Одним из важных направлений снижения энергопотребления является внедрение энергосберегающего оборудования, к которому в первую очередь относится частотно-регулируемый электропривод (ЧРП) - асинхронный электродвигатель, управляемый от преобразователя частоты.
Для начала ответим на вопрос, Что такое преобразователь частоты и Зачем нужен частотный преобразователь?
Успешное внедрение частотных преобразователей для решения различных технологических задач, объясняется в первую очередь обширным распространением асинхронных электродвигателей (до 90% рынка) отличающихся простотой конструкции, высокой надежностью, дешевизной, легкостью подключения и т.д.
Но данным электродвигателям также присущи и некоторые недостатки, снижающие их область применения или делающих их менее эффективными. К ним можно отнести – невозможность плавного регулирования частоты вращения ротора и как следствие неэкономичное применение при определенных задачах, существенные пусковые токи и т.д.
Для устранения вышеописанных недостатков асинхронных электродвигателей и были разработаны частотно регулируемые электропривода.
Частотно-регулируемый привод (частотно-управляемый привод) - система управления частотой вращения ротора асинхронного (или синхронного) электродвигателя. Состоит собственно из электродвигателя и преобразователя частоты (ПЧ).
/ VFD-F / VFD-L / VFD-M / VFD-S / VFD-V / VFD-VE / VFD-VL /
Как выбрать преобразователь частоты (частотный привод)
При выборе модели частотного преобразователя следует исходить из конкретной задачи, которую должен решать электропривод:
- типа и мощности подключаемого электродвигателя,
- точности и диапазона регулирования скорости,
- точности поддержания момента вращения на валу двигателя.
Так же, можно учитывать конструктивные особенности преобразователя, такие как:
- размеры,
- форма,
- возможность выноса пульта управления и др.
При работе со стандартным асинхронным двигателем преобразователь следует выбирать с соответствующей мощностью. Если требуется большой пусковой момент или короткое время разгона/замедления , выбирайте преобразователь на ступень выше стандартного.
При выборе преобразователя для работы со специальными двигателями (двигатели с тормозами, погружные двигатели, с втяжным ротором, синхронные двигатели, высокоскоростные и т.д.) следует руководствоваться, прежде всего, номинальным током преобразоватля , который должен быть больше номинального тока двигателя , а также особенностями настройки параметров преобразователя. В этом случае, желательно проконсультироваться со специалистами поставщика.
Для увеличения точности поддержания момента и скорости на валу двигателя в наиболее совершенных преобразователях реализовано векторное управление , позволяющее работать с полным моментом двигателя в области нулевых частот , поддерживать скорость при переменной нагрузке без датчиков обратной связи, точно контролировать момент на валу двигателя .
1. Применять частотный метод в случаях, когда зависимость момента нагрузки двигателя известна и нагрузка практически не меняется при одном и том же значении частоты, а так же нижняя граница регулирования частоты не ниже 5…10 Гц при независимом от частоты моменте. При работе на центробежный насос или вентилятор (это типичные нагрузки с моментом, зависящим от скорости вращения) диапазон регулирования частоты – от 5 до 50 Гц и выше. При работе с двумя и более двигателями.
2. Частотный с обратной связью по скорости - для прецизионного регулирования (необходимо использовать инкрементальный энкодер) с известной зависимостью момента от скорости вращения.
3. Векторный – для случаев, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах, например, 0…50 Гц для момента 100% или даже кратковременно 150-200% от Мном. Векторный метод работает нормально, если введены правильно паспортные величины двигателя и успешно прошло его автотестирование. Векторный метод реализуется путем сложных расчетов в реальном времени, производимых процессором преобразователя на основе информации о выходном токе, частоте и напряжении. Процессором используется так же информация о паспортных характеристиках двигателя, которые вводит пользователь. Время реакции преобразователя на изменение выходного тока (момента нагрузки) составляет 50…200 мсек. Векторный метод позволяет минимизировать реактивный ток двигателя при уменьшении нагрузки путем адекватного снижения напряжения на двигателе. Если нагрузка на валу двигателя увеличивается, то преобразователь адекватно увеличивает напряжение на двигателе.
4. Векторный с обратной связью по скорости – для прецизионного регулирования (необходимо использовать инкрементальный энкодер) скорости, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходим максимальный диапазон регулирования частоты при моментах близких к номинальному.
Как правильно выбрать преобразователь частоты
Выбор ПЧ по энергетике (по электрической совместимости с двигателем, как электрической нагрузкой)
- При работе одного ПЧ с одним двигателем
- При работе одного ПЧ с несколькими двигателями
Общие замечания по выбору и эксплуатации преобразователя
- Замечания по выбору
- Замечания по установке параметров
Как выбрать подходящий двигатель
- Стандартный асинхронный двигатель
- Специальные двигатели
Механизмы преобразования механической энергии
Вращающий момент двигателя
VFD-M (A) - компактная многофункциональная; VFD-M (B) - компактная многофункциональная; VFD-EL - новая компактная, встроенный РЧ фильтр класса B; VFD-E - новая многофункциональная, со встроенным PLC; VFD-E (P) - модификация с разделенной системой охлаждения; VFD-E (T) - модификация со встроенным тормозным ключем; VFD-F - для насосов и вентиляторов; VFD-G - для компрессоров и экструдеров; VFD-B - общего назначения; VFD-VE - максимум функций и возможностей;
Одним из главных недостатков асинхронных двигателей является сложность регулировки частоты вращения. Изменять её можно тремя способами: изменением количества пар полюсов, изменением скольжения и изменением частоты. В последнее время для регулирования скорости вращения асинхронного короткозамкнутого двигателя частоту тока меняют с помощью частотных преобразователей для электродвигателя.
В последнее время на производстве стали широко использоваться высокочастотники, у многих неопытных новичков, встречающих их на практике, часто возникает вопрос, что такое частотный преобразователь и для чего он нужен. Достоинствами частотного привода для электродвигателя являются:
- снижение электропотребления двигателем;
- улучшение показателей работы: плавность запуска и регулировки скорости вращения;
- исключение возможных перегрузок.
Плавность пуска обеспечивается преобразователем благодаря снижению с его помощью пускового тока, который без частотника превышает номинальный ток в 5–7 раз.
Основными частями в устройстве преобразователя являются инвертор и конденсаторы. Инвертор обычно выполнен из диодных мостов. Его задача - выпрямить напряжение на входе, которое может принимать значение 220В или 380В в зависимости от количества фаз, но сохранить при этом пульсации. Затем конденсаторы выпрямленное напряжение сглаживают и фильтруют.
Потом постоянный ток отправляется на микросхемы и выходные мостовые IGBT-ключи. Обычно мостовой IGBT-ключ - это шесть транзисторов, соединённых по мостовой схеме. Защиту от пробоя напряжения обратной полярности осуществляют диоды. В более ранних схемах вместо транзисторов были использованы тиристоры, значительными недостатками которых были некоторая замедленность в работе и помехи.
Благодаря этим устройствам возникает широтно-импульсная последовательность с необходимой частотой. На выходе частотника импульсы напряжения имеют прямоугольный вид. А после того как они проходят через обмотку статора, вследствие её индуктивности, принимают синусоидальный вид.
Чтобы понять, зачем нужен инвертор, необходимо уяснить, что ток бывает постоянным и переменным. И если преобразователи частоты используются при работе с переменным током, то для управления электромотором постоянного тока необходим электропривод постоянного тока. Он называется инвертором и его назначением в схеме является контроль тока возбуждения. И он также независимо от изменений нагрузки может поддерживать скорость вращения ротора в требуемых пределах и осуществлять его торможение.
При выборе частотника наиболее низкая стоимость определена набором минимальных функций. Рост стоимости пропорционален их увеличению.
Первоначально преобразователи классифицируют по мощности . Не менее важными параметрами являются перегрузочная способность и тип исполнения.
Мощность частотника должна быть не меньше максимальной мощности установки. Для оперативного ремонта или замены в случае поломки частотного привода для электромотора желательно, чтобы сервис-центр был расположен в непосредственной близости.
При выборе преобразователя немаловажным фактором является его напряжение. Если подобрать частотник определённого напряжения, а в сети оно окажется более низким, то он будет отключаться. Если же напряжение сети будет длительно допускать допустимое напряжение, то это приведёт к его повреждению и невозможной дальнейшей работе. С учётом этих рисков нужно выбирать частотники с большим интервалом допустимого напряжения.
Существует два типа управления преобразователей: векторное и скалярное.
При скалярном управлении удерживается постоянство между значением напряжения и частоты на выходе. Это наиболее простой тип частотников, и, вследствие этого, более дешёвый.
При векторном управлении из-за снижения статической ошибки управление осуществляется более точно. Но и стоимость асинхронного преобразователя частоты с этим видом управления более высока в сравнении со скалярным управлением.
Зона регулирования частоты тока должна быть в необходимых пределах. Для диапазонов с регулировкой по частоте более, нежели в 10 раз лучше выбрать векторное управление.
Количество вводов должно быть оптимальным, потому как при слишком большой их численности цена прибора для изменения частоты будет неоправданно завышена, а также могут возникнуть некоторые сложности при его настройке.
Необходимо учесть перегрузочные способности частотника по току и мощности. Ток частотника должен быть чуть больше, нежели номинальный ток двигателя. В случае возникновения ударных нагрузок необходим запас по пиковому току, который должен быть не менее 10% от ударного тока.
Расчёт частотника для электродвигателя
Для того чтобы преобразователь частоты имел возможность работать надёжно и соблюдать заданные значения, необходимо рассчитать его основные параметры:
- тип исполнения;
- мощность.
Расчёт тока преобразователя производится по формуле:
где Р – номинальная мощность двигателя, квт;
U – напряжение, В
сosφ – значение коэффициента мощности
Правильный выбор мощности прибора для изменения частоты сказывается на эффективности работы установки. При заниженной мощности частотного преобразователя производительность оборудования будет невысокой. Длительные перегрузки при работе могут привести к поломке преобразователя частоты.
При завышенной мощности частотного преобразователя и скачках напряжения или перегрузке не сработает защита электродвигателя, что приведёт к его повреждению. U
Мощность частотника должна быть больше номинальной мощности соответствующего двигателя на 15%.
Частотники для двигателя мощностью около 3 КВт являются наиболее распространёнными ввиду компактности, относительно невысокой цены, простоты установки и обслуживания
Собирать вручную частотники для двигателей мощностью 3 КВт и больше нет смысла - они будут довольно дорогими по цене и не всегда обеспечивать необходимую точность в работе.
Для двигателей мощностью 3 КВт преобразователи частоты находят применение:
- в системах вентиляции для контроля скорости вращения вентилятора;
- для одновременности работы принимающего и подающего конвейеров;
- для подачи сырья с контролем его объёма;
- для управления несколькими насосами;
- для контроля работы погружным насосом;
- для регулировки скорости подачи сырья в дробилках.
Частотники для двигателей большей мощности отличаются величиной максимальной выходной частоты, наличием фильтра электромагнитной совместимости (ЕМС), видом режима управления.
Например, у частотного привода для электродвигателя мощностью 15 КВт максимальная выходная частота меньше, нежели у преобразователя для двигателя мощностью 3 КВт. ЕМС фильтр для такого двигателя не предусмотрен. Режим управления только скалярный.
Создание трёхфазного асинхронного электродвигателя пришлось на конец XIX века. С тех пор, никакие промышленные работы не являются возможными без его использования. Наиболее значимый момент в рабочем процессе — плавный пуск и торможение двигателя. Это требование в полной мере выполняется при помощи частотного преобразователя.
Существует несколько вариантов названий частотника для трёхфазного электродвигателя. В том числе, он может называться:
- Инвертором;
- Преобразователем частоты переменного тока;
- Частотным преобразователем;
- Частотно регулируемым приводом.
С помощью инвертора осуществляется , предназначенного для преобразования электрической энергии в механическую. Осуществляемое при этом движение можно трансформировать в движение другого типа.
- «Треугольник».
Схема актуальна, если требуется управлять однофазным приводом. Уровень мощности преобразователя в схеме при этом составляет до трёх киловатт, а мощность не теряется.
- «Звезда».
Способ, подходящий для подключения клемм трёхфазных частотников, питаемых промышленными трёхфазными сетями.
На рисунке схема подключения частотника 8400 Vector
Для ограничения пускового тока и снижения пускового момента при запуске электрического двигателя по мощности превосходящего 5 кВт, применяется переключение «звезда-треугольник».
Когда на статор пускается напряжение, то фигурирует подключение устройства по типу «звезда». Как только значение скорости двигателя начинает соответствовать номинальному, поступление питания осуществляется по схеме «треугольник». Но этот приём используется, только когда технические возможности позволяют подключаться по двум схемам.
В объединённой схеме «звезды» и «треугольника» наблюдаются резкие скачки токов. При переходе на второй тип подключения показания по вращательной скорости значительно уменьшаются. Для восстановления прежнего режима работы и частоты оборотов следует осуществить увеличение силы тока.
Наиболее активно применяются частотники в конструкции электрического двигателя с уровнем мощности 0,4 — 7,5 кВт.
Сборка преобразователя частот своими руками
Одновременно с промышленным производством частотных преобразователей, остаётся актуальной сборка подобного устройства своими руками. Особенно этому способствует относительная простота процесса. В результате работы инвертора производится преобразование одной фазы в три.
Применение в бытовых условиях электрических двигателей, имеющих в комплектации подобное устройство, не вызывает никаких дополнительных затруднений. Поэтому можно смело браться за дело.
На рисунке структурная схема частотных преобразователей со звеном постоянного тока.
Схемы частотного преобразователя, используемые при сборке, состоят из выпрямительного блока, фильтрующих элементов (отвечающих за отсечение переменной составляющей тока и конструируемых из IGBT-транзисторов). По стоимости покупка отдельных компонентов преобразователя и выполнение сборки своими руками обходится дешевле, чем приобретение готового устройства.
Применять самосборные частотные преобразователи можно в электродвигателях имеющих мощность 0,1 — 0,75 кВт.
В то же время, современные заводские частотники имеют расширенную функциональность, усовершенствованные алгоритмы и улучшенный контроль безопасности рабочего процесса ввиду того, что при их производстве используются микроконтроллеры.
Сферы применения преобразователей:
- Машиностроение;
- Текстильная промышленность;
- Топливно-энергетические комплексы;
- Скважинные и канализационные насосы;
- Автоматизация управления технологическим процессом.
Стоимость электродвигателей находится в прямой зависимости от того, есть ли в его комплектации преобразователей.
Частотные преобразователи позволяют легко изменять частоту вращения двигателя, делать его работу более плавным. Это повышает КПД оборудования и продлевает срок его службы.
Что такое частотные преобразователи
Преобразователи частоты – это устройства, позволяющие изменять частоту выходного напряжения. Это необходимо для того, чтобы варьировать скорость вращения двигателя.
При прямом подключении к электросети частота колебаний остается неизменной, стандартные показатели – 50 или 60 Гц. Использование частотного преобразователя позволяет увеличивать или уменьшать вращение ротора. Диапазон возможных изменений – от 0,5-800 Гц. Однако сейчас большинство двигателей рассчитаны на частоту не более 400 Гц.
Главные особенности преобразователей
Современное электрооборудование – это высокотехнологичные устройства с программным управлением. За точность и надежность отвечает электронная система управления. Агрегаты достаточно компактны и просты в управлении.
В зависимости от того, можно ли регулировать показатели напряжения на выходе, преобразователи делятся на управляемые и неуправляемые. В первых параметры можно изменять, во вторых показатели задаются конструкцией агрегата. Встречаются также модели, где происходит автонастройка под параметры подключенного двигателя. Для этого требуется выполнить идентификационный пуск, во время которого автоматически определяются параметры обмоток.
Кроме возможности регулировать показатели различаются типы управления устройством. Их два: скалярное и векторное. Скалярное не дает шансов задать точные настройки, оно лишь определяет соотношение частоты на входе и выходе. При изменении входных данных конечные параметры изменяются пропорционально. Векторное управление дает возможность задавать точные показатели, необходимые для конкретного двигателя в конкретной ситуации.
Чтобы сделать работу оборудования точнее, а управление проще, современная техника оснащается картами памяти и дисплеем для отображения информации.
При использовании преобразователей необходимо учитывать некоторые нюансы. Так, работа двигателя на низких оборотах приводит к повышению температуры, с которым встроенный вентилятор может не справиться. Поэтому необходимо следить за нагревом и при необходимости использовать принудительное охлаждение.
Также работающий преобразователь становится мощным источником высокочастотного тока. Собственные микросхемы оборудования защищены от помех специальными фильтрами. Но чтобы колебания не влияли на работу других приборов, нужно использовать экранирающий кабель как можно меньшей длины. Расстояние до других кабелей должно быть не менее 10 см. Если возникает необходимость пересечения, делать это нужно под углом 90°.
Применение частотных преобразователей
Частотные преобразователи подключают к оборудованию, работа которого предполагает изменение скорости двигателя.
К таким механизмам относятся:
-
системы вентиляции;
транспортеры;
компрессоры;
манипуляторы и экскаваторы;
-
центрифуги;
робототехника и др.
Также частотный преобразователь используют для синхронизации работы взаимосвязанных механизмов. Зависимость может быть и прямой, и обратной.
Принцип работы
Чтобы напряжение, проходя через преобразователь, изменил характеристики, используются принцип двойного изменения. На входе сетевое напряжение выпрямляется с помощью диодного моста и фильтруется конденсаторами. Здесь амплитуда колебаний сглаживается, после чего ток поступает в преобразующую часть.
Преобразование происходит благодаря объединенным определенным образом транзисторам (обычно их 6). Подключаются они по встречно-параллельной схеме. С их помощью задаются нужные показатели частоты и амплитуды колебаний тока.
Существуют два типа управляющей системы:
амплитудная, когда регулируется входные показатели напряжения;
широтно-импульсная (ШИМ), при которой на изменения показателей влияет порядок переключения транзисторов. В определенной, строго заданной очередности сигнал поступает на положительные и отрицательные выводы, в итоге получается синусоида с четко заданными параметрами.
Управляют процессом и меняют заданные характеристики с помощью микропроцессоров. Специальный микроконтроллер подает сигнал на микросхему. Происходит сравнение изменений с заданным эталоном (5 Гц). Далее программа по специальному алгоритму производит преобразование тока до нужной величины. Кроме этого, микроконтроллер отслеживает температуру полупроводников, защищает аппарат от перегрева и резких скачков напряжения.
Чтобы обезопасить настройки от внешнего воздействия, корпус надежно защищают. Предотвращать требуется не только механические повреждения (удары, пыль, влага), но и возможные взаимные помехи, которые создают другие работающие приборы. Для снижения радиопомех и невидимых электрических разрядов используют специальный фильтр.
В результате на выходе получается четкий стабильный сигнал нужной частоты, приводящий в работу электродвигатель и задающий нужное число оборотов.
Критерии выбора
Существует большое количество моделей, отличающихся по техническим характеристикам и цене.
Чтобы сделать правильный выбор, необходимо учитывать:
Мощность. Ориентироваться надо на максимальную энергию, которую потребляет двигатель. При этом показатели агрегата должны превышать эту величину приблизительно на 10%. Это снизит риск перегрузки, так как даже при работе на максимальных показателях останется резервный запас мощности. Если для подключенного оборудования характерны скачки нагрузок, ориентироваться надо также по максимальным показателям. Когда к преобразователю подключается несколько двигателей, для расчета используют их суммарную мощность;
Сетевое напряжение. Чем больше диапазон, тем лучше. При этом, если уменьшение напряжения в сети приведет к отключению прибора, то слишком высокие показатели могут стать причиной выхода преобразователя из строя;
Диапазон регулировки частоты. Верхняя граница соотносится с максимальной частотой работы подключенного оборудования. Нижний предел показывает диапазон регулирования скорости. Стандартным считается соотношения 1:10;
Количество входных фаз (одна или три). Трехфазные модели устанавливают на промышленное оборудование при входной мощности 380 вольт. Однофазные можно использовать только при питании сети в 220 вольт. От этого зависит и схема подключения к электродвигателю;
Область применения: в обычных условиях достаточно стандартной защиты корпуса. Если устройство предполагается использовать, например, в горнодобывающей промышленности, потребуется увеличенная степень защиты. Эта характеристика обозначается маркировкой IP. Чем выше показатель, тем надежнее защищена техника;
Способ управления. Агрегаты с векторным типом стоят дороже, но дают возможность более точных настроек. Скалярное управление позволяет только поддерживать соотношение между показателями на входе и выходе. Однако для некоторых видов оборудования, например, вентиляторов, этого вполне достаточно;
Количество входных и выходных сигналов. Благодаря им повышаются возможности управления и настройки преобразователя. Они бывают дискретными, аналоговыми и цифровыми. Дискретные входы позволяют отдавать управляющие команды (пуск, стоп, реверс и др.). Аналоговые входы служат для регулирования и настроек агрегата в процессе работы. Цифровые входы используют для ввода сигналов от датчиков. Дискретные выходы обеспечивают «обратную связь» от аппарата, сообщая о критических изменениях в его работе (ошибка, перегрев, слишком высокое напряжение и др.). Аналоговые выходы нужны для построения сложных систем. Чем больше входов и выходов, тем точнее задаваемые настройки и выше качество преобразования. Но усложнение аппарата неизбежно сказывается на цене;
Оборудование, для которого нужен преобразователь. Бывают фирменные модели, которые предназначены для определенной техники. Есть универсальные агрегаты для многоцелевого использования.
Гарантия и условия обслуживания. Качественный сервис позволит не переживать за работоспособность преобразователя, а также техники, к которой он подключен.
Преимущества частотных преобразователей
Применение частотного преобразователя дает множество преимуществ:
экономия электроэнергии;
защита двигателя от проблем, связанных с изменениями показателей тока (скачков напряжения, коротких замыканий, перегрузок сети и т.п.);
повышается точность регулирования частоты вращения двигателя;
сглаживаются перепады скоростей при пуске и торможении;
можно управлять группой механизмов;
более простая система управления;
изменение настроек во время работы оборудования, без его остановки;
повышение рабочего ресурса электродвигателя.
Все это упрощает управление сложными механизмами, повышает КПД, продлевает срок эксплуатации оборудования и в конечном счете дает существенную экономию бюджета.
