Частотный преобразователь: конструкция, принцип действия

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:

Уменьшение тока запуска. В случае запуска электродвигателя с помощью прямых пускателей наблюдается резкое увеличение тока, значения которого превышают номинальное в 7-15 раз. Это негативно сказывается на электропривод и может привести к пробою изоляции, выгоранию контактов и ряду других негативных последствий. Кроме того, такой способ запуска оказывает влияние и на механические компоненты системы. В момент пуска рабочие узлы двигателя подвергаются высоким нагрузкам, что приводит к их более быстрому износу. Благодаря частотным преобразователям можно существенно снизить пусковые нагрузки на электродвигатель, продлив срок его безремонтной эксплуатации.
Экономичность. Как правило, двигатели, поддерживающие работу вентиляционных и насосных систем, всегда работают на одной и той же частоте, а регулировка давления и других рабочих показателей осуществляется с помощью арматуры (шиберы, заслонки и т.д.). Это приводит к нерациональному расходованию электроэнергии. В случае использования преобразователей частот можно осуществлять настройку рабочих параметров системы за счет корректировки интенсивности работы двигателя. Это дает возможность более рационально расходовать его ресурсы.
Повышенная адаптивность. При использовании частотных преобразователей можно конструировать автоматизированные системы, которые по установленным алгоритмам будут корректировать работу оборудования. Это снижает трудозатраты производственных процессов и позволяет сделать их более точными за счет исключения человеческого фактора.
Ремонтопригодность. В случае поломки преобразователя частот вы можете отдать его в мастерскую, где мастер заменит вышедшие из строя детали. Правда, это касается только электропреобразующего блока – с блоками управления все намного сложнее и они более требовательны с точки зрения восстановления.

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

Как сконструировать частотный привод своими руками

При разработке привода следует делать упор на то, чтобы конструкция была эффективной и стоила немного. Также необходима защита и и гибкость. В итоге выйдет инвертор, у которого следующие функции:

намагничивания двигателя;
полной остановки мотора;
скорости набора частоты от 5 до 50 Гц за секунду;
максимальной мощности с модулем 750 Вт;
выходной частоты от 5 до 200 Гц;
входа реверса;
возможности менять характеристику У/Ф;
контроля напряжения ДС звена;
вольт добавки от 0 до 20 %.

Когда подается питание, то происходит заряд емкости ДС звена. Когда оно достигнет 220 В, произойдет определенная задержка и включится реле предзаряда, загорится единственный светодиод. Можно считать, что привод полностью готов к работе. Чтобы управлять частотником, в наличии шесть входов.

схема девайса

По какому алгоритму работает устройство

С самого начала микроконтроллер настроен на работу с электродвигателем с номинальной мощностью 220 В, а частота вращения поля 50 Гц — речь идет об обычном частотнике. Набирается частота со скоростью где-то на уровне 15 Гц за секунду. Вольт добавку устанавливают на уровне 10 % с длительностью намагничивания 1 секунду. Эта величина является неизменной.

Продолжительность торможения постоянными токами 1 секунда. Не стоит забывать, что величина электричества в момент намагничивания и торможения изменяется в одно время. Частотные преобразователи скалярные. Когда растет выходная скорость, то растет и выходной ток.

Если в момент вращения движка изменить задание на резисторе, то оно сможет измениться только когда команда будет дана повторно. Грубо говоря, данные с резистора будут читаться при отсутствии этих двух сигналов. Если планируется регулировка скорости при помощи резистора в момент работы, то нужно будет устанавливать джампер.

Особенности настроек и регулирования

Прежде чем в первый раз включить привод, необходимо его настроить и проверить, правильно ли смонтированы все электронные компоненты и настроен делитель напряжения для ДС звена. Если на 100 вольт звена 1 вольт на 23, то можно считать настройку завершенной. Плата перед подачей тока промывается и удаляются остатки канифоли со стороны пайки при помощи спирта или растворителя, покрывается лаком плата.

У привода присутствуют заводские настройки — они подойдут как для движка с напряжением 220В, так и для движка с током 380В. Чтобы выставить заводские настройки для движка 220 в и частотой 50 Гц следует выполнить следующие действия:

Привод включается.
Ожидается готовность.
Нажимается и удерживается кнопка В1, пока светодиод не замигает, тогда кнопку можно отпускать.
Подается команда выбора скорости. Когда светодиод уже не мигает, команда убирается.
Можно считать привод настроенным.

Во время этих настроек в автоматическом режиме записываются параметры номинальной частоты движка, интенсивность разгона, вольт добавки, интенсивность торможения. Получается, что пока светодиоды мигают, то привод настраивается.

плата

Что касается питания

Лучше всего воспользоваться трансформатором, потому что он надежнее всех остальных вариантов. Обязательна установка защитного диода. Какие движки можно подключать к самодельным преобразователям частоты? В данном случае большое значение имеет модуль. Следует учитывать, что некоторые модули рассчитаны на небольшие импульсные токи и имеют встроенную защиту на уровне 15 А. А это крайне мало. Если речь идет о двигателе в 50 Гц, то этого вполне достаточно. Когда вы располагаете высокооборотистым шпинделем, то зачастую у них небольшое сопротивление обмотки. Данные модули можно будет пробить импульсными токами.

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:

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.
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.
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.

Часть 2. Нюансы

— Как правильно подобрать диапазон регулирования частоты и какой способ управления выбрать?

Петр Ивлев: «Использование ПЧ позволяет регулировать скорость электродвигателя от нуля до номинального значения и выше. При этом важно помнить, что преобразователь может обеспечить на выходе напряжение, равное напряжению питающей сети. Образно говоря, если двигателю нужно 690 В, а ПЧ рассчитан на 380 В — это в корне неправильный подбор оборудования».

О способах управления

В интернете много теоретической информации о том, какой вариант лучше. На самом деле основывать свой выбор надо не на оценках метода управления, а на области применения преобразователя частоты. В оборудовании, которое работает с кранами, подъемными механизмами или протяжными станками используется векторный способ. В насосах и вентиляторах, то есть в тех механизмах, где скорость практически не меняется, обычно используется скалярный. Оба этих метода решают одну задачу: регулировки скорости и изменения момента.

— Что такое ПИД-регулятор, управляющие входы/выходы, и насколько это важно?

Петр Ивлев: «Пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор (ПИД-регулятор) управляет внешними процессами, анализируя сигналы обратной связи, поступающие на преобразователь частоты. Этот регулятор есть в 95 % современных преобразователей частоты».

Самый простой пример его использования: требуется поддерживать постоянное давление в трубе 5 Бар. ПЧ считывает сигналы с датчиков, а ПИД-регулятор за счёт математических алгоритмов обеспечивает необходимый режим работы ПЧ.

ПЧ считывает сигналы с датчиков, а ПИД-регулятор за счёт математических алгоритмов обеспечивает необходимый режим его работы

Что касается входов и выходов

Сегодня большинство преобразователей частоты имеют в базовой комплектации аналоговые и цифровые входы/выходы, последовательный интерфейс и т.д. Такой набор функций позволяет интегрировать ПЧ в большинство автоматических систем, без ограничений в выборе способов управления преобразователем.

Дискретное (цифровое) управление считается самым простым, данные входы используются для передачи основных команд: пуск или остановка электропривода, регулирование скорости, переключение между режимами работы ПЧ. Такие выходы сообщают о неисправностях, достижениях заданных пределов по частоте и току, дают команды на включение ведомых электроприводов и т.д. На один дискретный вход можно задать необходимую функцию, выбрав из более чем нескольких десятков.
Аналоговое управление решает другие задачи. Например, обеспечивает плавное регулирование. Также данный способ управления позволяет проводить постоянный мониторинг и контролировать состояние необходимых параметров системы. Сигналы поступают на вход ПЧ с соответствующих датчиков.
Управление по последовательному интерфейсу используется для построения сложной автоматизированной системы. Данный способ позволяет управлять сразу несколькими преобразователями частоты, причем они могут находиться далеко друг от друга. Такой способ значительно сокращает число проводов, одновременно увеличивая возможности передачи информации. Наиболее универсальным и, соответственно, популярным и надежным интерфейсом (протоколом) для подключения к ПЧ на сегодняшний день считается Modbus (RS485).

— На что еще стоит обратить внимание, выбирая преобразователь частоты?

Артем Мошечков: «Разумеется, на функциональность, эргономичность оборудования, наличие дополнительных возможностей, понятный интерфейс. Важный для многих вопрос — условия работы и монтажа ПЧ. Например, преобразователи частоты серии CONTROL-А310 и L620 IEK® требуют достаточного свободного пространства для охлаждения, а ONI-А400 можно монтировать по принципу «стенка к стенке». Но все эти серии отличаются малыми габаритами и неприхотливостью в монтаже».

В некоторых линейках есть возможность использования стандартной витой пары UTP кат. 5e для выносного монтажа идущей в комплекте панели управления, что позволяет максимально упростить и до 10 раз удешевить монтаж панели управления по сравнению с преобразователями, использующими специальные коммутационные шлейфы.

Обращайте внимание на условия эксплуатации: например, если необходимо, чтобы преобразователь частоты безотказно работал при высокой влажности, стоит рассмотреть серию CONTROL-L620 IEK® — данное оборудование без дополнительного охлаждения можно эксплуатировать при относительной влажности до 95 % и температуре от -10 до +40 °C. А специальное покрытие плат, в соответствии с промышленными стандартами, позволяет применять эти преобразователи в тяжелых условиях.

Обязательно поинтересуйтесь, какие силовые ключи используются при сборе ПЧ — одними из самых надежных являются IGBT производства компании Infineon. Они позволяют существенно повысить надёжность и отказоустойчивость оборудования.

Система управления частотным преобразователем должна быть интуитивно понятной, функциональной, вариативной. В передовых моделях, например, таких как серия ONI-M680, источником управляющего сигнала может быть кнопочная панель, промышленная сеть, цифровые входы и импульсный вход. Имеется возможность подключения исполнительных устройств, датчиков, программируемых логических контроллеров. Некоторые входы и выходы способны функционировать в различных режимах.

И, разумеется, важны сертификация, гарантия производителя. Если говорить о тех сериях, на основе которых мы разбирали принципы работы ПЧ, то у линейки CONTROL IEK® расчетный срок службы составляет 7 лет, гарантия — два года. Все преобразователи, выпускающиеся под этой маркой, имеют сертификаты соответствия ГОСТ. Аналогичные показатели у частотных преобразователей семейства ONI®.

Конструкция. Разновидности преобразователей

Частотный электропривод имеет ряд схем, в состав которых входят транзистор либо тиристор. Базовым элементом электронной схемы является микропроцессор, отвечающий за работу дополнительных элементов цепи и обеспечивающий выполнение большого количества дополнительных задач.

Преобразователь частоты представляет собой группу выпрямителей, а также инверторов, трансформирующих переменные токи в постоянные.

Однофазный частотный преобразователь – является высокотехнологичным устройством. Основная его задача – преобразования рабочего напряжения сети в бытовое (220 В). При такой трансформации совершается импульс напряжения в нужных частотах (1 – 1000) Гц.

Частотный преобразователь для электродвигателя создает напряжения, с заданными параметрами. Преобразователь частоты работает следующим образом:

Вначале совершается выпрямление напряжения электрической сети, а также снижение импульсов и фильтрация гармоник.
Постоянное напряжение поступает из выпрямителя в цепь инвертора, там оно трансформируется в переменное с изменяющейся амплитудой и частотой.

Рис.1 Принципиальная схема частотного преобразователя
Роль силовых элементов зачастую выполняют IGВТ-транзисторы. Изменяя частоту можно изменять скорость вращения электродвигателя (М).

Преобразователь частоты делится на две большие разновидности:

С непосредственной связью.

Их отличительная черта – выпрямитель тиристорный, где попеременно открываются и закрываются отдельные тиристоры и поочередно подключаются к статорной катушке.

Рис. 2 Графическое изображение напряжения преобразователя

Выходное напряжение синусоиды образует пилообразное очертание с частотой около 1 – 40 Гц. Область применения такого рода преобразователей считается ограниченной из-за того, что незапираемым тиристорам необходимы более сложные схемы управления. Что и несет за собой более высокую стоимость оборудования.

Такие преобразователи частоты работающие с высокими величинами токов и напряжения имеют коэффициент полезного действия порядка 95-98%. Также высоковольтные частотные преобразователи имеют более высокую стоимость, по сравнению с низковольтными.

Если сравнивать тиристорный преобразователь с транзисторным электроприводом, имеющих аналогичную мощность, то второй прибор будет иметь значительно меньшие габариты, меньший вес и будет отличаться более надежной работой.

С выраженным звеном постоянного тока.

Данная разновидность датчиков гораздо чаще встречается в современных устройствах, целью которых является регулировка частоты.

Преобразование происходит в 2 этапа:

вначале происходит выпрямление и фильтрация сетевого напряжения;
затем подача сигнала подается непосредственно на инвертор, где и происходит трансформация тока нужных частот и амплитуды в переменный.

Коэффициент полезного действия при такой трансформации уменьшается, при этом увеличиваются размеры устройства. Синусоидальный сигнал обеспечивается самостоятельным инвертором напряжения и тока.

Выпускаемые модели

Во многих областях применяются асинхронные двигатели, работа которых характеризуется высокими показателями устойчивости и безопасности. Это особенно важно, так как любое устройство обладает своими индивидуальными характеристиками, зачем и нужны инверторы, которые обеспечивают оптимизацию параметров их питания. К новой линейке оборудования относятся:

Emotron FDU 2.0 — преобразователь частоты последнего поколения, выпускаемый шведской компанией Emotron. Устройство работает в диапазоне от 0,75 до 1,6 кВт и рассчитано на разные группы напряжения: 3×380 B, 3×500 B, 3×690 B. В основном инвертор используется для насосного или вентиляционного оборудования.
Emotron серии CDU/CDX — оборудование, предназначенное для контроля за работой лифта. Инверторы этой марки устанавливаются как на новые лифты, так и для модернизации старых конструкций. Монтируются в машинном отделении или непосредственно рядом с шахтой.
«Лидер» — преобразователь частоты применяется для управления асинхронными двигателями в насосном, вентиляционном оборудовании, мельницах, дробилках, центрифугах и так далее. Устройство исключает присутствие динамических ударов во время запуска, что позволяет в 1,5—2 раза увеличить срок службы двигателя и приводного механизма.
Easydrive серии Smart — инвертор, обладающий выходной мощностью от 1 Гц до 2 кГц. Отличается автоматическим определением параметров электродвигателя, когда механизм неподвижен. Устройство обладает семью программируемыми входами переключения, которые позволяют выполнять до 30 функций.

Все модели позволяют менять направление вращения вала электродвигателя, экономить основные энергетические ресурсы, снижать эксплуатационные затраты.

Векторное управление преобразователем частот

Принцип работы векторного управления заключается в следующем: при нём оказывается воздействие на магнитный поток, изменяя направление его «пространственного вектора» и регулирующий роторную частоту поля.

Создать рабочий алгоритм частотного преобразователя с векторным управлением можно при помощи двух способов:

Бессенсорное управление.

Осуществляется за счёт назначения зависимостей чередования между последовательностями широтно-импульсных модуляций инвертора для предварительно составленных алгоритмов. Регуляция размера амплитуды и выходной частоты, которую имеет напряжение, осуществляется в соответствии со скольжением и нагрузочным током, но обратная связь от роторной вращательной скорости не учитывается.

Потокорегулирование.

Рабочие токи устройства регулируются. При этом они раскладываются на активный и реактивный компонент. Это облегчает возможность внесения корректирующих изменений в рабочий процесс (изменение амплитуд, частот, векторных углов, которые имеет напряжение на выходе).

В целом, схема векторного управления более прочих подходит для динамической регулировки вращающегося момента трёхфазного асинхронного двигателя.

Технические характеристики

Использовать частотные преобразователи следует только с учетом эксплуатационных характеристик. К основным техническим характеристикам, на которые нужно обратить внимание, можно отнести:

Диапазон напряжения подаваемого тока. Существуют различные варианты исполнения, которые могут работать при напряжении от 100 до 120 В, от 200 до 240 В. Этот показатель является определяющим при выборе наиболее подходящей модели.
Номинальная мощность подключаемого в цепи электродвигателя. Как правило, показатель измеряется в кВт.
Полная мощность электродвигателя.
Номинальный выходной ток.
Выходное напряжение зачастую не больше показателя напряжения от источника питания, но может быть и меньше.
Диапазон выходной частоты.
Показатель допустимой силы тока на входе.
Частота электричества при входе.
Максимальные отклонения от показателей, которые допустимы при тех или иных случаях.

Подобные параметры должны быть указаны в спецификации преобразователя частот. Если, к примеру, не учесть напряжение подаваемого тока, рассматриваемое устройство будет испорчено.

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.

Потери энергии в частотном преобразователе и способы их снижения

Рассмотрим вопрос тепловыделения в инверторной части преобразователя. Чем определяются потери транзистора?

Рис.8. Потери энергии

Возьмем условный IGBT-транзистор, который включен в цепь с напряжением 500 вольт, ограничивающий резистор.

Закрытое состояние: на затворе напряжения нет, напряжение на коллекторе равно сетевому напряжению, ток отсутствует, утечки мизерные, тепловыделения никакого нет. Открываем транзистор с помощью напряжения 10 вольт на затворе, это стандартное напряжение практически для всех транзисторных модулей. Транзистор переключается в открытое состояние не мгновенно, у каждого транзистора есть параметр, который называется время включения или время выключения. Типичное значение для самых распространенных транзисторов — 0,2 микросекунды. Время небольшое, но за это время на кристалле транзистора присутствует как напряжение, которое быстро спадает, так и нарастающее значение тока, которое тоже нарастает не мгновенно. В этот момент происходят потери. И чем выше частота ШИМ, про которую мы раньше говорили, чем чаще включается и выключается транзистор, тем больше идет тепловыделения за счет потерь переключений.

Когда транзистор открылся, установился статический режим на какое-то небольшое время, тепловыделение продолжается: оно происходит за счет того, что в момент состояния открытия, напряжение на транзисторе тоже не равно нулю, он определяется потерями на кристалле в открытом состоянии. Типичное его значение 1,5 вольта. Оно может незначительно варьироваться в зависимости от технологии изготовления транзистора и пр.

В этот момент тепловыделение тоже существует, но с потерями в открытом состоянии мы ничего не можем сделать, максимум — применить транзисторы с меньшим напряжением в открытом состоянии. С потерями при переключении мы можем бороться путем уменьшения частоты ШИМ. Это бывает полезно, если преобразователь находится в закрытом шкафу, где он греется больше. Понизив частоту ШИМ, мы можем снизить потери на преобразователе и снизить его температуру.

Общие потери преобразователя частоты в виде тепла составляют около 3%.

Потери на выпрямителе происходят через открытые диоды. Падение напряжения на открытом диоде, а также протекающий через него выпрямленный ток приводят к его нагреву. Звено постоянного тока, состоящее из электролитических конденсаторов большой емкости, тоже нагревается, потому что постоянно происходит процесс заряда и разряда. Также к потерям можно отнести собственные нужды преобразователя частоты: работу вентиляторов охлаждения, электронной схемы, вторичного источника питания и так далее.

Уход за преобразователем

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

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

Как выбрать частотный преобразователь?

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

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

На это обязательно следует обратить внимание. Окружающая среда и защита. Обычно в паспорте преобразователя частоты указаны условия, при которых должно использоваться устройство

Например, влагозащищенные модели соответствуют стандарту IP 54 – они устойчивы к воздействию влаги и могут использоваться в помещениях с паровыми испарениями и повышенной влажностью. Тип управления и интерфейсы. Обязательно необходимо обратить внимание на наличие подходящих для подключения разъемов, а также возможностей правления – некоторые модели предназначены для монтажа на месте, а другие – в отдельной рубке управления.

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

Как выбирать

Для производителей преобразователей частоты и другого электронного оборудования основным инструментом завоевания рынка является цена. С целью её уменьшения они создают приборы с минимальным набором функций. Соответственно, чем универсальнее конкретная модель, тем выше её цена. Для нас это имеет большое значение по той причине, что для эффективной и долгой работы двигателя может потребоваться ПЧ с определенными функциями. Давайте рассмотрим основные критерии, на которые следует обращать внимание.

Управление

По способу управления частотные преобразователи делят на векторные и скалярные. Первые на сегодня встречаются гораздо чаще, однако имеют более высокую цену по сравнению со вторыми. Преимущество векторного управления заключается в высокой точности регулировки. Скалярное управление очень просто, оно может лишь удерживать соотношение выходного напряжения и частоты на заданной величине. Такой преобразователь целесообразно ставить на небольшой прибор без высокой нагрузки на двигатель, например, вентилятор.

Мощность

Безусловно, чем это значение выше, тем лучше. К слову, в данном вопросе цифры не столь важны. Обратите большее внимание на фирму- ваше оборудование друг к другу, тем более эффективно оно будет работать. Кроме того, использование нескольких преобразователей от одного бренда поддерживает принцип взаимозаменяемости и простоты обслуживания. Подумайте и наличии в вашем городе соответствующего сервисного центра.

Сетевое напряжение

В данном случае действует тот же принцип, что и в предыдущем разделе – чем шире рабочий диапазон напряжения, тем лучше для нас. Отечественные электросети, к сожалению, слабо знакомы с понятием «стандарт», поэтому лучше максимально обезопасить аппаратуру от вероятных перепадов. Падение напряжения едва ли приведет к серьезным последствиям (преобразователь, скорее всего, просто отключится), а вот большое повышение опасно – оно может привести поломке устройства в результате взрыва электролитических сетевых конденсаторов.

Диапазон частотной регулировки

В данном случае следует опираться исключительно на требования производства и конкретных устройств. Так, например, для такого оборудования, как шлифовальные машины важно значение максимальной частоты (от 1000 Гц). Стандартом нижнего предела считается соотношение 1 к 10 по отношению к верхнему. На практике чаще всего используются преобразователи с диапазоном от 10 до 100 Гц. Заметьте, что широким диапазоном регулировки обладают только модели преобразователей с векторным управлением.

Входы управления

Для передачи команд управления в преобразователях предназначены дискретные входы. С помощью них осуществляется запуск двигателя, остановка, торможение, обратное вращение и т.д. Для сигналов обратной связи, осуществляющих текущий контроль и настройку привода непосредственно во время работы, используются аналоговые входы. А цифровые используются для передачи сигналов с высокой частотой, генерируемых энкодерами (датчиками угла поворота).

Фактически, чем больше вводов, тем лучше, однако большое их количество не только делает сложной настройку прибора, но и повышает его стоимость.

Количество выходных сигналов

Дискретные выходы преобразователя необходимы для вывода сигналов, сообщающих о возникновении проблем, таких как, перегрев устройства, отклонение величины входного напряжения от нормы, авария, ошибка и т.п. Аналоговые выходы необходимы для передачи обратных связей в сложных системах. Принцип выбора тот же: ищите баланс между количеством сигналов и стоимость прибора.

Шина управления

В поиске подходящей шины управления поможет схема подключения преобразователя частоты – количество выходов и входов должно быть, как минимум, равным, но лучше купите шину с небольшим запасом – значительно облегчите себе дальнейшее усовершенствование устройства.

Перегрузочные способности

Нормой считается, если мощность частотного преобразователя выше мощности двигателя на 10-15%. Ток тоже должен быть немного выше номинала двигателя. Однако такой подбор «на глаз» рекомендуется только в случае, когда нет необходимой технической документации на двигатель. При ее наличии – тщательно ознакомьтесь с требованиями и подберите соответствующий преобразователь. Если важны ударные нагрузки, пиковый ток преобразователя должен быть больше указанного значения на 10%.

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:

Очень важно, чтобы в цепи между самим частотником и источником питания был установлен предохранитель. Он позволит своевременно отключать устройства в случае перепадов напряжения, сохраняя их работоспособность

Примечательно, что при подключении к трехфазной сети, необходимо, чтобы сам предохранитель также был трехфазным, но имел общий рычаг для отключения. Это даст возможность отключать питание сразу на всех фазах даже, если только на одной случилось короткое замыкание или перегрузка. Если преобразователь подключается к однофазной сети, то и предохранитель должен быть однофазным. В данном случае при расчетах необходимо учитывать ток только одной фазы, но умноженный на 3. Всегда стоит помнить, что в инструкции практически к любому преобразователю указаны требования и нормы по его установке. С ними необходимо ознакомиться еще до начала работ. Фазовые выходы частотного преобразователя подключаются к контактам самого электродвигателя. При этом в зависимости от напряжения частотника обмотки двигателя могут иметь формацию «звезда» или «треугольник». Обычно на корпусе двигателя указано два значения напряжения. Если частотник соответствует меньшему, то обмотки соединяются «звездой», если большему – «треугольником». Вся эта информация обычно пропечатывается в инструкции. В комплекте практически с каждым преобразователем частоты прилагается выносной пульт управления. Он не является обязательным элементов цепи, ведь на самом устройстве также есть свои элементы управления, но позволяют существенно упростить работу с оборудованием. Пульт можно монтировать на любом расстоянии от частотника. Обычно делается это следующим образом: преобразователи частоты, которые имеют низкую степень защиты располагаются подальше от двигателя, а сам пульт выносится непосредственно к рабочему месту около оборудования.

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

После подключения всех элементов системы (предохранитель, панель управления, частотник, двигатель) необходимо перевести рукоять на пульте управления в активное положение на несколько градусов.
Тумблеры предохранителя переключить в положение «ВКЛ». После этого на частотном преобразователи должны загореться световые индикаторы, которые будут сигнализировать, что оборудование подключено правильно, а двигатель должен начать медленно вращаться.
Если вал двигателя начал вращаться в другу от нужной сторону, необходимо перепрограммировать сам частотный преобразователь на реверсное движение. Практически все современные устройства поддерживают такую функцию.
Постепенно передвигайте рукоять управления и следите за работой двигателя – частота вращения вала должна расти по мере того, как вы передвигаете рукоять.

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

Правила подключения и настройки

Для полноценной и эффективной работы инвертора асинхронного электродвигателя его необходимо правильно подключить и настроить. В схему перед частотником устанавливается нужный автоматический выключатель. Если это трехфазная сеть, то выключатель должен быть рассчитан на напряжение 380 В, а сила тока соответствовать номиналу двигателя.

В случае аварийной ситуации в сети на одной фазе, отключены будут и остальные токоведущие проводники. Величина тока разрыва должна соответствовать значению в отдельной фазе электродвигателя. При использовании преобразователя частоты в однофазной сети устанавливается одиночный автоматический выключатель, по номиналу превышающий в три раза значение тока.

В обоих случаях автоматические выключатели не рекомендуется устанавливать в разрыв заземляющего или нулевого проводника, необходимо осуществлять только прямое подключение.

Чтобы подключение было выполнено правильно, идущие от преобразователя токоведущие провода должны быть подключены к соответствующим клеммам двигателя.

Статорные обмотки механизма соединяются «звездой» или «треугольником», в зависимости от того, какое напряжение поступает от инвертора. Если оно совпадает с наименьшим значением на корпусе электродвигателя, то применяется схема «треугольник». При совпадении высокого значения напряжения соединение проводится по схеме «звезда».

Далее, инвертор подключается к контроллеру и блоку управления, который обычно поставляется в комплекте с преобразователем. Все подключения проводятся по схеме, входящей в руководство по эксплуатации оборудования. После выполнения крепежных работ включается автомат и на инвертор подается питание, о чем будет сигнализировать лампочка на пульте.

Для начала работы частотника включается кнопка запуска и осуществляется поворот соответствующей рукоятки. Электродвигатель медленно начнет вращаться. Если необходимо поменять вращение в обратную сторону, то для этого на пульте находится соответствующий тумблер. Чтобы добиться необходимого количества оборотов двигателя, устанавливается необходимая частота напряжения или вращения, в зависимости от модели оборудования.

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:

Преобразователи с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
Преобразователи с непосредственной связью (промежуточное звено постоянного тока отсутствует).

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

Структура и особенности работы инвентора

После выпрямителя напряжение поступает на инвертор. Инвертор является самой сложной и важной частью преобразователя частоты. С выхода инвертора сигнал поступает уже непосредственно на электродвигатель. Форма напряжения на выходе инвертора представляет собой набор прямоугольных импульсов разной ширины и определенной длительности. Так строится силовая часть преобразователя частоты.

Схема прибора включает в себя также слаботочные цепи, которые помогают взаимодействию всех основных частей ПЧ. В частности, есть центральный процессор, который является, по сути, мозгом преобразователя, управляет как работой инвертора, так и других частей устройства. Информацию о выходном токе процессор получает от датчиков тока, расположенных на выходных цепях ПЧ. Сигнал с датчиков тока обрабатывается, и процессор далее формирует управляющий алгоритм, чтобы преобразователь мог функционировать в заданных пользователем условиях. Также еще есть источник питания собственных нужд, он питает как процессорную часть, так и часть, отвечающую за измерения выходного тока и измерение напряжения на звене постоянного тока. Помимо этого, есть блок драйверных микросхем, которые в свою очередь управляют транзисторами инверторной части, и еще ряд вспомогательных элементов.

Рис. 2. Принципиальная схема инвертора

Рассмотрим принципиальное устройство инверторной части. Основными элементами силовой части инвертора являются IGBT-транзисторы – мощные, специально спроектированные для работы в ключевом режиме. Это гибрид полевого и биполярного транзисторов. Управляющая часть представляет собой изолированный затвор (как у полевого), а силовая часть повторяет устройство биполярного, у которого имеется коллектор–эмиттер.

Силовые элементы выпускаются в виде сдвоенного модуля, состоящего из двух силовых транзисторов, включенных последовательно. Каждый из транзисторов шунтируется диодом в обратном направлении. Поскольку на выходе должно быть 3 фазы, в конструкции инвертора имеется 3 плеча (см. рис 2).

Рис. 3. Эквивалентная схема работы транзисторов

Чтобы лучше понять принцип работы, рассмотрим эквивалентную схему, где каждый транзистор заменен обычным выключателем. На схеме (рис. 3) условными обозначениями показаны 6 выключателей (транзисторов) и электродвигатель.

Изучим, как формируются выходные токи в обмотках двигателя. За управление транзисторами (переключателями на схеме) отвечает центральный процессор. Он переключает их строго по определенной программе, которая задается изначально алгоритмом его действия.

На схеме показано срабатывание ключей № 1, № 4, № 6. Обратите внимание, категорически не допускается ситуация, когда в одном плече замкнут и верхний ключ, и нижний – это короткое замыкание и отказ изделия. В ситуации, показанной на схеме, ток протекает через открытый ключ № 1, далее заходит в обмотку А электродвигателя, выходит из обмоток B и C, и через открытые нижние ключи №4 и № 6 уходит в минусовое звено.

Для того чтобы поменять ток в обмотке C, нужно переключить ключи среднего плеча. Ток по-прежнему будет протекать через открытый ключ № 1, а уходить через обмотку B и ключ №6 в минусовое плечо. При этом, одновременно, через замкнутый ключ № 3 и втекающий ток через обмотку C уходит в минус. Меняя положение открытых и закрытых ключей можно менять ток в обмотках двигателя. Если это делать по определенной программе, то получится изменяемый ток, как при работе двигателя от сети, то есть будет происходить плавное перетекание одной фазы в другую.

Рис. 4. Протекание тока в инверторе

Теперь вместо упрощенной схемы с выключателями рассмотрим, как протекает ток в цепи транзисторов на примере реального инвертора (рис. 4). По своей сути этот процесс ничем не отличается от рассмотренного ранее ключевого режима, за исключением того, что мы имеем дело с реальным двигателем, который, в принципе, является индуктивной нагрузкой.

В момент закрытия ключа индуктивность двигателя не позволит току мгновенно прекратиться за счет явления самоиндукции. Этот остаточный ток гасится обратными диодами, которые подключены к закрытым транзисторам (см. рис. 4), т.е. в момент выключения (закрывания) транзисторов остаточный ток протекает через обратные диоды, таким образом предотвращаются выбросы напряжения на ключе.

Но поскольку транзистор работает как ключ, он может выдать либо полное напряжение на двигатель, либо не выдать вообще. На практике же нужно получить некое плавное напряжение синусоидальной формы, причем изменяемое как по величине, так и по частоте, для того чтобы иметь возможность управлять скоростью вращения асинхронного двигателя.

Устройство частотного преобразователя

Подготовка к подключению

Перед подключением необходимо удостовериться, что модель преобразователя соответствует проектной, и все характеристики частотного регулятора совпадают с параметрами электродвигателя. Также напряжение в питающей сети не должно быть ниже или выше номинального напряжения частотника. Далее выбирают место для размещения преобразователя. Оно должно удовлетворять следующим условиям:

Класс защиты корпуса от влаги и пыли должен соответствовать месторасположению частотного регулятора. Большинство устройств имеют исполнение IP20 и предназначены для монтажа в помещениях с низкой влажностью, вентилируемых электротехнических шкафах автоматики, в щитах управления приводом. Частотники IP54 и IP65 можно устанавливать на открытых местах рядом с двигателями. Это правило касается также внешних пультов управления, которыми комплектуются частотные преобразователи многих производителей.
При монтаже в шкафах требуется обеспечить необходимое расстояние от стенок и между другими частотниками и устройствами автоматики, которые нагреваются в процессе работы. Величина расстояния зависит от мощности электротехнических устройств. Мощность вентиляторов должна соответствовать количеству частотных преобразователей и других электротехнических устройств и аппаратов, размещенных в одном шкафу, чтобы обеспечить достаточный отвод тепла.
Частотный регулятор устанавливают на достаточном расстоянии от источников мощного электромагнитного поля, сильных вибраций. При невозможности соблюдения этого условия, устройства устанавливают в экранирующих шкафах на виброгасящих опорах. Устройство монтируют на ровной поверхности из негорючего материала, в месте, где исключено воздействие прямых солнечных лучей.
Климатическое исполнение частотника также должно соответствовать интервалу температур, высоте над уровнем моря, влажности и другим условиям эксплуатации.

Как выбрать ПЧ перед тем, как его купить

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

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

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

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

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

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

Рис. №2. Формула расчета полной пусковой мощности.

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

Рис. №3. Расчет механических характеристик двигателя.

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

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.