели (АД) получили широкое распространение. В большинстве станков, промышленном и бытовом оборудовании применяются электродвигатели такого типа. Изменение скорости вращения АД производится механически (дополнительной нагрузкой на валу, балластом, передаточными механизмами, редукторами и т.д.) или электрическими способами. Электрическое регулирование более сложное, но и гораздо более удобное и универсальное.

Для многих агрегатов применяется именно электрическое управление. Оно обеспечивает точное и плавное регулирование пуска и работы двигателя. Электрическое управление производится за счет:

• изменения частоты тока;
• силы тока;
• уровня напряжения.

В этой статье мы рассмотрим популярные способы, как может осуществляться регулировка оборотов асинхронного двигателя на 220 и 380В.

Принцип работы частотного преобразователя

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

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

Маркировка и схема подключения к электросети и нагрузке

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

• Максимальня мощность подключаемого электродвигателя,
• Напряжение питающей сети,
• Количество фаз (трехфазный/однофазный).

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

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

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

Настройка и управление

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

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

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

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

Уход за преобразователем

Чтобы продлить срок службы ПЧ следует осуществлять за ним соответствующий уход:

• Отслеживать оседание пыли на внутренних элементах и производить своевременную чистку устройства при помощи компрессора.
• Удостоверяться в работоспособности узлов, которые используются механизме, и производить их замену, если возникает такая необходимость.
• Соблюдать адекватную рабочую температуру (не более +40°С) механизма и уровень напряжения на управляющей шине.
• Регулярно (не реже одного раза за 3 года) обновлять слой термопасты на силовых компонентах устройства.
• По возможности соблюдать умеренный уровень влажности.

Низковольтный ПЧ на IGB транзисторах. Устройство, особенности

Рисунок 3 показывает блочную схему и функции основных узлов. После каждого из них, отображены линии выходных параметров электроэнергии. Подаваемая энергия (Uвх.), в форме синусоиды, неизменной амплитуды, частоты. Дальше — узел постоянного тока, состоящий из неуправляемого или регулируемого выпрямителя 1. Емкостного фильтра 2, с функциями сглаживания пульсации (U выпр.). Потом, сигнал Ud поступает на независимый, автономный инвертор 3, работающий с нагрузкой, которая потребляет ту же частоту.

Он преобразует одно или 3-фазный ток постоянной величины в переменный, имеет приемлемый уровень гармоник, добавленных к выходному напряжению. Собранный на полностью регулируемых полупроводниковых приборах IGBT. Сигналы СУ подсоединяют обмотку электродвигателя к соответствующим полюсам, используя силовые транзисторы. Подключение происходит в период импульсов, моделируемых по синусоиде амплитудой и частотой. Управляемые выпрямители (1) регулируют величину Ud. Функцию сглаживания выполняет электрофильтр (4).

Каков принцип частотных методов регулирования? Наглядное объяснение можно вывести из следующей формулы

Высокие показатели КПД, коэффициента мощности, перегрузочной способности достигаются при одновременном изменении частоты и напряжения. Законы изменения этих параметров напрямую зависят от момента нагрузки, который может иметь статичный, вентиляторный и обратно пропорциональный скорости вращения характер.

При постоянном моменте нагрузке напряжение на статоре будет регулироваться в пропорциональной зависимости от частоты, что хорошо видно из формулы:

Если момент нагрузки имеет вентиляторный характер, то напряжение будет пропорционально квадрату частоты питающего напряжения.

Ну и моменте нагрузки, который обратно пропорционален скорости получим:

Как видно из вышеописанного при обеспечении одновременного регулирования частоты питающего напряжения и параметров напряжения на статоре частотным преобразователем достигается плавное бесступенчатое регулирование скорости вращения вала двигателя. При этом отсутствие передач позволяет более точно регулировать скорость вращения по заданным пользователем параметрам.

Основные достоинства применения регулируемых приводов на предприятиях.

Разница в производительности и эффективности между дросселированием посредством механических средств и применением частотных преобразователей очевидна на следующем рисунке. (схема 1) Из схемы становится ясно, что возрастает экономия ресурсов, а также нивелируются проблемы, связанные с полной потерей динамической мощности потока во время закрытия заслонок, что приводит, по сути, к холостой работе двигателя. Это увеличивает экономическую эффективность частотных преобразователей.

Конструкция типового частотного преобразователя.

Принципиальной задачей преобразователя частоты является изменение параметров электрического тока, это осуществляется при помощи транзисторного выпрямления тока и преобразования его до необходимых заданных значений. Типовой частотный преобразователь состоит из трех частей:

— Звено постоянного тока. Состоит из выпрямителя и фильтрационных устройств. Звено постоянного тока принимает входной сигнал и перенаправляет его в инвертор.

— Импульсного инвертора. Силовой трехфазный инвертор обычно имеет шесть транзисторов-ключей и осуществляет преобразование тока до заданных частот и амплитуд, а затем подает его на статор. Инвертор может состоять из тиристорной схемы.

— Микропроцессорной системы управления. Управляет системами преобразования и защиты преобразователя.

Четкая синусоида выходного сигнала – результат работы IGBT-транзисторов в качестве ключей инвертора, которые работают с более высокой частотой переключения, чем устаревшие тиристоры.

Как работает частотный преобразователь?

Схема преобразователя представлена в наглядном виде на следующем рисунке. (схема 2)

Алгоритм переключения вентилей задается микропроцессором, переключение преобразует постоянное Uвх. в переменное выходное напряжение с прямоугольными импульсами. Активная составляющая токового потока асинхронного двигателя проходит через транзисторы, а реактивная – через диоды обратного тока.

И – трехфазный мостовой инвертор; В – трехфазный мостовой выпрямитель;

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ

Важнейшей характеристикой любого преобразователя является количество фаз и величина напряжения.

Подавляющее большинство частотных преобразователей рассчитаны на подключение в трехфазную сеть 220/380 В и позволяют получить на выходе те же три фазы, но с возможностью регулировки частоты и напряжения.

На втором месте по распространенности находятся устройства для подключения в однофазную сеть 220 В с преобразованием в три фазы 380 В. Такие устройства находят применение в быту для подключения промышленных трехфазных двигателей в однофазную бытовую сеть.

Таким образом, перечень основных параметров выглядит следующим образом:

• количество фаз;
• величина напряжения;
• мощность нагрузки;
• диапазон регулировки частоты;
• пределы изменения выходного напряжения.

Из дополнительных опций, которые присутствуют в хороших моделях устройств следует отметить возможность параллельной работы нескольких преобразователей, подключение нескольких двигателей, обратная связь для точной регулировки оборотов согласно заданной функции, наличие функции торможения и рекуперации.

Для осуществления перечисленных функций устройства снабжены несколькими аналоговыми и цифровыми выходами. Некоторые модели имеют стандартный интерфейс для подключения персонального компьютера. Многие модели оборудованы входом для подключения термодатчика.

Электродвигатели в большинстве для уменьшения нагрева оборудованы собственными крыльчатками для обдува корпуса.

При работе на низких оборотах эффективность крыльчатки падает в геометрической прогрессии. Для предотвращения перегрева обмоток и используется внешний термодатчик, который прерывает подачу питания на двигатель при критическом нагреве обмоток.

Подбор необходимого преобразователя по параметрам призван сократить финансовые расходы без снижения надежности при сохранении необходимой функциональности. Известно, что чем шире функциональность и больше мощность преобразователя, тем он дороже, причем стоимость растет непропорционально мощности, а несколько быстрее.

Мощность частотника должна с некоторым запасом перекрывать пиковую мощность подключенного электродвигателя. Следует учитывать, что максимальный ток асинхронные двигатели потребляют в момент пуска и при увеличении нагрузки на ротор. В зависимости от мощности двигателя, пусковой ток может превосходить номинальный в 3-5 раз.

Диапазон изменения частоты обычно имеет стандартную величину 1:10, но можно встретить дорогие модели с расширенным диапазоном. Обычно недорогие частотники со скалярным управлением работают с меньшим диапазоном. Более прогрессивные – векторные, теоретически не имеют верхнего предела изменения частоты. Их диапазон ограничен областью применения и стоимостью.

В каких случаях можно обойтись без частотника?

В промышленных условиях без него обойтись очень сложно. Например, конвейеры сборочного цеха без него не будут работать. Если их включить на номинальных оборотах — линия сломается, там необходимо регулирование скорости.

Та же история с распиливанием разных пород древесины на пилораме. Нужно подбирать скорость вращения фрезы по твердости древесины, ее качеству, толщине бруса и прочим факторам.

Частотник вряд ли будет стоить дороже обслуживающего оборудования, а увеличит срок его эксплуатации в несколько раз. Почему бы и не поставить?!

В бытовых условиях частотный преобразователь не такая острая необходимость, как в промышленности. Тем не менее есть случаи, когда без него не обойтись. Например, если у Вас стоит погружной насос за 1000$, то частотный преобразователь за 250$ будет как раз хорошим дополнением к нему. Он увеличит срок эксплуатации с 5 до 10 лет, а также сэкономит, как минимум 20-30% электричества.

Если у Вас стоит более бюджетный насос, который не жалко выкинуть через 5-7 лет поставьте лучше устройство плавного пуска. УПП дешевле и тоже уберет пусковые токи. Благодаря плавным пускам, оно увеличит срок эксплуатации насоса на 3-4 года.

Если водоснабжения с гидроаккумулятором в принципе нет особого смысла ставить частотный преобразователь. Но, это как раз тот случай, когда он может быть дешевле, чем УПП и гидроаккумулятор вместе взятые (зависит от объема и производителя). Тем не менее он эффективнее выполняет свою функцию и занимает меньше места.

Устройство и принцип действия

ПЧ — преобразователь частоты; ИТ — преобразователь частоты источник тока; ИН — преобразователь частоты источник напряжения; АИМ — преобразователь частоты с амплитудно-импульсной модуляцией; ШИМ — преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией

Функциональная схема преобразователя частоты, выполненного по схеме источника напряжения

Функциональная схема преобразователя частоты, выполненного по схеме источника тока

Электронный преобразователь частоты состоит из схем, в состав которых входит тиристор или транзистор, которые работают в режиме электронных ключей. В основе управляющей части находится микропроцессор, который обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

В зависимости от структуры и принципа работы электрического привода выделяют два класса преобразователей частоты:

1. С непосредственной связью.
2. С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.

Каждый из существующих классов преобразователей имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

В преобразователях с непосредственной связью электрический модуль представляет собой управляемый выпрямитель. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает обмотки двигателя к питающей сети.

Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. Частота выходного напряжения у таких преобразователей не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 50 Гц, и как следствие — малый диапазон управления частотой вращения двигателя (не более 1 : 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

Использование незапираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя. «Резаная» синусоида на выходе преобразователя с непосредственной связью является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению КПД системы в целом.

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых модулях находят преобразователи с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока. В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе, фильтруется фильтром, сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению КПД и к некоторому ухудшению массо-габаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Для формирования синусоидального переменного напряжения используют автономный инвертор, который формирует электрическое напряжение заданной формы на обмотках электродвигателя (как правило, методом широтно-импульсной модуляции). В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия. Они имеют более высокий КПД (до 88 %) по отношению к преобразователям на IGBT-транзисторах.

Преобразователи частоты являются нелинейной нагрузкой, создающей токи высших гармоник в питающей сети, что приводит к ухудшению качества электроэнергии.

Как выбрать частотный преобразователь?

Следует выделить несколько основных параметров, на которые нужно обращать внимание  при выборе частотного преобразователя:

Мощность. Данный параметр частотного преобразователя должен соответствовать мощности двигателя, с которым он будет использоваться. Следует выбирать устройство, мощность которого будет соответствовать номинальному току. Покупать частотный преобразователь с очень завышенными характеристиками попросту бессмысленно, ведь он обойдется намного дороже, да и с наладкой могут возникнуть проблемы.
Тип нагрузки. Тут все зависит от того, как осуществляется работа агрегата, к которому будет подключен частотный преобразователь. Например, при вентиляторных нагрузках не бывает перегрузок, а в случае с работой пресса – ток может превышать номинальные значения  на 60 и более процентов. Соответственно, необходимо учитывать это при выборе и оставлять определенный запас «хода».
Тип охлаждения двигателя. Двигатели могут оснащаться принудительными системами охлаждения либо иметь самообдув. Во втором случае к крыльчатке ротора прикрепляются специальные лопасти, которые вращаются вместе с ним и обдувают двигатель. Соответственно, нормальная степень обдува в данном случае напрямую зависит от частоты вращения. Если двигатель продолжительное время будет работать на пониженной частоте, то это может привести к перегреву. Соответственно, лучше позаботиться о дополнительном охлаждении, если изменение частоты будет больше 10% от номинального значения.
Входное напряжение. Данный показатель определяет, при каком напряжении способен работать преобразователь частот. Тут мало знать, что в сети напряжение обычно составляет около 380 В. Часто происходят скачки в диапазоне +-30%. Кроме того, в сетях, куда подключено большое количество силового оборудования, часто случаются выбросы в 1 кВ. Соответственно, чем шире диапазон рабочих напряжений у преобразователя частот, тем надежнее он будет работать.
Способ торможения. Остановка двигателя может осуществляться либо инверторным мостом, либо электродинамическим способом. Первый метод больше подходит для точного и быстрого торможения, а второй – в механизмах с частым торможением либо при необходимости постепенной остановки

На это обязательно следует обратить внимание.
Окружающая среда и защита. Обычно в паспорте преобразователя частоты указаны условия, при которых должно использоваться устройство. Например, влагозащищенные модели соответствуют стандарту IP 54 – они устойчивы к воздействию влаги и могут использоваться в помещениях с паровыми испарениями и повышенной влажностью.
Тип управления и интерфейсы

Обязательно необходимо обратить внимание на наличие подходящих для подключения разъемов, а также возможностей правления – некоторые модели предназначены для монтажа на месте, а другие – в отдельной рубке управления.

Например, влагозащищенные модели соответствуют стандарту IP 54 – они устойчивы к воздействию влаги и могут использоваться в помещениях с паровыми испарениями и повышенной влажностью.
Тип управления и интерфейсы

Обязательно необходимо обратить внимание на наличие подходящих для подключения разъемов, а также возможностей правления – некоторые модели предназначены для монтажа на месте, а другие – в отдельной рубке управления.. Если вы никогда не работали с преобразователями частоты, лучше обратиться за консультацией к специалисту.

Если вы никогда не работали с преобразователями частоты, лучше обратиться за консультацией к специалисту.