Домой Регистрация
Приветствуем вас, Гость



Форма входа

Население


Вступайте в нашу группу Вконтакте! :)




ПОИСК


Опросник
Используете ли вы афоризмы и цитаты в своей речи?
Проголосовало 514 человек


Частотный преобразователь что это такое


Принцип работы частотного преобразователя для асинхронного двигателя

Содержание:

Трехфазные асинхронные двигатели нашли самое широкое применение в промышленности и других областях. Современное оборудование просто невозможно представить без этих агрегатов. Одной из важнейших составляющих рабочего цикла машин и механизмов является их плавный пуск и такая же плавная остановка после выполнения поставленной задачи. Такой режим обеспечивается путем использования преобразователей частоты. Эти устройства проявили себя наиболее эффективными в больших электродвигателях, обладающих высокой мощностью.

С помощью преобразователей частоты успешно выполняется регулировка пусковых токов, с возможностью контроля и ограничения их величины до нужных значений. Для правильного использования данной аппаратуры необходимо знать принцип работы частотного преобразователя для асинхронного двигателя. Его применение позволяет существенно увеличить срок службы оборудования и снизить потери электроэнергии. Электронное управление, кроме мягкого пуска, обеспечивает плавную регулировку работы привода в соответствии с установленным соотношением между частотой и напряжением.

Что такое частотный преобразователь

Основной функцией частотных преобразователей является плавная регулировка скорости вращения асинхронных двигателей. С этой целью на выходе устройства создается трехфазное напряжение с переменной частотой.

Преобразователи частоты нередко называются инверторами. Их основной принцип действия заключается в выпрямлении переменного напряжения промышленной сети. Для этого применяются выпрямительные диоды, объединенные в общий блок. Фильтрация тока осуществляется конденсаторами с высокой емкостью, которые снижают до минимума пульсации поступающего напряжения. В этом и заключается ответ на вопрос для чего нужен частотный преобразователь.

В некоторых случаях в схему может быть включена так называемая цепь слива энергии, состоящая из транзистора и резистора с большой мощностью рассеивания. Данная схема применяется в режиме торможения, чтобы погасить напряжение, генерируемое электродвигателем. Таким образом, предотвращается перезарядка конденсаторов и преждевременный выход их из строя. В результате использования частотников, асинхронные двигатели успешно заменяют электроприводы постоянного тока, имеющие серьезные недостатки. Несмотря на простоту регулировки, они считаются ненадежными и дорогими в эксплуатации. В процессе работы постоянно искрят щетки, а электроэрозия приводит к износу коллектора. Двигатели постоянного тока совершенно не подходят для взрывоопасной и запыленной среды.

В отличие от них, асинхронные двигатели значительно проще по своему устройству и надежнее, благодаря отсутствию подвижных контактов. Они более компактные и дешевые в эксплуатации. К основному недостатку можно отнести сложную регулировку скорости вращения традиционными способами. Для этого было необходимо изменять питающее напряжение и вводить дополнительные сопротивления в цепь обмоток. Кроме того, применялись и другие способы, которые на практике оказывались неэкономичными и не обеспечивали качественной регулировки скорости. Но, после того как появился преобразователь частоты для асинхронного двигателя, позволяющий плавно регулировать скорость в широком диапазоне, все проблемы разрешились.

Одновременно с частотой изменяется и подводимое напряжение, что позволяет увеличить КПД и коэффициент мощности электродвигателя. Все это позволяет получить высокие энергетические показатели асинхронных двигателей, продлить срок их эксплуатации.

Принцип действия частотного преобразователя

Эффективное и качественное управление асинхронными электродвигателями стало возможно за счет использования совместно с ними частотных преобразователей. Общая конструкция представляет собой частотно-регулируемый привод, который позволил существенно улучшить технические характеристики машин и механизмов.

В качестве управляющего элемента данной системы выступает преобразователь частоты, основной функцией которого является изменение частоты питающего напряжения. Его конструкция выполнена в виде статического электронного узла, а формирование переменного напряжения с заданной изменяемой частотой осуществляется на выходных клеммах. Таким образом, за счет изменения амплитуды напряжения и частоты регулируется скорость вращения электродвигателя.

Управление асинхронными двигателями осуществляется двумя способами:

Настройка частотного преобразователя для электродвигателя

Для того чтобы преобразователь частоты для асинхронного двигателя в полном объеме выполнял свои функции, его необходимо правильно подключить и настроить. В самом начале подключения в сети перед прибором размещается автоматический выключатель. Его номинал должен совпадать с величиной тока, потребляемого двигателем. Если частотник предполагается эксплуатировать в трехфазной сети, то автомат также должен быть трехфазным, с общим рычагом. В этом случае при коротком замыкании на одной из фаз можно оперативно отключить и другие фазы.

Ток срабатывания должен обладать характеристиками, полностью соответствующими току отдельной фазы электродвигателя. Если частотный преобразователь планируется использовать в однофазной сети, в этом случае рекомендуется воспользоваться одинарным автоматом, номинал которого должен в три раза превышать ток одной фазы. Независимо от количества фаз, при установке частотника, автоматы не должны включаться в разрыв заземляющего или нулевого провода. Рекомендуется использовать только прямое подключение.

При правильной настройке и подключении частотного преобразователя, его фазные провода должны соединяться с соответствующими контактами электродвигателя. Предварительно обмотки в двигателе соединяются по схеме «звезда» или «треугольник», в зависимости от напряжения, выдаваемого преобразователем. Если оно совпадает с меньшим значением, указанным на корпусе двигателя, то применяется соединение треугольником. При более высоком значении используется схема «звезда».

Далее выполняется подключение частотного преобразователя к контроллеру и пульту управления, который входит в комплект поставки. Все соединения осуществляются в соответствии со схемой, приведенной в руководстве по эксплуатации. Рукоятка должна находиться в нейтральном положении, после чего включается автомат. Нормальное включение подтверждается световым индикатором, загорающимся на пульте. Для того чтобы преобразователь заработал, нажимается кнопка RUN, запрограммированная по умолчанию.

После незначительного поворота рукоятки, двигатель начинает постепенно вращаться. Для переключения вращения в обратную сторону, существует специальная кнопка реверса. Затем с помощью рукоятки настраивается нужная частота вращения. На некоторых пультах вместо частоты вращения электродвигателя, отображаются данные о частоте напряжения. Поэтому рекомендуется заранее внимательно изучить интерфейс установленной аппаратуры.

Частотные преобразователи для асинхронных двигателей

Благодаря частотным преобразователям, работа современных асинхронных двигателей отличается высокой эффективностью, устойчивостью и безопасностью. Это особенно важно, поскольку каждый электродвигатель отличается индивидуальными особенностями режима работы. Поэтому оптимизации параметров питания агрегатов с использованием преобразователей частоты придается большое значение. Когда частотный преобразователь выбирается для каких-либо конкретных целей, в этом случае должны обязательно учитываться его рабочие параметры.

Нормальная работа устройства будет зависеть от типа электродвигателя, его мощности, диапазона, скорости и точности регулировок, а также от поддержания стабильного момента вращения вала. Эти показатели имеют первостепенное значение и должны органично сочетаться с габаритами и формой аппарата. Следует обратить особое внимание на то, как расположены элементы управления и будет ли удобно им пользоваться.

Выбирая устройство, необходимо заранее знать, в каких условиях оно будет эксплуатироваться. Если сеть однофазная, то и преобразователь должен быть таким же. То же самое касается и трехфазных аппаратов. Многое зависит от мощности асинхронных двигателей. Если при запуске на валу необходим высокий пусковой момент, то и частотный преобразователь должен быть рассчитан на большее значение тока.

Преобразователь частоты

Преобразователь частоты: вся информация об устройстве

Оглавление

Физическая основа преобразователей частоты.

Конструкция и принцип работы преобразователей частоты.

Выпрямитель.

Промежуточная цепь.

Инвертор.

Типы управления частотным преобразователем.

Интерфейсы частотных преобразователей.

ГОСТы и ТУ для частотных преобразователей.

Преимущества использования частотных преобразователей.

Недостатки преобразователей частоты.

Назначение и область применения частотных преобразователей.

Как выбрать частотный преобразователь?

Как осуществляется подключение преобразователя частоты?

Техника безопасности при подключении преобразователя частоты.

Преобразователь частоты – это статическое преобразовательное устройство, которое предназначено для регулировки частоты электрического тока. Преимущественно он используется для управления скоростью вращения двигателей асинхронного типа и позволяет повысить эффективность их работы, а также снизить изнашиваемость узлов.

Физическая основа преобразователей частоты

Теоретические основы по работе преобразователей частоты были изложены еще в 30-х годах 20 столетия, но на тот период из-за отсутствия транзисторов и микропроцессоров практическая их реализация была невозможной. Только, когда в США, Европе и Японии были разработаны недостающие компоненты, начали появляться первые вариации частотных преобразователей. С тех пор они претерпели существенных технологических изменений, но принцип их работы до сих пор строится на одних и тех же физических законах.

Работа преобразователей частоты строится на следующей формуле:

Из данного выражения сразу становится ясно, что при изменении частоты входного напряжения, которое в формуле обозначено, как f1, будет меняться и угловая скорость магнитного поля статора, которая определяет и скорость вращения самого статора. Такой эффект может быть достигнут только в случае, если величина p (количество пар полюсов) будет оставаться неизменной.

Что же это дает нам? Во-первых, возможность плавного регулирования скорости вращения. Особенно актуально это на пиковых нагрузках при запуске. Во-вторых, такая зависимость позволяет повысить скольжение двигателя асинхронного типа, увеличив его КПД.

Стоит также отметить, что такие характеристики, как коэффициент мощности, КПД, коэффициент перегрузочной способности принимают высокие значения именно при одновременном регулировании частоты и напряжения тока. Закономерности изменения этих параметров напрямую зависят от нагрузочного момента, который может принимать следующий характер:

Вышеописанные выкладки подтверждают, что при одновременной регулировке частоты и напряжения с помощью частотного преобразователя можно обеспечить плавное и равномерное изменение скорости вращения вала.

Конструкция и принцип работы преобразователей частоты

Если рассматривать общую конструкцию преобразователей частоты, то в ней стоит выделить два основных блока компонентов:

Первый блок обычно представлен микропроцессором, который воспринимает команды от внешних систем управления и интерфейсов и передает непосредственно на электропреобразовательные элементы.

Блок электропреобразований является основным рабочим механизмом всей системы. Именно он отвечает за прием входного тока и преобразование его параметров до нужных значений, установленных оператором через управляющий блок. В состав данного блока входят следующие элементы:

Поговорим о каждом более подробно.

Выпрямитель

Данный компонент предназначен для формирования пульсирующего напряжения в одно- или трехфазных сетях переменного тока. Выпрямители обычно строятся либо на диодах, либо на тиристорах. В первом случае они считаются неуправляемыми, а во втором управляемыми.

Промежуточная цепь

Промежуточная цепь выполняет роль своеобразного хранилища, из которого электродвигатель получает энергию через инвертор. В зависимости от комбинации инвертора и выпрямителя промежуточная цепь может иметь одну из следующих формаций:

  1. Инвертор-источник питания. В данном случае промежуточная цепь имеет в составе мощную индуктивную катушку, которая преобразует напряжение выпрямителя в изменяющийся постоянный ток. Само напряжение двигателя определяется по нагрузке. Такой тип цепей может работать только с управляемыми выпрямителями.
  2. Инверторы - источники напряжения. В данном случае в промежуточной цепи используется фильтр, в состав которого входит конденсатор. Он сглаживает напряжение, поступающее от выпрямителя. Такие цепи способны работать с любыми типами выпрямителей.
  3. Цепь изменяющегося постоянного напряжения. В данном случае перед фильтром устанавливается прерыватель, в котором имеется транзисторы, выключающий и включающий подачу напряжения от выпрямителя. В данном случае фильтр обеспечивает сглаживает прямоугольные напряжения после прерывателя, а также поддерживает постоянное напряжение на заданной частоте.

Инвертор

Инвертор является последним звеном в частотном преобразователе перед самим электродвигателем. Именно он окончательно преобразует напряжение в нужный для работы вид. Вследствие вышеописанных преобразований, происходящих на выпрямителе и промежуточной цепи, инвертор получает:

Собственно, сам инвертор и обеспечивает подачу напряжения необходимой частоты. Если на него поступает изменяемое напряжение или ток, то он создает только нужную частоту. Если же неизменяемое, то он создают и нужную частоту, и нужное напряжение.

Обычно в конструкции инверторов используются высокочастотные транзисторы, частота коммутации которых находится в диапазоне от 300 до 20 кГц.

Типы управления частотным преобразователем

Существует два основным метода управления электродвигателями с использованием частотных преобразователей:

Асинхронные системы управления на сегодняшний день считаются самыми распространенными. Они используются в приводах вентиляторов, насосов, компрессоров и т.д. Главный принцип, который лежит в основе скалярного управления, состоит в изменении частоты и амплитуды напряжения по закону U/fn = const, где n всегда больше 1. Соответственно, меняя напряжение U, мы изменяем и частоту f в степени n. При этом степенное значение определяется в зависимости от особенностей самого частотного преобразователя и его назначения.

Сама методика скалярного управления достаточно проста с точки зрения ее технической реализации, но при этом имеет два существенных недостатка. Первый заключается в том, что без дополнительного датчика скорости вы не сможете регулировать скорость вала, ведь она напрямую зависит от нагрузки. Данную проблему можно решить простым приобретение датчика.

Но существует еще один недостаток – невозможность регулировки момента. Казалось бы, данная проблема тоже решается покупкой датчика момента. Но он достаточно дорог, да и само управление получится весьма спорным. К тому же, совместно управлять и скоростью и моментом при скалярном типе управления невозможно.

Векторный тип управления подразумевает, что в саму систему закладывается математическая модель работы электродвигателя, что позволяет на программном уровне по входным параметрам рассчитывать и скорость, и момент. При этом обязательно только наличие датчика, который будет снимать показатели тока фаз статора.

Существует два класса векторных систем управления:

Их использование в тех или иных случаях определяется в зависимости от условий эксплуатации двигателя. Если диапазон изменения скорости вращения вала не превышает 1:100, а требования по точности не более 0,5%, то отлично подойдет система без датчиков.

Если же диапазон изменения скорости составляет 1:1000, а требования по точности установлены на уровне до 0,02%, то лучше использовать системы управления с датчиками.

Стоит отметить, что у векторного управления также есть свои недостатки. Например, для их настройки требуются большие вычислительные мощности и знание рабочих параметров двигателей. Кроме того, векторное управление не может использоваться там, где в преобразователю частот подключено сразу несколько рабочих агрегатов – там целесообразно применять скалярные системы.

Интерфейсы частотных преобразователей

В конструкции большинства современных частотных преобразователей имеется целый набор различных интерфейсов, через которые можно осуществлять подключение стороннего оборудования или синхронизировать несколько частотников. Рассмотрим основные входы и выходы, используемые в подобных устройствах:

Кроме того, в частотных преобразователях могут использоваться и другие интерфейсы. Все зависит от конкретной модели устройства и его производителя.

ГОСТы и ТУ для частотных преобразователей

Собственно, как и любые технические средства, используемые на производственных предприятиях и в оборудовании, частотные преобразователи и требования к ним регламентируются определенной технической базой, а именно следующими документами:

В соответствии с описанными в этих документах требованиями должен осуществлять выбор конкретной модели устройства, а также ее установка и отладка.

Преимущества использования частотных преобразователей

Частотные преобразователи нашли широкое применение в самых различных производственных нишах и оборудовании. Столь высокий спрос на подобные устройства обусловлен следующими преимуществами их использования:

Частотные преобразователи являются оптимальным решением для организации самых различных производственных процессов и отладки рабочего оборудования, на базе которого используются электромоторы.

Недостатки преобразователей частоты

Частотные преобразователи также имеют и свои недостатки. К ним следует отнести:

Если сопоставить недостатки и преимущества частотных преобразователей, то они, все равно, выглядят более эффективными даже на фоне других преобразовательных устройств. Именно это и делает их особенно популярными в производственных отраслях, где они используются практически повсеместно.

Назначение и область применения частотных преобразователей

Частотные преобразователи уже много лет используются в строительстве электромеханических устройств и агрегатов. Они позволяют модулировать частоту тока, что в свою очередь делает возможной точную регулировку скорости вращения двигателя. На сегодняшний день частотники используются во многих отраслях деятельности. Мы рассмотрим лишь некоторые из них:

Перечислять области применения частотных преобразователей можно бесконечно, ведь их можно использовать в любом оборудовании, использующем электродвигатели.  

Как выбрать частотный преобразователь?

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

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

Как осуществляется подключение преобразователя частоты?

Если рассмотреть монтаж преобразователя частоты схематически, то вес процесс сводиться к соединению контактов самого устройства, электродвигателя и управляющего блока-предохранителя. Достаточно соединить провода всех элементом, подключить двигатель к сети и запустить его.

На первый взгляд, ничего сложного в этом нет, но, на самом деле, процедура монтажа имеет некоторые свои нюансы:

Не менее важным этапом установки частотного преобразователя является его тестовый запуск. Он осуществляет по следующей схеме:

Если при тестовом запуске никаких проблем обнаружено не было, значит, вы сделали все правильно и система может включаться в рабочий процесс.

Техника безопасности при подключении преобразователя частоты

Следует выделить несколько основных правил безопасности, о которых нужно помнить при выполнении работ по подключению частотных преобразователей:

Выполнять работы по подключению преобразователей частоты могут только квалифицированные специалисты, имеющие соответствующую подготовку, а также необходимые допуски.

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:

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.

Опять же, если вы никогда не сталкивались с покупкой преобразователя частоты, лучше поручить это дело профессионалу, который сможет подобрать для вас подходящую модель и помочь с ее установкой.

Преобразователь частоты - что это такое?

Преобразователь частоты – это статическое преобразовательное устройство, необходимое для управления скоростью вращения асинхронных электрических двигателей. Асинхронные электрические двигатели переменного тока существенно отличаются от устройств постоянного тока. Отличие приходится на простоту конструкции и удобство использования. Именно этот фактор объясняет такую популярность асинхронных электродвигателей.

Важно отметить, что регулирование скорости вращения может выполняться посредством таких устройств, как механический вариатор, гидравлическая муфта и прочие. Но все эти методы имеют значительные недостатки, к которым относят сложность использования, низкое качество работы, дороговизну и малый диапазон регулирования.

Избежать всех этих проблем поможет частотный преобразователь для электродвигателя. В этом случае регулирование скорости вращения выполняется путем изменения напряжения питания и частоты электродвигателя. КПД такого частотника достигает 98%, а риск возникновения и развития аварийных ситуаций заметно снижается.

Классификация частотных преобразователей

По типу питающего напряжения преобразователи частоты делятся на следующие виды:

По типу управляемого электрического двигателя подключенного к преобразователю, устройства разработаны для управления:

По области применения типы частотных преобразователей будут следующими:

Все приведенные выше типы частотных преобразователей адаптированы для определенных условий эксплуатации, и чем сложнее эти условия, тем внимательнее следует подходить к подбору соответствующего оборудования. Так, современный высокочастотный преобразователь частоты позволяет не только организовывать наиболее энергоэффективные алгоритмы управления технологическими процессами, но и увеличивать срок службы двигателей и прочих включенных в технологический процесс элементов.

Если у Вас возникли сложности при выборе, мы поможем подобрать преобразователь частотно аналоговый, общепромышленный и другие типы преобразователей частоты, оптимально подходящие под конкретные условия использования.

Устройство частотного преобразователя

В большинстве случаев устройство частотного преобразователя базируется на схеме двойного преобразования. Агрегаты включают: звено постоянного тока (неуправляемый выпрямитель), силовой импульсный инвертор и управляющую систему. В свою очередь, звено постоянного тока включает неуправляемый выпрямитель и фильтр. Здесь переменное напряжение сети преобразуется в напряжение постоянного тока. В силовой трехфазный импульсный инвертор входит шесть транзисторных ключей и каждая обмотка двигателя подключается через определенный ключ к положительному/отрицательному выводам выпрямителя. Посредством инвертора выполняется преобразование выпрямленного напряжения в трехфазную переменную величину нужной частоты и амплитуды, прикладываемую к обмоткам статора электрического двигателя.

В роли ключей используются силовые IGBT-транзисторы. Если сравнивать их с тиристорами, то первые имеют более высокую частоту переключения, что дает возможность вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы при минимальных искажениях. Информация о том, как подключить и настроить частотный преобразователь будет рассматриваться ниже. В данном разделе приведено только общее устройство преобразователя частоты для ознакомления.

Принцип действия частотного преобразователя

Принцип действия частотного преобразователя базируется на особенностях работы асинхронного электродвигателя. В электрическом двигателе такого типа частота вращения магнитного поля (величина n1) зависит от частоты напряжения питающей сети. В случае, когда питание обмотки статора выполняется трехфазным напряжением, имеющим частоту f, генерируется вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого определяется по нижеприведенной формуле:

, где

р – это число пар статорных полюсов.

Переход от скорости вращения поля ω1, которая измеряется в радианах, к частоте вращения n1 (об/мин), выполняется согласно формуле:

, где

60 – это коэффициент пересчета размерности.

Если подставить в это уравнение скорость вращения поля ω1, получим следующее равенство:

Отсюда несложно заключить, что показатель частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя зависит от частоты напряжения питающей сети. Именно эта зависимость и отображает всю суть метода частотного регулирования. Частотный преобразователь для электродвигателя изменяет частоту напряжения питания на входе и, как следствие, регулирует частоту вращения ротора. Подчеркнем, что выходная частота в современных частотниках изменяется в широком диапазоне, а, значит, эта величина может быть как ниже, так и выше частоты питающей сети.

Частотник для электродвигателя, принцип работы силовой части которого лег в основу нижеприведенной классификации, соответствует следующим параметрам:

По историческим меркам первыми появились частотные преобразователи с непосредственной связью. В этих агрегатах силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель, выполненный на тиристорах. Управляющий узел в порядке очереди отпирает группы тиристоров, тем самым формируя выходной сигнал. Сегодня этот метод преобразования в новых разработках не используется.

Как работает преобразователь этого класса? Здесь используется двойное преобразование электроэнергии: входное синусоидальное напряжение (величины L1, L2, L3 на рисунке) с постоянной амплитудой/частотой выпрямляется в выпрямительном блоке (BR), фильтруется и сглаживается в блоке фильтрации (ВF), как результат, - получаем постоянное напряжение. Представленный узел носит название – звено постоянного тока.

решение задач формирования синусоидального переменного напряжения с регулируемой частотой отвечает блок преобразования (BD). Роль электронных ключей, формирующих выходной сигнал, выполняют биполярные транзисторы с изолированным затвором IGВТ. Процесс управления вышеперечисленными блоками происходит согласно заблаговременно запрограммированному алгоритму микропроцессорным модулем или логическим блоком (BL).

Схема ниже показывает, что частотные преобразователи могут быть запитаны от внешнего звена постоянного тока. При этом защита частотника выполняется посредством быстродействующих предохранителей. Важно отметить, что использовать контакторы для питания от звена постоянного тока не рекомендуется. Дело в том, что при контакторной коммутации возникает повышенный зарядный ток и предохранители могут выгореть.

Два принципа управления преобразователями частоты

Различают два базовых принципа управления частотными преобразователями. Основной принцип скалярного управления состоит в изменении частоты и амплитуды питающего напряжения согласно закону:

Эта формула показывает, что оговоренный принцип является наиболее простым и доступным способом реализации частотного управления. За счет доступной стоимости преобразователей со скалярным управлением, такие агрегаты широко используются для привода механизмов, диапазон регулирования частоты вращения двигателя которых составляет 1:40. Такое ограничение удовлетворяет требованиям по управлению насосами, компрессорами, вентиляторами. Весомым преимуществом скалярного метода выступает возможность одновременного управления группой электрических двигателей.

Второй тип систем управления представляет векторный принцип, обеспечивающий параметры асинхронного электропривода, максимально приближенные к характеристикам привода постоянного тока. Такие особенности системы реализуются посредством разделения каналов регулирования потокосцепления и скорости вращения двигателя. Преобразователи, работающие по векторному принципу, характеризуются относительно высокой стоимостью и используются в механизмах, предъявляющих повышенные требования к качеству регулирования скорости – станки, лифты, краны и т.п.

Таким образом, мы кратко рассмотрели то, как работает частотник, для чего нужен этот агрегат и на каких принципах базируется его управление.

Применение частотного преобразователя

Применение частотных преобразователей позволило успешно реализовать эффективные системы регулирования скорости нижеприведенных объектов:

В начале статьи уже было рассмотрено, для чего нужен частотный преобразователь, а на данном этапе освещения вопроса остается подчеркнуть, что этот тип оборудования позволяет получить существенный экономический эффект:

В конечном итоге, назначение преобразователя частоты – это обеспечение максимально эффективной и продуктивной работы оборудования со всеми вытекающими положительными аспектами.

Как выбрать преобразователь частоты?

Чтобы упросить выбор частотного преобразователя, рекомендуем обратить внимание на таблицу, где приведены факторы, заслуживающие первостепенного внимания при подборе агрегата:

Классификация Связанные характеристики Скорость и момент Параметры времени Перегрузочная способность Пусковой момент
Тип нагрузки Фрикционная нагрузка и подъем груза. Вязкая, высокоинерционная нагрузка.

Нагрузка с передачей и накоплением энергии.

* *
Характеристики скорости и момента Постоянный момент Постоянная скорость Уменьшающийся момент

Уменьшающаяся скорость

* *
Характер нагрузки Постоянная нагрузка Ударная нагрузка Периодически изменяющаяся нагрузка Высокий начальный момент

Низкий начальный момент

* * * *
Продолжительный режим на ном. скор. Продолжительный режим на низкой/средней скорости.

Повторно-кратковременный режим.

* *
Максимальный вых. ток (мгновенный) Постоянный вых. ток (продолжит) * *
Максимальная частота Номинальная частота *
Мощность или импеданс источника питания (распред. трансформатора + провода). Скачки напряжения или дисбаланс фаз.

Число фаз, частота.

* *
Механическое трение, потери в проводниках * *
Изменение рабочего цикла *

Также подбор частотного преобразователя исходит из определенного перечня задач, которые должен эффективно решать привод:

Учитываются и конструктивные особенности ПЧ: форма, размер, пульт управление и т.п.

При работе с асинхронными электрическими двигателями, выбор преобразователя частоты должен основываться на соответствующей мощности. В случае, когда есть необходимость в большом пусковом моменте или минимальном времени разгона и торможения, рекомендуется обратить внимание на агрегаты на ступень выше стандартного. При выборе ПЧ для двигателя специального назначения, важно руководствоваться номинальным током преобразователя, который должен быть выше номинального тока электродвигателя.

Подключение частотного преобразователя к двигателю

Чтобы подключить ПЧ, мало открыть соответствующую страницу и, обнаружив знакомые значки и обозначения, соединить провода просто по схеме. Правильное подключение преобразователя частоты предполагает взятие во внимание рекомендованных производителем сечений, типов проводов, а также дополнительного оборудования. Схема содержит варианты подключения дополнительных установок и агрегатов, к которым могут относиться реакторы постоянного тока, тормозные блоки, фильтры, входные/выходные фильтры и т.д.

Также обратите внимание на выбор автоматических выключателей. Категорически не рекомендуется занижать их номиналы. Даже незначительный на первый взгляд дребезг биметаллической пластины вызовет хаотичные размыкания цепи, автомат при этом не отключится, однако звено постоянного тока ПЧ может пострадать. Обязательно учтите сечение проводов, используйте только хорошо обжатые наконечники.

Как показывает практика, в ряде случаев при монтаже путают входной и выходные клеммы частотного преобразователя (хотя существует общая схема маркировки у всех производителей). К сети подключаем L1-L3, к электродвигателю U,V,W. Упустите этот момент, и расплатой станет дорогостоящий ремонт.

Коммутация дискретных входов ПЧ, как правило, выполняется внешними «сухими» контактами, другими словами, внешний выключатель коммутирует или замыкает контакты внутри частотника. Категорически запрещено подавать на входы управления напряжение (220В/380В), это выводит из строя преобразователь.

Расчет преобразователя частоты

Выполнить точный расчет частотного преобразователя в условиях работы с одним или несколькими двигателями рекомендуется по нижеприведенным формулам.

Работа частотного преобразователя с одним электродвигателем предполагает учет следующих величин:

Pn – номинальная мощность электродвигателя (как правило, указывается на шильдике, кВт); J – приведенный к валу электрического двигателя момент инерции нагрузки (величина Нм2). В случае, когда вал не связан с инерционными элементами или электродвигатель работает на холостом ходу, приведенный момент инерции приравнивается к моменту инерции ротора электрического двигателя; n – частота вращения (выражается в об/мин), до которой нужно разогнать электродвигатель за определенное время t; t – время (секунды) в течение которого нужно разогнать электродвигатель до частоты вращения n; Un – значение напряжения (В) на обмотках электрического двигателя (номинальные обороты); k – коэффициент искажения тока на выходе преобразователя; k = 0,95 - 1,05; в ходе расчета предельных величин рекомендуется брать во внимание максимальное значение коэффициента; η – КПД электродвигателя; cosφ – эту величину следует взять из спецификации на двигатель, примерное значение будет равно 0,8-0,85.

1. Произведем расчет номинального момента на валу двигателя:

2. Расчет пусковой мощности электродвигателя:

3. Опираясь на этот параметр, выбирается рабочая мощность ПЧ, которая должна соответствовать нижеприведенному условию:

4. При этом ток, требуемый электродвигателю при линейном разгоне (величина Id), не должен быть больше пускового тока преобразователя.

5. Выполним расчет полной потребляемой электродвигателем мощности в условиях номинального установившегося режима.

Расчет преобразователя частоты с несколькими параллельно подключенными электродвигателями одинаковой мощности включает следующие показатели:

N – число электродвигателей, параллельно подсоединенных к одному частотному преобразователю, (шт.); Ns – число одновременно запускаемых электродвигателей, (шт.); Ks – коэффициент кратности пускового тока, величина равна Md/Mn ; In – номинальный ток электродвигателя согласно паспортным данным, (А).

1. Расчет полной пусковой мощности:

2. Расчет полного пускового тока:

Полученные данные являются базой для выбора частотного преобразователя, соответствующего следующим условиям:

Преобразователь частоты - что это такое?

Преобразователь частоты – это статическое преобразовательное устройство, необходимое для управления скоростью вращения асинхронных электрических двигателей. Асинхронные электрические двигатели переменного тока существенно отличаются от устройств постоянного тока. Отличие приходится на простоту конструкции и удобство использования. Именно этот фактор объясняет такую популярность асинхронных электродвигателей.

Важно отметить, что регулирование скорости вращения может выполняться посредством таких устройств, как механический вариатор, гидравлическая муфта и прочие. Но все эти методы имеют значительные недостатки, к которым относят сложность использования, низкое качество работы, дороговизну и малый диапазон регулирования.

Избежать всех этих проблем поможет частотный преобразователь для электродвигателя. В этом случае регулирование скорости вращения выполняется путем изменения напряжения питания и частоты электродвигателя. КПД такого частотника достигает 98%, а риск возникновения и развития аварийных ситуаций заметно снижается.

Классификация частотных преобразователей

По типу питающего напряжения преобразователи частоты делятся на следующие виды:

По типу управляемого электрического двигателя подключенного к преобразователю, устройства разработаны для управления:

По области применения типы частотных преобразователей будут следующими:

Все приведенные выше типы частотных преобразователей адаптированы для определенных условий эксплуатации, и чем сложнее эти условия, тем внимательнее следует подходить к подбору соответствующего оборудования. Так, современный высокочастотный преобразователь частоты позволяет не только организовывать наиболее энергоэффективные алгоритмы управления технологическими процессами, но и увеличивать срок службы двигателей и прочих включенных в технологический процесс элементов.

Если у Вас возникли сложности при выборе, мы поможем подобрать преобразователь частотно аналоговый, общепромышленный и другие типы преобразователей частоты, оптимально подходящие под конкретные условия использования.

Устройство частотного преобразователя

В большинстве случаев устройство частотного преобразователя базируется на схеме двойного преобразования. Агрегаты включают: звено постоянного тока (неуправляемый выпрямитель), силовой импульсный инвертор и управляющую систему. В свою очередь, звено постоянного тока включает неуправляемый выпрямитель и фильтр. Здесь переменное напряжение сети преобразуется в напряжение постоянного тока. В силовой трехфазный импульсный инвертор входит шесть транзисторных ключей и каждая обмотка двигателя подключается через определенный ключ к положительному/отрицательному выводам выпрямителя. Посредством инвертора выполняется преобразование выпрямленного напряжения в трехфазную переменную величину нужной частоты и амплитуды, прикладываемую к обмоткам статора электрического двигателя.

В роли ключей используются силовые IGBT-транзисторы. Если сравнивать их с тиристорами, то первые имеют более высокую частоту переключения, что дает возможность вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы при минимальных искажениях. Информация о том, как подключить и настроить частотный преобразователь будет рассматриваться ниже. В данном разделе приведено только общее устройство преобразователя частоты для ознакомления.

Принцип действия частотного преобразователя

Принцип действия частотного преобразователя базируется на особенностях работы асинхронного электродвигателя. В электрическом двигателе такого типа частота вращения магнитного поля (величина n1) зависит от частоты напряжения питающей сети. В случае, когда питание обмотки статора выполняется трехфазным напряжением, имеющим частоту f, генерируется вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого определяется по нижеприведенной формуле:

, где

р – это число пар статорных полюсов.

Переход от скорости вращения поля ω1, которая измеряется в радианах, к частоте вращения n1 (об/мин), выполняется согласно формуле:

, где

60 – это коэффициент пересчета размерности.

Если подставить в это уравнение скорость вращения поля ω1, получим следующее равенство:

Отсюда несложно заключить, что показатель частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя зависит от частоты напряжения питающей сети. Именно эта зависимость и отображает всю суть метода частотного регулирования. Частотный преобразователь для электродвигателя изменяет частоту напряжения питания на входе и, как следствие, регулирует частоту вращения ротора. Подчеркнем, что выходная частота в современных частотниках изменяется в широком диапазоне, а, значит, эта величина может быть как ниже, так и выше частоты питающей сети.

Частотник для электродвигателя, принцип работы силовой части которого лег в основу нижеприведенной классификации, соответствует следующим параметрам:

По историческим меркам первыми появились частотные преобразователи с непосредственной связью. В этих агрегатах силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель, выполненный на тиристорах. Управляющий узел в порядке очереди отпирает группы тиристоров, тем самым формируя выходной сигнал. Сегодня этот метод преобразования в новых разработках не используется.

Как работает преобразователь этого класса? Здесь используется двойное преобразование электроэнергии: входное синусоидальное напряжение (величины L1, L2, L3 на рисунке) с постоянной амплитудой/частотой выпрямляется в выпрямительном блоке (BR), фильтруется и сглаживается в блоке фильтрации (ВF), как результат, - получаем постоянное напряжение. Представленный узел носит название – звено постоянного тока.

решение задач формирования синусоидального переменного напряжения с регулируемой частотой отвечает блок преобразования (BD). Роль электронных ключей, формирующих выходной сигнал, выполняют биполярные транзисторы с изолированным затвором IGВТ. Процесс управления вышеперечисленными блоками происходит согласно заблаговременно запрограммированному алгоритму микропроцессорным модулем или логическим блоком (BL).

Схема ниже показывает, что частотные преобразователи могут быть запитаны от внешнего звена постоянного тока. При этом защита частотника выполняется посредством быстродействующих предохранителей. Важно отметить, что использовать контакторы для питания от звена постоянного тока не рекомендуется. Дело в том, что при контакторной коммутации возникает повышенный зарядный ток и предохранители могут выгореть.

Два принципа управления преобразователями частоты

Различают два базовых принципа управления частотными преобразователями. Основной принцип скалярного управления состоит в изменении частоты и амплитуды питающего напряжения согласно закону:

Эта формула показывает, что оговоренный принцип является наиболее простым и доступным способом реализации частотного управления. За счет доступной стоимости преобразователей со скалярным управлением, такие агрегаты широко используются для привода механизмов, диапазон регулирования частоты вращения двигателя которых составляет 1:40. Такое ограничение удовлетворяет требованиям по управлению насосами, компрессорами, вентиляторами. Весомым преимуществом скалярного метода выступает возможность одновременного управления группой электрических двигателей.

Второй тип систем управления представляет векторный принцип, обеспечивающий параметры асинхронного электропривода, максимально приближенные к характеристикам привода постоянного тока. Такие особенности системы реализуются посредством разделения каналов регулирования потокосцепления и скорости вращения двигателя. Преобразователи, работающие по векторному принципу, характеризуются относительно высокой стоимостью и используются в механизмах, предъявляющих повышенные требования к качеству регулирования скорости – станки, лифты, краны и т.п.

Таким образом, мы кратко рассмотрели то, как работает частотник, для чего нужен этот агрегат и на каких принципах базируется его управление.

Применение частотного преобразователя

Применение частотных преобразователей позволило успешно реализовать эффективные системы регулирования скорости нижеприведенных объектов:

В начале статьи уже было рассмотрено, для чего нужен частотный преобразователь, а на данном этапе освещения вопроса остается подчеркнуть, что этот тип оборудования позволяет получить существенный экономический эффект:

В конечном итоге, назначение преобразователя частоты – это обеспечение максимально эффективной и продуктивной работы оборудования со всеми вытекающими положительными аспектами.

Как выбрать преобразователь частоты?

Чтобы упросить выбор частотного преобразователя, рекомендуем обратить внимание на таблицу, где приведены факторы, заслуживающие первостепенного внимания при подборе агрегата:

Классификация Связанные характеристики Скорость и момент Параметры времени Перегрузочная способность Пусковой момент
Тип нагрузки Фрикционная нагрузка и подъем груза. Вязкая, высокоинерционная нагрузка.

Нагрузка с передачей и накоплением энергии.

* *
Характеристики скорости и момента Постоянный момент Постоянная скорость Уменьшающийся момент

Уменьшающаяся скорость

* *
Характер нагрузки Постоянная нагрузка Ударная нагрузка Периодически изменяющаяся нагрузка Высокий начальный момент

Низкий начальный момент

* * * *
Продолжительный режим на ном. скор. Продолжительный режим на низкой/средней скорости.

Повторно-кратковременный режим.

* *
Максимальный вых. ток (мгновенный) Постоянный вых. ток (продолжит) * *
Максимальная частота Номинальная частота *
Мощность или импеданс источника питания (распред. трансформатора + провода). Скачки напряжения или дисбаланс фаз.

Число фаз, частота.

* *
Механическое трение, потери в проводниках * *
Изменение рабочего цикла *

Также подбор частотного преобразователя исходит из определенного перечня задач, которые должен эффективно решать привод:

Учитываются и конструктивные особенности ПЧ: форма, размер, пульт управление и т.п.

При работе с асинхронными электрическими двигателями, выбор преобразователя частоты должен основываться на соответствующей мощности. В случае, когда есть необходимость в большом пусковом моменте или минимальном времени разгона и торможения, рекомендуется обратить внимание на агрегаты на ступень выше стандартного. При выборе ПЧ для двигателя специального назначения, важно руководствоваться номинальным током преобразователя, который должен быть выше номинального тока электродвигателя.

Подключение частотного преобразователя к двигателю

Чтобы подключить ПЧ, мало открыть соответствующую страницу и, обнаружив знакомые значки и обозначения, соединить провода просто по схеме. Правильное подключение преобразователя частоты предполагает взятие во внимание рекомендованных производителем сечений, типов проводов, а также дополнительного оборудования. Схема содержит варианты подключения дополнительных установок и агрегатов, к которым могут относиться реакторы постоянного тока, тормозные блоки, фильтры, входные/выходные фильтры и т.д.

Также обратите внимание на выбор автоматических выключателей. Категорически не рекомендуется занижать их номиналы. Даже незначительный на первый взгляд дребезг биметаллической пластины вызовет хаотичные размыкания цепи, автомат при этом не отключится, однако звено постоянного тока ПЧ может пострадать. Обязательно учтите сечение проводов, используйте только хорошо обжатые наконечники.

Как показывает практика, в ряде случаев при монтаже путают входной и выходные клеммы частотного преобразователя (хотя существует общая схема маркировки у всех производителей). К сети подключаем L1-L3, к электродвигателю U,V,W. Упустите этот момент, и расплатой станет дорогостоящий ремонт.

Коммутация дискретных входов ПЧ, как правило, выполняется внешними «сухими» контактами, другими словами, внешний выключатель коммутирует или замыкает контакты внутри частотника. Категорически запрещено подавать на входы управления напряжение (220В/380В), это выводит из строя преобразователь.

Расчет преобразователя частоты

Выполнить точный расчет частотного преобразователя в условиях работы с одним или несколькими двигателями рекомендуется по нижеприведенным формулам.

Работа частотного преобразователя с одним электродвигателем предполагает учет следующих величин:

Pn – номинальная мощность электродвигателя (как правило, указывается на шильдике, кВт); J – приведенный к валу электрического двигателя момент инерции нагрузки (величина Нм2). В случае, когда вал не связан с инерционными элементами или электродвигатель работает на холостом ходу, приведенный момент инерции приравнивается к моменту инерции ротора электрического двигателя; n – частота вращения (выражается в об/мин), до которой нужно разогнать электродвигатель за определенное время t; t – время (секунды) в течение которого нужно разогнать электродвигатель до частоты вращения n; Un – значение напряжения (В) на обмотках электрического двигателя (номинальные обороты); k – коэффициент искажения тока на выходе преобразователя; k = 0,95 - 1,05; в ходе расчета предельных величин рекомендуется брать во внимание максимальное значение коэффициента; η – КПД электродвигателя; cosφ – эту величину следует взять из спецификации на двигатель, примерное значение будет равно 0,8-0,85.

1. Произведем расчет номинального момента на валу двигателя:

2. Расчет пусковой мощности электродвигателя:

3. Опираясь на этот параметр, выбирается рабочая мощность ПЧ, которая должна соответствовать нижеприведенному условию:

4. При этом ток, требуемый электродвигателю при линейном разгоне (величина Id), не должен быть больше пускового тока преобразователя.

5. Выполним расчет полной потребляемой электродвигателем мощности в условиях номинального установившегося режима.

Расчет преобразователя частоты с несколькими параллельно подключенными электродвигателями одинаковой мощности включает следующие показатели:

N – число электродвигателей, параллельно подсоединенных к одному частотному преобразователю, (шт.); Ns – число одновременно запускаемых электродвигателей, (шт.); Ks – коэффициент кратности пускового тока, величина равна Md/Mn ; In – номинальный ток электродвигателя согласно паспортным данным, (А).

1. Расчет полной пусковой мощности:

2. Расчет полного пускового тока:

Полученные данные являются базой для выбора частотного преобразователя, соответствующего следующим условиям:

Преобразователь частоты - что это такое?

Преобразователь частоты – это статическое преобразовательное устройство, необходимое для управления скоростью вращения асинхронных электрических двигателей. Асинхронные электрические двигатели переменного тока существенно отличаются от устройств постоянного тока. Отличие приходится на простоту конструкции и удобство использования. Именно этот фактор объясняет такую популярность асинхронных электродвигателей.

Важно отметить, что регулирование скорости вращения может выполняться посредством таких устройств, как механический вариатор, гидравлическая муфта и прочие. Но все эти методы имеют значительные недостатки, к которым относят сложность использования, низкое качество работы, дороговизну и малый диапазон регулирования.

Избежать всех этих проблем поможет частотный преобразователь для электродвигателя. В этом случае регулирование скорости вращения выполняется путем изменения напряжения питания и частоты электродвигателя. КПД такого частотника достигает 98%, а риск возникновения и развития аварийных ситуаций заметно снижается.

Классификация частотных преобразователей

По типу питающего напряжения преобразователи частоты делятся на следующие виды:

По типу управляемого электрического двигателя подключенного к преобразователю, устройства разработаны для управления:

По области применения типы частотных преобразователей будут следующими:

Все приведенные выше типы частотных преобразователей адаптированы для определенных условий эксплуатации, и чем сложнее эти условия, тем внимательнее следует подходить к подбору соответствующего оборудования. Так, современный высокочастотный преобразователь частоты позволяет не только организовывать наиболее энергоэффективные алгоритмы управления технологическими процессами, но и увеличивать срок службы двигателей и прочих включенных в технологический процесс элементов.

Если у Вас возникли сложности при выборе, мы поможем подобрать преобразователь частотно аналоговый, общепромышленный и другие типы преобразователей частоты, оптимально подходящие под конкретные условия использования.

Устройство частотного преобразователя

В большинстве случаев устройство частотного преобразователя базируется на схеме двойного преобразования. Агрегаты включают: звено постоянного тока (неуправляемый выпрямитель), силовой импульсный инвертор и управляющую систему. В свою очередь, звено постоянного тока включает неуправляемый выпрямитель и фильтр. Здесь переменное напряжение сети преобразуется в напряжение постоянного тока. В силовой трехфазный импульсный инвертор входит шесть транзисторных ключей и каждая обмотка двигателя подключается через определенный ключ к положительному/отрицательному выводам выпрямителя. Посредством инвертора выполняется преобразование выпрямленного напряжения в трехфазную переменную величину нужной частоты и амплитуды, прикладываемую к обмоткам статора электрического двигателя.

В роли ключей используются силовые IGBT-транзисторы. Если сравнивать их с тиристорами, то первые имеют более высокую частоту переключения, что дает возможность вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы при минимальных искажениях. Информация о том, как подключить и настроить частотный преобразователь будет рассматриваться ниже. В данном разделе приведено только общее устройство преобразователя частоты для ознакомления.

Принцип действия частотного преобразователя

Принцип действия частотного преобразователя базируется на особенностях работы асинхронного электродвигателя. В электрическом двигателе такого типа частота вращения магнитного поля (величина n1) зависит от частоты напряжения питающей сети. В случае, когда питание обмотки статора выполняется трехфазным напряжением, имеющим частоту f, генерируется вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого определяется по нижеприведенной формуле:

, где

р – это число пар статорных полюсов.

Переход от скорости вращения поля ω1, которая измеряется в радианах, к частоте вращения n1 (об/мин), выполняется согласно формуле:

, где

60 – это коэффициент пересчета размерности.

Если подставить в это уравнение скорость вращения поля ω1, получим следующее равенство:

Отсюда несложно заключить, что показатель частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя зависит от частоты напряжения питающей сети. Именно эта зависимость и отображает всю суть метода частотного регулирования. Частотный преобразователь для электродвигателя изменяет частоту напряжения питания на входе и, как следствие, регулирует частоту вращения ротора. Подчеркнем, что выходная частота в современных частотниках изменяется в широком диапазоне, а, значит, эта величина может быть как ниже, так и выше частоты питающей сети.

Частотник для электродвигателя, принцип работы силовой части которого лег в основу нижеприведенной классификации, соответствует следующим параметрам:

По историческим меркам первыми появились частотные преобразователи с непосредственной связью. В этих агрегатах силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель, выполненный на тиристорах. Управляющий узел в порядке очереди отпирает группы тиристоров, тем самым формируя выходной сигнал. Сегодня этот метод преобразования в новых разработках не используется.

Как работает преобразователь этого класса? Здесь используется двойное преобразование электроэнергии: входное синусоидальное напряжение (величины L1, L2, L3 на рисунке) с постоянной амплитудой/частотой выпрямляется в выпрямительном блоке (BR), фильтруется и сглаживается в блоке фильтрации (ВF), как результат, - получаем постоянное напряжение. Представленный узел носит название – звено постоянного тока.

решение задач формирования синусоидального переменного напряжения с регулируемой частотой отвечает блок преобразования (BD). Роль электронных ключей, формирующих выходной сигнал, выполняют биполярные транзисторы с изолированным затвором IGВТ. Процесс управления вышеперечисленными блоками происходит согласно заблаговременно запрограммированному алгоритму микропроцессорным модулем или логическим блоком (BL).

Схема ниже показывает, что частотные преобразователи могут быть запитаны от внешнего звена постоянного тока. При этом защита частотника выполняется посредством быстродействующих предохранителей. Важно отметить, что использовать контакторы для питания от звена постоянного тока не рекомендуется. Дело в том, что при контакторной коммутации возникает повышенный зарядный ток и предохранители могут выгореть.

Два принципа управления преобразователями частоты

Различают два базовых принципа управления частотными преобразователями. Основной принцип скалярного управления состоит в изменении частоты и амплитуды питающего напряжения согласно закону:

Эта формула показывает, что оговоренный принцип является наиболее простым и доступным способом реализации частотного управления. За счет доступной стоимости преобразователей со скалярным управлением, такие агрегаты широко используются для привода механизмов, диапазон регулирования частоты вращения двигателя которых составляет 1:40. Такое ограничение удовлетворяет требованиям по управлению насосами, компрессорами, вентиляторами. Весомым преимуществом скалярного метода выступает возможность одновременного управления группой электрических двигателей.

Второй тип систем управления представляет векторный принцип, обеспечивающий параметры асинхронного электропривода, максимально приближенные к характеристикам привода постоянного тока. Такие особенности системы реализуются посредством разделения каналов регулирования потокосцепления и скорости вращения двигателя. Преобразователи, работающие по векторному принципу, характеризуются относительно высокой стоимостью и используются в механизмах, предъявляющих повышенные требования к качеству регулирования скорости – станки, лифты, краны и т.п.

Таким образом, мы кратко рассмотрели то, как работает частотник, для чего нужен этот агрегат и на каких принципах базируется его управление.

Применение частотного преобразователя

Применение частотных преобразователей позволило успешно реализовать эффективные системы регулирования скорости нижеприведенных объектов:

В начале статьи уже было рассмотрено, для чего нужен частотный преобразователь, а на данном этапе освещения вопроса остается подчеркнуть, что этот тип оборудования позволяет получить существенный экономический эффект:

В конечном итоге, назначение преобразователя частоты – это обеспечение максимально эффективной и продуктивной работы оборудования со всеми вытекающими положительными аспектами.

Как выбрать преобразователь частоты?

Чтобы упросить выбор частотного преобразователя, рекомендуем обратить внимание на таблицу, где приведены факторы, заслуживающие первостепенного внимания при подборе агрегата:

Классификация Связанные характеристики Скорость и момент Параметры времени Перегрузочная способность Пусковой момент
Тип нагрузки Фрикционная нагрузка и подъем груза. Вязкая, высокоинерционная нагрузка.

Нагрузка с передачей и накоплением энергии.

* *
Характеристики скорости и момента Постоянный момент Постоянная скорость Уменьшающийся момент

Уменьшающаяся скорость

* *
Характер нагрузки Постоянная нагрузка Ударная нагрузка Периодически изменяющаяся нагрузка Высокий начальный момент

Низкий начальный момент

* * * *
Продолжительный режим на ном. скор. Продолжительный режим на низкой/средней скорости.

Повторно-кратковременный режим.

* *
Максимальный вых. ток (мгновенный) Постоянный вых. ток (продолжит) * *
Максимальная частота Номинальная частота *
Мощность или импеданс источника питания (распред. трансформатора + провода). Скачки напряжения или дисбаланс фаз.

Число фаз, частота.

* *
Механическое трение, потери в проводниках * *
Изменение рабочего цикла *

Также подбор частотного преобразователя исходит из определенного перечня задач, которые должен эффективно решать привод:

Учитываются и конструктивные особенности ПЧ: форма, размер, пульт управление и т.п.

При работе с асинхронными электрическими двигателями, выбор преобразователя частоты должен основываться на соответствующей мощности. В случае, когда есть необходимость в большом пусковом моменте или минимальном времени разгона и торможения, рекомендуется обратить внимание на агрегаты на ступень выше стандартного. При выборе ПЧ для двигателя специального назначения, важно руководствоваться номинальным током преобразователя, который должен быть выше номинального тока электродвигателя.

Подключение частотного преобразователя к двигателю

Чтобы подключить ПЧ, мало открыть соответствующую страницу и, обнаружив знакомые значки и обозначения, соединить провода просто по схеме. Правильное подключение преобразователя частоты предполагает взятие во внимание рекомендованных производителем сечений, типов проводов, а также дополнительного оборудования. Схема содержит варианты подключения дополнительных установок и агрегатов, к которым могут относиться реакторы постоянного тока, тормозные блоки, фильтры, входные/выходные фильтры и т.д.

Также обратите внимание на выбор автоматических выключателей. Категорически не рекомендуется занижать их номиналы. Даже незначительный на первый взгляд дребезг биметаллической пластины вызовет хаотичные размыкания цепи, автомат при этом не отключится, однако звено постоянного тока ПЧ может пострадать. Обязательно учтите сечение проводов, используйте только хорошо обжатые наконечники.

Как показывает практика, в ряде случаев при монтаже путают входной и выходные клеммы частотного преобразователя (хотя существует общая схема маркировки у всех производителей). К сети подключаем L1-L3, к электродвигателю U,V,W. Упустите этот момент, и расплатой станет дорогостоящий ремонт.

Коммутация дискретных входов ПЧ, как правило, выполняется внешними «сухими» контактами, другими словами, внешний выключатель коммутирует или замыкает контакты внутри частотника. Категорически запрещено подавать на входы управления напряжение (220В/380В), это выводит из строя преобразователь.

Расчет преобразователя частоты

Выполнить точный расчет частотного преобразователя в условиях работы с одним или несколькими двигателями рекомендуется по нижеприведенным формулам.

Работа частотного преобразователя с одним электродвигателем предполагает учет следующих величин:

Pn – номинальная мощность электродвигателя (как правило, указывается на шильдике, кВт); J – приведенный к валу электрического двигателя момент инерции нагрузки (величина Нм2). В случае, когда вал не связан с инерционными элементами или электродвигатель работает на холостом ходу, приведенный момент инерции приравнивается к моменту инерции ротора электрического двигателя; n – частота вращения (выражается в об/мин), до которой нужно разогнать электродвигатель за определенное время t; t – время (секунды) в течение которого нужно разогнать электродвигатель до частоты вращения n; Un – значение напряжения (В) на обмотках электрического двигателя (номинальные обороты); k – коэффициент искажения тока на выходе преобразователя; k = 0,95 - 1,05; в ходе расчета предельных величин рекомендуется брать во внимание максимальное значение коэффициента; η – КПД электродвигателя; cosφ – эту величину следует взять из спецификации на двигатель, примерное значение будет равно 0,8-0,85.

1. Произведем расчет номинального момента на валу двигателя:

2. Расчет пусковой мощности электродвигателя:

3. Опираясь на этот параметр, выбирается рабочая мощность ПЧ, которая должна соответствовать нижеприведенному условию:

4. При этом ток, требуемый электродвигателю при линейном разгоне (величина Id), не должен быть больше пускового тока преобразователя.

5. Выполним расчет полной потребляемой электродвигателем мощности в условиях номинального установившегося режима.

Расчет преобразователя частоты с несколькими параллельно подключенными электродвигателями одинаковой мощности включает следующие показатели:

N – число электродвигателей, параллельно подсоединенных к одному частотному преобразователю, (шт.); Ns – число одновременно запускаемых электродвигателей, (шт.); Ks – коэффициент кратности пускового тока, величина равна Md/Mn ; In – номинальный ток электродвигателя согласно паспортным данным, (А).

1. Расчет полной пусковой мощности:

2. Расчет полного пускового тока:

Полученные данные являются базой для выбора частотного преобразователя, соответствующего следующим условиям:

Частотные преобразователи. Работа и устройство. Типы и применение

Ротор электродвигателя начинает свое вращение с помощью электромагнитных сил от вращающегося магнитного поля, вызванного обмоткой якоря. Число оборотов определяется частотой тока в сети. Стандартное значение частоты тока составляет 50 герц. Это означает, что 50 периодов колебаний совершается за 1 секунду. В минуту число колебаний составит 50 х 60 = 3000. Значит, ротор будет вращаться 3000 оборотов в минуту.

Если научиться изменять частоту тока, то появится возможность регулировки скорости двигателя. Именно по этому принципу действуют частотные преобразователи.

Современное исполнение преобразователей частоты выглядит в виде высокотехнологичного устройства, состоящего из полупроводниковых приборов, совместно с микроконтроллером электронной системы. С помощью этой системы управления изменяются важные параметры электродвигателя, например, число оборотов.

Изменить скорость привода можно и с помощью механического редуктора шестеренчатого типа, либо на основе вариатора. Но такие механизмы имеют громоздкую конструкцию, их нужно обслуживать. С использованием частотника (инвертора) снижается расход на техническое обслуживание, повышается функциональность привода механизма.

Виды
По конструктивным особенностям частотные преобразователи делятся:

Электродвигатели асинхронного типа с фазным ротором, подключенные в режим генератора, представляют подобие индукционного частотного преобразователя. Они имеют малые КПД и эффективность. В связи с этим такие виды преобразователей не нашли популярности в использовании.

Электронные виды частотников дают возможность плавного изменения оборотов электродвигателей.

При этом реализуются два возможных принципа управления:
  1. По определенной зависимости скорости от частоты тока.
  2. По способу векторного управления.

Первый принцип самый простой, но не совершенный. Второй принцип применяется для точного изменения оборотов двигателя.

Конструктивные особенности

Рис. 1

Частотные преобразователи имеют в составе основные модули:

Все модули связаны между собой. Действие выходного каскада (инвертора) контролирует блок управления, с помощью которого меняются свойства переменного тока. Частотный преобразователь для электромотора имеет свои особенности. В его состав входит несколько защит, управление которыми осуществляется микроконтроллером. Например, проверяется температура полупроводников, работает защита от превышения тока и короткого замыкания. Частотник подключается к сети питания через устройства защиты. Для запуска электродвигателя не нужен магнитный пускатель.

Выпрямитель

Это первый модуль, по которому проходит ток. Он преобразует переменный ток в постоянный, благодаря полупроводниковым диодам. Особенностью частотника является возможность его питания от однофазной сети. Разница в конструкции состоит в разных типах выпрямителей.

Если мы говорим про однофазный частотник для двигателя, то нужно использовать в выпрямителе четыре диода по мостовой схеме. При трехфазном питании выбирается схема из шести диодов. В итоге получается выпрямление переменного тока, появляется два полюса: плюс и минус.

Фильтр напряжения

Из выпрямителя выходит постоянное напряжение, которое имеет значительные пульсации, заимствованные от переменного тока. Для их сглаживания используют такие элементы, как электролитический конденсатор и катушка индуктивности.

Катушка имеет много витков, и обладает реактивным сопротивлением. Это дает возможность сглаживать импульсы тока. Конденсатор, подключенный к двум полюсам, имеет интересные характеристики. При прохождении постоянного тока он в силу закона Киргофа должен быть заменен обрывом, как будто между полюсами ничего нет. При прохождении переменного тока он должен быть проводником, то есть, не иметь сопротивления. В результате доля переменного тока замыкается и исчезает.

Инверторный модуль

Это узел, имеющий наибольшую важность в преобразователе частоты. Он изменяет параметры тока выхода, состоит из шести транзисторов. Для каждой фазы подключены по два транзистора. В каскаде инвертора применяются современные транзисторы IGBT.

Если изготавливать частотные преобразователи своими руками, то необходимо выбирать элементы конструкции, исходя из мощности потребления. Поэтому нужно сразу определить тип электродвигателя, который будет питаться от частотника.

Микропроцессорная система

В самодельной конструкции не получится добиться таких параметров, имеющихся у заводских моделей, так как в домашних условиях сделать управляющий модуль сложно. Дело не в пайке деталей, а в создании программы для микроконтроллера. Простой способ – это сделать управляющий блок, которым можно регулировать обороты двигателя, осуществлять реверс, защищать двигатель от перегрева и перегрузки по току.

Чтобы изменить обороты мотора, нужно применить переменное сопротивление, подключенное к вводу микроконтроллера. Это устройство подает сигнал на микросхему, которая производит анализ изменения напряжения и сравнивает его с эталоном (5 вольт). Система действует по алгоритму, который создается до начала создания программы. По нему действует микропроцессорная система.

Приобрели большую популярность управляющие модули Siemens. Частотные преобразователи этой фирмы надежны, могут применяться для любых электродвигателей.

Принцип действия

Основа работы инвертора состоит в двойном изменении формы электрического тока.

Напряжение подается на блок выпрямления с мощными диодами. Они удаляют гармонические колебания, однако оставляют импульсы сигнала. Чтобы их удалить, подключен конденсатор с катушкой индуктивности, образующие фильтр, который стабилизирует форму напряжения.

Далее, сигнал идет на частотный преобразователь. Он состоит из шести мощных транзисторов с диодами, защищающими от пробоя напряжения. Ранее для таких целей применялись тиристоры, но они не обладали таким быстродействием, и создавали помехи.

Чтобы подключить режим замедления мотора, в схему устанавливают транзистор управления с резистором, который рассеивает энергию. Такой способ дает возможность удалять образуемое двигателем напряжение, чтобы защитить емкости фильтра от выхода из строя вследствие перезарядки.

Метод управления векторного типа частотой инвертора дает возможность создания схемы, которая автоматически регулирует сигнал. Для этого применяется управляющая система:

Амплитудная регулировка работает на изменении напряжения входа, а ШИМ – порядка действия переключений транзисторов при постоянном напряжении на входе.

При регулировании ШИМ образуется период модуляции, когда обмотка якоря подключается по очереди к выводам выпрямителя. Так как тактовая частота генератора высокая и находится в интервале 2-15 килогерц, то в обмотке мотора, имеющего индуктивность, осуществляется сглаживание напряжения до нормальной синусоиды.

Принцип подключения ключей на транзисторах

Каждый из транзисторов включается по встречно-параллельной схеме к диоду (Рис. 1). Через цепь транзистора протекает активный ток электродвигателя, реактивная часть поступает на диоды.

Чтобы исключить влияние помех на действие инвертора и электродвигателя, в схему подключают фильтр, который удаляет:

Об их образовании дает сигнал контроллер, чтобы снизить помехи, применяются экранированные провода от двигателя до выхода инвертора.

Чтобы оптимизировать точность функционирования асинхронных двигателей, в цепь управления инверторов подключают:Схемы подключения

Частотные преобразователи служат для работы в 1-фазных и 3-фазных сетях. Но если имеются промышленные источники питания на 220 вольт постоянного тока, то инверторы также можно подключать к ним.

Частотные преобразователи для 3-фазной сети рассчитаны на 380 вольт, их подают на мотор. 1-фазные частотники работают от сети 220 вольт, выдают на выходе 3 фазы. Частотник может подключаться к электродвигателю по схеме звезды или треугольника.

Обмотки мотора соединяются в «звезду» для частотника, работающего от трех фаз 380 вольт.

Обмотки двигателя соединяют «треугольником», когда инвертор запитан от 1-фазной сети.

При выборе метода подключения электродвигателя к частотнику необходимо определить мощности, которые создает двигатель на разных режимах, в том числе и медленный режим, тяжелый запуск. Преобразователь частоты нельзя эксплуатировать с перегрузкой длительное время. Его мощность должна быть с запасом, тогда работа будет без аварий, и срок службы продлится.

Применение

Частотные преобразователи используются в устройствах с необходимостью регулировки скорости двигателя.

ПреимуществаПохожие темы:


Смотрите также




© 2012 - 2020 "Познавательный портал yznai-ka.ru!". Содержание, карта сайта.