Преобразователь частоты для асинхронных двигателей

Типы сигналов управления

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

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

Способ управления

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

По мощности

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

Основное внимание следует обратить на марку агрегата. Идеальным будет вариант приобретения устройства, сделанного именно тем производителем, который выпустил и двигатель

От этого будет зависеть эффективность рабочего тандема. Да и присутствие поблизости фирменного центра обслуживания играет немаловажную роль.

Схема блока питания для частотного преобразователя.

Напряжение в сети

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

Частотная регулировка

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

Дискретные входы

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

Варианты подключения электродвигателя

Соотношение цены и количества выводов

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

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

Перегрузки и ШУ

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

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

Разновидности устройств

В зависимости от конструктивных особенностей выделяют основные типы частотных преобразователей 220/380 – индукционные и электронные. К первому варианту относят асинхронные разновидности электрических двигателей, особенностью которых является применение схемы с фазным ротором.

А вот электронный вариант может быть использован как при функционировании асинхронных движков, так и модификаций синхронного вида. Управление двигателями производится несколькими принципиально различающимися способами:

Посредством скалярного управления, исходя из линейных закономерностей. В этом случае учитывается пропорциональная зависимость амплитуды от частоты. Если частота меняется, то амплитуда входного напряжения также будет изменяться. В результате это влияет на крутящий момент, КПД, и уровень мощности.

Задание равномерности момента нагрузки обеспечивается постоянством соотношения амплитуды с выходной частотой. Преобразующее устройство и формирует указанное равновесие.

При векторном подходе момент нагрузки постоянен при любых пределах частотных изменений. Это позволяет получить большую точность регулирования. Возрастает и гибкость реагирования электропривода на скачки в выходной нагрузке. Частотный преобразователь для асинхронного двигателя обеспечивает постоянный контроль над моментом вращения.

Важно помнить, что фаза тока статора, которая меняется под действием магнитного поля, и представляет собой вектор тока. Он управляет моментом вращения

Таким образом, в этом случае используется амплитудная или широтно-импульсная система регулировки сигнала.

Режимы управления частотными преобразователями

В большинстве моделей современных частотных преобразователей реализована возможность управления в нескольких режимах:

1) Ручное управление.

Пуск и остановка электродвигателя осуществляются с панели или пульта управления частотника. При этом преобразователь осуществляет регулировку частоты вращения и остановку при возникновении аварийных ситуаций автоматически.

2) Внешнее управление.

ЧП с поддержкой интерфейсов передачи данных можно подключать к удаленному ПК для контроля текущих параметров и задания режимов работы привода.

3) Управление по дискретным входам или “сухим контактам”.

4) Управление по событиям.

Некоторые модели ЧП позволяют запрограммировать время пуска или остановки, работу двигателя в другом режиме. Преобразователи такого типа применяют для полностью или частично автоматизированного технологического оборудования.

Преимущества частотных преобразователей.

Основные преимущества использования частотных преобразователей:

1) Экономия электроэнергии.

Применение ЧП позволяет снизить пусковые токи и регулировать потребляемую мощность двигателя в зависимости от фактической нагрузки.

2) Увеличение срока службы промышленного оборудования.

Плавный пуск и регулировка скорости вращения момента на валу позволяют увеличить межремонтный интервал и продлить срок эксплуатации электродвигателей.

Возможность отказаться от редукторов, дросселирующих задвижек, электромагнитных тормозов и другой регулирующей аппаратуры. снижающей надежность и увеличивающей энергопотребление оборудования.

3) Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.

4) Возможность удаленного управления и контроля параметров оборудования с электроприводом.

5) Широкий диапазон мощности двигателей.

Частотные преобразователи устанавливают как на однофазные конденсаторные двигатели мощностью менее 1 кВт, так и на синхронные электромашины мощностью в десятки МВт.

6) Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.

ЧП комплектуют защитой от перегрузок, коротких замыканий, пропадания фаз. Преобразователи также обеспечивают перезапуск при возобновлении подачи электроэнергии после ее отключения.

Возможность бесступенчатой точной регулировки частоты вращения без потерь мощности, что невозможно при использовании редукторов.

7) Снижение уровня шума работающего двигателя.

Возможность замены двигателей постоянного тока асинхронными электрическими машинами с частотными регуляторами. Для оборудования, требующего регулировки момента и скорости вращения, часто используются двигатели постоянного тока, скорость вращения которых пропорциональна поданному напряжению. Такие электрические машины стоят дороже асинхронных и требуют дорогостоящих промышленных выпрямителей. Замена двигателей постоянного тока на асинхронные электромашины с частотным управлением дает хороший экономический эффект.

Сферы применения

Частотно-регулируемые приводы применяют:

Для кранов и грузоподъемных машин. Крановые двигатели работают в режиме частых пусков, остановок, изменяющейся нагрузки. ЧП обеспечивают отсутствие рывков и раскачивания груза при пусках и остановках, остановку крана точно в требуемом месте, снижают нагрев электродвигателей и максимальный пусковой момент.
Для привода нагнетательных вентиляторов в котельных и дымососов. Общее управление с плавной регулировкой дутьевых и вытяжных вентиляторов позволяет автоматизировать процесс горения и обеспечить максимальный к.п.д . котельных агрегатов.
Для транспортеров, прокатных станов, конвейеров, лифтов. ЧП регулирует скорость перемещения транспортного оборудования без рывков и ударов, что увеличивает срок службы механических узлов.Для насосных агрегатов. ЧП позволяют обойтись без задвижек и вентилей, регулирующих давление и производительность, и существенно увеличить общий к.п.д системы водоподачи.
Для электродвигателей станков. Использование преобразователя частоты вместо коробки передач позволяет плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения рабочего органа станка, осуществлять реверс. ЧП широко используются для станков с ЧПУ и высокоточного промышленного оборудования.

Внедрение частотно-регулируемых приводов дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и ТО двигателей и оборудования, возможности использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до трех лет.

Первый пуск и настройка

Перед первым включением собранной схемы, на преобразователе частоты выставляется минимально возможная скорость вращения вала. После этого включаем автомат, подаем питание на инверторный преобразователь частоты. На нем должны загореться светодиоды. В моделях с дисплеем, на экране отобразятся стартовые показатели прибора. Далее действия такие:

Кратковременно нажимаем кнопку «пуск» на частотнике.
Вал начинает медленно вращаться. Если он движется не в ту сторону, можно либо перепрограммировать направление вращения (смотрим в инструкции), либо перекинуть фазы предварительно отключив автомат.
Если вал вращается в нужном направлении, при помощи регулятора задаем требуемую частоту.

В некоторых моделях на экране отображается не частота вращения вала, а частота подаваемого напряжения. Если это так, необходимо будет по таблице пересчитывать значения.

Подключение к электродвигателю

Для обеспечения безопасной работы, перед частотным преобразователем желательно ставить автомат защиты. Причем на трехфазную сеть нужен трехфазный автомат, а не три отдельных однофазных. Это позволит быстро отключить сразу все фазы как при перегрузке проводки, так и при перекосе на одной из фаз. Номинал автоматов выбирают по току нагрузки.

Подключение нулевого и заземляющего проводников обязательно. Тянут их от соответствующих шин напрямую — при помощи провода требуемого сечения. Для защиты человека и контроля за состоянием изоляции, в схему желательно добавить еще УЗО (устройство защитного отключения). Его включают перед автоматом. При возникновении тока утечки, УЗО одновременно разорвет фазы и ноль, полностью обесточив схему.

Схема разрабатывается в зависимости от назначения устройства с которым работает электродвигатель

При покупке дешевых моделей преобразователей, для пуска и останова может понадобиться установка специального реле, фиксирующего контакты в нужном положении. В этом случае с выхода автомата провода подаются на реле, а с его выхода идут на частотный преобразователь. Само подключение двигателей к ПЧ происходит напрямую.

Схема подключения частотного преобразователя для двух электродвигателей

Как известно, асинхронные двигатели могут работать как с однофазным, так и с трехфазным напряжением. Перед подключением движка к преобразователю частоты, надо проверить как подключены обмотки. Они должны быть:

«звездой» — если напряжение на выходе ПЧ трехфазное;
«треугольником» — если преобразователь выдает однофазное питание.

Частотный преобразователь для электродвигателя: подключение напрямую возможно не для всех двигателей

Частотный преобразователь для электродвигателя подключается при помощи кабелей (не проводов), сечение и параметры которых соответствуют параметрам устройства. Эти данные, как и рекомендации по подключению, должны быть в паспорте прибора. Так что внимательно проштудируйте мануал. Это может спасти от многих неприятностей. Все-таки могут быть особенности.

Принцип действия

Если объяснять принцип работы частотного преобразователя, то можно сказать, что применение этого устройства позволяет эффективно и качественно управлять работой мощных асинхронных электродвигателей.

Оборудование представляет собой частотно-регулируемый привод (ЧРП), за счет которого улучшились технические характеристики машин и механизмов. Чтобы изменить число оборотов вала двигателя, необходимо отрегулировать амплитуду напряжения и частоты. Принцип работы преобразователя частоты основан на двух способах:

Скалярное управление — позволяет проводить регулировку согласно линейному закону, когда амплитуда и частота пропорционально зависят друг от друга. То есть изменение частоты влияет на амплитуду поступающего напряжения, которое действует на крутящий момент и коэффициент мощности механизма

Очень важно, чтобы момент нагрузки на валу электродвигателя оставался одинаковым, а отношение напряжения к выходной частоте оставалось неизменным.
Векторная регулировка — позволяет удерживать постоянную нагрузку при любых изменениях частоты. Осуществляет более точное управление, и электропривод мягче реагирует на изменение выходной мощности

Следует учитывать, на момент вращения влияет величина тока статора, точнее, магнитное поле, которое он создает.

Промышленное напряжение поступает на выпрямитель, который сглаживает синусоиды, оставляя пульсации сигнала. Чтобы их ликвидировать и сгладить форму выходного напряжения, предусмотрены в конструкции конденсаторы с индуктивностью.

Чтобы обеспечить плавное торможение вращения, в конструкцию вмонтирован регулируемый транзистор с мощным сопротивлением. По такому принципу работает частотный преобразователь для электродвигателя.

Векторное управление без обратной связи

Векторное управление (ВУ) без обратной связи используется для более широкого и динамичного регулирования скорости электрической машины. При пуске от преобразователя частоты электродвигатели могут развивать пусковой момент в 200% от номинального при частоте всего 0,3 Гц. Это значительно расширяет перечень механизмов, где может быть применен асинхронный электропривод с векторным управлением. Этот метод также позволяет управлять моментом машины во всех четырех квадрантах.

Ограничение вращающего момента осуществляется двигателем. Это необходимо для предотвращения повреждения оборудования, машин или продукции. Значение моментов разбивают на четыре различных квадранта, в зависимости направления вращения электрической машины (вперед или назад) и в зависимости от того, реализует ли электродвигатель режим рекуперативного торможения. Ограничения могут устанавливаться для каждого квадранта отдельно или же пользователь может задать общий вращающий момент в преобразователе частоты.

Двигательный режим асинхронной машины будет при условии, что магнитное поле ротора отстает от магнитного поля статора. Если магнитное поле ротора начнет опережать магнитное поле статора, то тогда машина войдет в режим рекуперативного торможения с отдачей энергии, проще говоря – асинхронный двигатель перейдет в генераторный режим.

Например, машина по закупорке бутылок может использовать ограничение момента в квадранте 1 (направление вперед с положительным моментом) для предотвращения чрезмерного затягивания крышки бутылки. Механизм производит движение вперед и использует положительный момент для того, чтобы закрутить крышку бутылки. А вот устройство, такое как лифт, с противовесом тяжелее, чем пустая кабина, будет использовать квадрант 2 (обратное вращение и положительный момент). Если кабина подымается на верхний этаж, то крутящий момент будет противоположен скорости. Это необходимо для ограничения скорости подъема и недопущения свободного падения противовеса, так как он тяжелее, чем кабина.

Обратная связь по току в данных преобразователях частоты ПЧ позволяет устанавливать ограничения по моменту и току электродвигателя, поскольку при увеличении тока растет и момент. Выходное напряжение ПЧ может изменятся в сторону увеличения, если механизм требует приложения большего крутящего момента, или уменьшатся, если достигнуто его предельно допустимое значение. Это делает принцип векторного управления асинхронной машиной более гибким и динамичным по сравнению с принципом U/F.

Также частотные преобразователи с векторным управлением и разомкнутым контуром имеют более быстрый отклик по скорости – 10 Гц, что делает возможным его применение в механизмах с ударными нагрузками. Например, в дробилках горной породы нагрузка постоянно меняется и зависит от объема и габаритов обрабатываемой породы.

В отличии от шаблона управления U/F векторное управление использует векторный алгоритм, для определения максимально эффективного напряжения работы электродвигателя.

Векторное управления ВУ решает данную задачу благодаря наличию обратной связи по току двигателя. Как правило, обратная связь по току формируется внутренними трансформаторами тока самого преобразователя частоты ПЧ. Благодаря полученному значению тока преобразователь частоты проводит вычисления вращающего момента и потока электрической машины. Базовый вектор тока двигателя математически расщепляется на вектор тока намагничивания (I_d) и крутящего момента (I_q).

Используя данные и параметры электрической машины ПЧ вычисляет векторы тока намагничивания (I_d) и крутящего момента (I_q). Для достижения максимальной производительности, преобразователь частоты должен держать I_d и I_q разведенными на угол 90. Это существенно, так как sin 90 = 1, а значение 1 представляет собой максимальное значение крутящего момента.

В целом векторное управление асинхронным электродвигателем осуществляет более жесткий контроль. Регулирование скорости составляет примерно ±0,2% от максимальной частоты, а диапазон регулирования достигает 1:200, что позволяет сохранять вращающий момент при работе на низких скоростях.

Частотный преобразователь для электродвигателя: назначение и функции

Инверторный преобразователь частоты — электронное устройство для изменения частоты электрического тока и напряжения. Пределы изменений солидные. Частота может меняться от 1 Гц до 500 Гц. И это не максимум, а предел регулировки нормального частотника. Современные частотные инверторы делают на основе электроники, что позволяет точно поддерживать частоту и напряжение. При желании можно создать условия для плавного старта. Все это позволяет применять относительно недорогие электромоторы постоянного тока там, где раньше это было невозможно.

Некоторые частотные преобразователи управляются микропроцессорами

Частотный инвертор с асинхронным электромотором

Асинхронные двигатели при включении потребляют в разы больше энергии чем при штатной работе. Пусковые токи могут быть в 6-8 раз выше рабочих. Такие мгновенные скачки просаживают сеть. Напряжение резко падает, потом также скачкообразно восстанавливается. При включении особо мощного движка, сетевые параметры изменяются настолько сильно, что воспринимаются чувствительной техникой как пропадание. В результате перезапускается компьютерная техника, моргают или совсем гаснут лампы, перегорают блоки питания у котлов отопления и т.д.

Раньше остроту проблемы снижали установкой конденсаторов, которые сглаживали скачки. Но конденсаторы требуются большой емкости — по 70 мкФ на каждый киловатт мощности, плюс такую же емкость необходимо подключать для нейтрализации пускового тока. Но даже в этом случае скачки были, как и перегрузки двигателя на старте. К тому же подключение через емкость «съедало» значительную часть мощности мотора. Для компенсации потери необходимо было покупать более мощные агрегаты, ставить более мощные пусковые конденсаторы. В общем, решение не лучшее, но другого по сути, не было.

Преобразователи частоты выбирают по мощности подключаемого оборудования (должен быть запас не менее 20%) и по току (тоже с запасом)

С появлением преобразователей частоты (ПЧ) проблема решается намного эффективнее. Основная функция этого оборудования — плавный и постепенный разгон двигателя с нуля до полной мощности. На протяжении определенного промежутка времени (может задаваться, а может быть фиксированной величиной), подаваемый на двигатель ток плавно изменяет свои параметры, выводя движок на рабочий режим. Никаких перегрузок, влияния на сети. И конденсаторы не нужны, значит мощность двигателя может быть примерно на 40% меньше чем раньше (именно настолько она снижалась с конденсаторами). Точно так же, постепенно, происходит отключение. Электромотор постепенно замедляется, затем останавливается. В общем, частотный преобразователь для электродвигателя продлевает срок его эксплуатации, убирает проблему пусковых токов, стабилизирует параметры сети.

Что дает применение частотного инвертора с синхронным двигателем

Синхронные электродвигатели постоянного тока имеют несложное устройство, после выхода на требуемую скорость работают стабильно. Недостатки — сложности с пуском и невозможность регулирования частоты вращения вала. Проблему пуска давно научились обходить — делают асинхронную пусковую обмотку, которой разгоняют до нужной частоты. А вот невозможность менять скорость очень сильно ограничивает область применения. Не так много устройств, в которых нет необходимости в разных скоростных режимах работы двигателя. Это вентсистемы, кулеры.

Таблица с несколькими моделями, их параметрами и ценами

Если с синхронным электродвигателем использовать частотный преобразователь, проблема изменения скоростей решается на раз. Причем эта связка работает настолько удачно, что японцы уже выпустили новые электропоезда на такой тяге. Стало появляться и другое подобное оборудование. Причем не только тяговое — новые электроинструменты некоторые производители стали выпускать с такими моторами. Да, стоит такое оборудование дороже, но имеет хороший КПД, работает стабильно.

Полезно знать покупателю

С особенностями выбора можно ознакомиться в поставщика. Там же квалифицированно обсуждают специальные требования заказчика в том числе:

Предпродажная оценка состояния объекта покупателя, обеспечивающая правильный подбор преобразователя частоты. В него входит уточнение технических условий для внедрения решения. Выявление рисков и их минимизации. Составление оптимальной схемы монтажа оборудования в производственный процесс.

Выделение отдельного консультанта, обеспечивающего сотрудничество с продавцом начиная с подбора преобразователя частоты, оформление заказа, до отгрузки со склада на площадку монтажа. Он поможет решить вопрос по обслуживанию и в дальнейшем устранять возникающие проблемы эксплуатации.

Замена ПЧ устаревшего образца или импортного производства.

Компания может оказать услугу по передаче персоналу покупателя навыков и опыт использования частотных преобразователей.

Cтруктура и схема преобразователя частоты. Часть 1.

Watch this video on YouTube

Способы контроля

Многие люди, работающие в сфере автоматизации, но не сталкивающиеся вплотную с процессами разработки и внедрения систем электроприводов полагают, что управление электродвигателем состоит из последовательности команд, вводимых с помощью интерфейса от пульта управления или ПК. Да, с точки зрения общей иерархии управления автоматизированной системой это правильно, однако есть еще способы управления самим электродвигателем. Именно эти способы и будут оказывать максимальное влияние на производительность всей системы.

Для асинхронных электродвигателей, подключенных к преобразователю частоты, существует четыре основных способа управления:

U/f – вольт на герц;
U/f с энкодером;
Векторное управление с разомкнутым контуром;
Векторное управление с замкнутым контуром;

Все четыре метода используют широтно-импульсную модуляцию ШИМ, которая изменяет ширину фиксированного сигнала путем изменения длительности импульсов для создания аналогового сигнала.

Широтно-импульсная модуляция применяется к преобразователю частоты путем использования фиксированного напряжения шины постоянного тока. Транзисторы с изолированным затвором (IGBT) путем быстрого открытия и закрытия (правильней сказать коммутации) генерируют выходные импульсы. Варьируя ширину этих импульсов на выходе получают «синусоиду» нужной частоты. Даже если форма выходного напряжения транзисторов импульсная, то ток все равно получается в виде синусоиды, так как электродвигатель имеет индуктивность, которая влияет на форму тока. Все методы управления основываются на ШИМ модуляции. Разница между методами управления заключается лишь в методе вычисления подаваемого напряжения на электродвигатель.

В данном случае несущая частота (показана красным) представляет собой максимальную частоту коммутации транзисторов. Несущая частота для инверторов, как правило, лежит в пределах 2 кГц – 15 кГц. Опорная частота (показана синим) представляет собой сигнал задания выходной частоты. Для инверторов применимых в обычных системах электроприводов, как правило, лежит в пределах 0 Гц – 60 Гц. При накладывании сигналов двух частот друг на друга, будет выдаваться сигнал открывания транзистора (обозначен черным цветом), который подводит силовое напряжение к электродвигателю.

Назначение и принцип работы преобразователя частоты для асинхронных двигателей