Преобразователь частоты для трехфазного двигателя

Оглавление

Непосредственные преобразователи частоты

При использовании НПЧ напряжение из сети подается через управляемые вентили на двигатель. В каждой фазе НПЧ установлен реверсивный двухкомплектный преобразователь с совместным или раздельным управлением силовыми комплектами.

На рис. 1а приведена схема трехфазно-однофазного НПЧ на основе трехфазных нулевых схем. Он преобразует трехфазное напряжение в однофазное, но с регулируемой частотой.Комплекты В и Н переключаются, и на выходе получается двуполярное напряжение. Для управления преобразователями используют определенные законы управления — прямоугольный и синусоидальный. Если используют прямоугольный принцип управления, то алгоритм работы будет таков: при прохождении одной полуволны напряжения, на один из комплектов подаются управляющие импульсы с углом управления (углом задержки) a = const. Этот комплект будет работать в режиме выпрямителя, а затем с углом управления (углом опережения) b = a. Чтоб снизить ток необходимо перейти в инверторный режим (рис. 1 б). Для избежания короткого замыкания в самом инверторе необходимо чтоб ток снизился до нуля – это называется бестоковой паузой. После осуществления бестоковой паузы в работу включается второй комплект.

Если используют синусоидальное управление, то гладкая составляющая выходного напряжения должна изменятся по синусоидальному закону, для этого угол управления a непрерывно меняется (рис. 1 в).


Рисунок 1.

Схема трехфазно-трехфазного НПЧ, выполненного на основе трехфазных мостовых схем. Ниже приведена схема.

Данный тип преобразователей не получил широкого применения из-за ряда недостатков при его применении. А это: невозможность полного регулирования выходной частоты (при использовании трехфазных мостовых схем диапазон регулирования 25-45 Гц, а при нулевых 15-45 Гц). Постоянная коммутация вентилей, что приводит к ухудшению коэффициента мощности, а также плохое качество выходного напряжения и большое влияние на питающую сеть.

Преимуществом можно признать то, что у таких преобразователей более высокий КПД, из-за однократного преобразования энергии.

Наиболее распространены преобразователи частоты на базе АИТ и АИН на IGBT транзисторах, в силу лучших показателей качества энергии на выходе преобразователя и их влияния на сеть.

Выбор частотника

Производители таких приборов делают упор на стоимость частотных преобразователей. Из этого следует, что многие опции, которые имеются у более дорогих моделей, на дешёвых моделях преобразователей уже не будут присутствовать

Перед выбором нужного прибора следует обратить внимание на технические характеристики всех имеющихся моделей, представленных в ассортименте, а также на основные требования для конкретного использования

Управления может осуществляться двумя способами: векторным и скалярным. Векторное управление предоставляет возможность точной регулировки. Принцип работы скалярного управления заключается в поддержании одного соотношения между напряжением и частотой на выходе, заданного пользователем. Скалярное управление не подходит для сложных устройств и используется на более простых устройствах вроде вентилятора.

Чем выше указанная в характеристиках мощность, тем выше универсальность преобразователя. Это означает, что это обеспечит взаимозаменяемость

К тому же обслуживание такого устройства будет проще.

Непременно следует обратить внимание на указанный диапазон напряжения сети. Он должен быть максимально широким, что обеспечит безопасность при перепадах его норм

И нельзя не упомянуть тот факт, что повышение намного опаснее, чем понижение. При повышении могут взорваться сетевые конденсаторы.

Указанная частота обязательно должна соответствовать всем производственным потребностям. На диапазон регулирования скорости привода указывает нижний предел. При надобности в более широком следует прибегнуть к векторному управлению. Практическое применение предусматривает применение таких частот, как: от 10 до 60 Гц. Редко, но встречаются и до 100 Гц.

Осуществление управление предусматривает использование различных входов и выходов. Чем их больше, тем, конечно же, лучше. Но нужно брать вниманию, что при большем количестве входов и выходов, значительно увеличивается стоимость частотного преобразователя, а также усложняется его настройка.

Внимание также следует обратить и на шину управления подключаемого оборудования. Она должна совпадать с возможностью схемы частотника по количеству входов и выходов. Также не стоит забывать о том, что лучше иметь в наличии небольшой запах для возможной модернизации.

Не стоит забывать и о перегрузочных возможностях устройства. Рекомендуется выбирать частотный преобразователь, обладающий мощность, которая будет на 15 % больше мощности используемого двигателя. Настоятельно рекомендуется прочесть инструкции, прилагающуюся к частотнику в комплекте. Производители непременно указывают в документации к устройству все его основные параметры. В том случае, если важны пиковые нагрузки, то следует обратить при выборе устройства внимание на реальные показатели тока и величины, указанные в качестве пиковых. В этом случае нужно выбрать преобразователь с показателями пикового тока, которые будут на 10% выше, чем указанные в документации.

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.

Принцип работы частотника

В основе работы частотника лежит инвертор с двойным преобразованием.

Преобразователь работает по следующей схеме:

  • Вначале переменный синусоидальный ток (220-380 В), поступающий в инвертор выпрямляется. Для выпрямления используется диодный мост.
  • После ток поступает на группу конденсаторов, где он фильтруется и сглаживается.
  • Далее, мостовые ключи из биполярных транзисторов (IGBT, БТИЗ) и управляющие микросхемы принимают отфильтрованный ток и формируют из него трёх или однофазную широтно-импульсную модуляцию с требуемыми параметрами.
  • На выходе получается синусоидальный ток с уже изменёнными характеристиками, синусоидальность обеспечивается индуктивностью обмоток.

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.

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:

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

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:

  1. вначале происходит выпрямление и фильтрация сетевого напряжения;
  2. 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.

Что такое частотный преобразователь?

Электропривод, или преобразователь частот в напряжение – часть технического оборудования, переводящее токи, частоты, импульсы и другие формы волн в пропорциональную электрическую мощность. Выходное напряжение соответствует колебаниям входного сигнала. Устройства могут модулировать частоты для ограничения выходного сигнала. Другими словами, преобразователь частоты трансформирует переменный ток частотой 50 или 60 Гц в переменный любой желаемой частоты. Если это требуется ПЧ может изменить напряжение.

Устройство частотного преобразователя

Современный преобразователь частоты объединяет как минимум три основных блока:

  1. Схему управления . Руководство частотным преобразователем строится на основе микропроцессора, регулирующего электронные ключи и обороты двигателя, проводящего его диагностику и защищающего от перегрева, перенапряжения и других задач.
  2. Выпрямитель с фильтром . Выходящее напряжение из выпрямителя сглаживает существенные пульсации, перенятые от переменного тока. Происходит это с помощью катушки индуктивности с реактивным сопротивлением и электролитического конденсатора.
  3. Трехфазный инвертор . Призван изменять показатели выходного тока. Включает в себя 6 транзисторов (по 2 на каждую фазу).

Принцип действия частотного преобразователя

У каждого прибора будет свой микроконтроллер, подпрограмма управления и настройки. Невзирая на то, что каждое устройство настраивается сугубо индивидуально, принцип работы частотного преобразователя один. Из входной токовой дроссельной защиты напряжение подается на выпрямитель и далее на блок инвертора, который будет создавать изменяющиеся частоты. Схематично это выглядит так: на входе до выпрямителя – синусоида, потом она выпрямляется и это напряжение формируется в меандр, то есть на выходе уже будут прямоугольные импульсы.

Для чего нужен частотный преобразователь?

Преобразователи частоты используются для энергосбережения и обеспечения точного управления критическими процессами, такими как:

  • системой охлаждения (радиаторы, насосы);
  • топливной система (усилители, нагреватели);
  • вентиляцией (например, машинного зала).

Это оборудование часто используется в электромеханическом контексте, например, для оценки отзывчивости двигателя транспортного средства или компонентов безопасности. Частотный преобразователь для электродвигателя позволяет контролировать его скорость вращения и управлять им. Это обуславливает их распространение в хозяйственной и промышленной областях.

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.

Подключение и настройка преобразователя частоты

Подключение частотных преобразователей особенно актуально для частных владельцев оборудования с асинхронными двигателями. Предварительно рекомендуется установить автоматический выключатель, который обесточит сеть при возможном коротком замыкании в одной из фаз.

В схемах частотники для асинхронных двигателей подключаются к электродвигателям двумя способами – «треугольником» и «звездой». Первая схема применяется для однофазных регулируемых приводов, без потери мощности. Такие частотники обладают максимальной мощностью 3 кВт и предназначены в основном для эксплуатации в бытовых условиях. Схема «звезда» используется там, где имеются трехфазные промышленные сети.

С целью ограничения пускового тока и уменьшения пускового момента, запуск двигателей, мощностью свыше 5 кВт осуществляется по смешанной схеме «звезда-треугольник». «Звезда» используется в момент запуска, когда напряжение подается на статор. После того как двигатель достигнет номинальной скорости, подача питания переключается на другую схему – «треугольник». Данный способ применяется не везде, а только там, где имеется возможность подключения сразу обеих схем.

Подключение пульта осуществляется в соответствии со схемой, прилагаемой к частотному преобразователю. Перед началом монтажа и до подачи питания управляющий рычаг должен находиться в положении ВЫКЛЮЧЕНО. Когда рычаг переводится в положение ВКЛЮЧЕНО, это действие подтверждается световым индикатором. Во многих моделях запуск по умолчанию осуществляется путем нажатия на кнопку RUN. Постепенное наращивание оборотов электродвигателя производится медленным поворотом рукоятки пульта. По достижении необходимой скорости, рукоятка фиксируется в этом положении. Для переключения режима на обратное вращение существует кнопка реверса.

Установка и подключение преобразователя частоты

Теперь расскажу и покажу пошагово, как я смонтировал частотник.

Для начала приготовил переднюю панель.

Панель управления частотником, кнопки, вольтметр

Панель изготовил из текстолита. На панели будут закреплены кнопки с НО и НЗ контактами (без фиксации), и вольтметр в качестве тахометра.

Панель с обратной стороны – кнопки зафиксированы, осталось поставить контакты и закрепить вольтметр

Если говорить просто, вся переделка заключалась в том, что я выкинул контактор и поставил преобразователь частоты Delta, на 1,5 кВт:

Частотник Delta мощностью 1,5 кВт вместо контактора

Честно говоря, 1,5 кВт – многовато, то есть, ПЧ я выбрал с большим запасом (почти в 2 раза). Меньше мощность найти не удалось. Тем лучше с электрической точки зрения – запас карман не тянет.

Фото установки преобразователя частоты:

Частотник установлен в станок на боковую дверцу, вместо контактора

Знаю, что монтаж выполнен не идеально, хорошо бы использовать наконечники и бандажи на провода, но давайте не будем об этом…

ПЧ Дельта, через него подключен двигатель полировки

Ноль в питании станка и частотника не используется, приходит только 3 фазы и земля (PEN проводник).

Питание ПЧ – 3 фазы и земля на входные клеммы R, S, T

Не берите с меня пример – от РУ защитный проводник должен приходить на РЕ шину, и с каждой отдельной клеммы – отдельно на клемму ПЧ, на корпус, и ещё куда надо.

Подключение ПЧ Delta. Клеммы управления и выходные силовые клеммы на двигатель U, V, W

Другие часто востребованные настройки

Помимо основных настроек, рассмотренных выше, нередко становятся актуальными ещё несколько функций. В частности, к примеру, требуется перевести на ПЧ управление асинхронным электродвигателем из ручного режима пуска в автоматический режим пуска или обратно. Делается это применительно к модели «VLT» уже посредством обычного меню через секции 0-40, 0-41, 0-42.

Видеоролик настройки алгоритмов включения/отключения

Видеоролик ниже демонстрирует, как секция меню из трёх (0-40, 0-41, 0-42) установочных параметров может использоваться для настройки алгоритма запуска асинхронного электродвигателя с поддержкой нескольких (разных) режимов управления пуском и остановкой мотора:

Следует отметить, что установкой определённого параметра в секциях допустимо заблокировать функцию кнопки отключения/сброса (Off Reset) на устройстве.

То есть отключить асинхронный электродвигатель, питаемый напряжением через ПЧ, можно только сигналом внешнего управления. Аналогично можно настроить пусковой режим.

Видеоролик настройки ПЧ VLT быстрым меню

Видео показывает последовательность манипуляций пользователя кнопками панели управления в момент настройки оптимальной связи электромотора с преобразователем частоты. Рассматривается работа пользователя в режиме быстрого меню (Quick Menu):