Частотное регулирование однофазного асинхронного двигателя

Частотное управление электроприводами активно развивается и все чаще можно услышать о новом методе управления, или улучшенном частотнике, или о внедрении частотного электропривода в какой-то сфере, где ранее никто и подумать не мог что это возможно. Но это факт!

Если мы внимательно рассмотрим электродвигатели, к которым применяют частотное регулирование – то это асинхронные или синхронные трехфазные двигатели. Существует несколько разновидностей преобразователей частоты. Но ведь есть и однофазные асинхронные машины, почему прогресс не касается их? Почему частотное управление не применяют так активно к однофазным машинам? Давайте рассмотрим.
Содержание:

Принцип работы однофазной асинхронной машины

При однофазном питании асинхронника в нем вместо вращающегося магнитного поля возникает пульсирующее, которое можно разложить на два магнитных поля, которые будут вращаться в разные стороны с одинаковой частотой и амплитудой. При остановленном роторе электродвигателя данные поля создадут моменты одинаковой величины, но различного знака. В итоге результирующий пусковой момент будет равен нулю, что не позволит двигателю запустится. По своим свойствам однофазный электродвигатель похож на трехфазный, который работает при сильном искажении симметрии напряжений:

на рисунке а) показана схема асинхронной однофазной машины, а на б) векторная диаграмма

Основные виды однофазных электроприводов

Как упоминалось однофазный двигатель не может развивать пусковой момент, следствием чего становится невозможность его самостоятельного запуска. Для этого придумали несколько способов компенсации магнитного поля противоположного по знаку основному.

Двигатели с пусковой обмоткой

В данном способе пуска кроме основной обмотки Р, имеющей фазную зону 120⁰, на статор наматывают еще и пусковую П, которая имеет фазную зону 60⁰. Также пусковая обмотка сдвигается относительно рабочей на 90⁰ электрических. Для того, чтоб создать фазовый сдвиг между токами обмоток I_р и I_п последовательно в пусковую обмотку подключают элемент, приводящий к сдвигу фаз ψ (фазосдвигающее сопротивление Z_п):

Где: а) схема подключения машины, б) векторные диаграммы при использовании различных сопротивлений.

Наилучшими условиями для пуска будет включения конденсатора в пусковую обмотку. Но поскольку емкость конденсатора довольно велика, соответственно и его стоимость и габариты тоже возрастают. Зачастую его применяют для получения повышенного момента для пуска. Пуск с помощью индуктивности имеет наихудшие показатели и в настоящее время не используется. Довольно часто могут применять запуск с помощью активного сопротивления, при этом пусковую обмотку делают с повышенным активным сопротивлением. После запуска электродвигателя пусковая обмотка отключается. Ниже показаны схемы включений и их пусковые характеристики:

Где: а,б) двигатели с пусковой обмоткой, в,г) конденсаторные

Конденсаторный двигатель

Данный тип электродвигателя имеет две рабочие обмотки, в одну из которых подключают рабочую емкость С_р. Данные обмотки сдвинуты относительно друг друга на 90

0 электрических и имеют фазные зоны тоже 90⁰. При этом мощности обеих обмоток равны, но их токи и напряжения различны, также различны количества витков. Иногда величины конденсатора рабочего не достаточно для формирования нужного пускового момента, поэтому параллельно ему могут вешать пусковой, как это показано на рисунке выше. Схема приведена ниже:

Где: а) схема конденсаторного электродвигателя, б) его векторная диаграмма

В данном типе однофазных машин коэффициент мощности cosφ даже выше чем у трехфазных. Это объясняется наличием конденсатора. КПД такого электродвигателя выше, чем однофазного электродвигателя с пусковой обмоткой.

Частотное регулирование однофазных асинхронных электродвигателей

Итак, все чаще появляются предложения частотных преобразователей, которые могут управлять однофазными асинхронными машинами. В силу того что частотники предназначены для работы с трехфазными машинами, то для регулирования оборотов однофазной машинами необходим особый вид частотного преобразователя. Это обусловлено тем, что трехфазные и однофазные машины имеют немного разный принцип работы. Давайте рассмотрим схему включения, которую предоставляет один из официальных производителей частотных преобразователей для однофазных машин:

Это схема прямого подключения. Где: Ф-фаза питающего напряжения, N-нейтральный проводник, L1, L2 – обмотки двигателя, Ср – рабочий конденсатор.

А вот схема подключения преобразователя:

Как мы можем видеть, конденсатор при включении данной схемы отключается. Обмотка L1 переключается к выходу преобразователя фазы А, а L2 к В. Общий провод подключается к выходу С. Тем самым мы фактически получили двухфазную машину. Фазовый сдвиг теперь будет реализовывать частотный преобразователь, а не конденсатор. На выходе преобразователя будет обычное трехфазное напряжение.

Данный способ частотного регулирования трудно назвать однофазным, так как при питания двигателя от сети напрямую необходимо опять восстанавливать схему с конденсатором. Более того, этот способ регулирования частоты НЕ ПОДХОДИТ для машин с пусковой обмоткой, так как сопротивление рабочей и пусковой обмотки не равны, появится асимметрия.

Можем сделать вывод, что данный вид частотного регулирования подходит не всем электродвигателям, а только конденсаторным. Более того, при такой схеме подключения необходимо провести переподключение обмоток внутри электродвигателя (в коробке выводов электродвигателя), что после переподключения не позволит работать ему от сети напрямую. Поэтому если вы собираетесь питать электродвигатель от однофазной сети через частотник, то, может быть стоит купить преобразователь, который питается от однофазной сети, а двигатель обычный, трехфазный. Это лучше с точки зрения работы самой машины, также отсутствуют переделки внутри электрической машины. Если вы собираетесь таким образом модернизировать систему, то внимательно изучите характеристики электродвигателя, преобразователя, чтоб избежать пустой траты средств или выхода из строя элементов системы.

Настройка ПЧ для работы с несколькими электродвигателями

В большинстве преобразователей частоты реализована функция работы с несколькими электродвигателями, при этом возможны три варианта подключения.

1. Два двигателя имеют одинаковую мощность и подключены параллельно.
2. Два двигателя имеют разную мощность и могут работать на разную нагрузку. В этом случае каждый из двигателей необходимо подключать через свое тепловое реле. Значения тока реле нужно выставить в соответствии с мощностью двигателей.
3. Поочередная работа двигателей. Приводы могут иметь разную мощность, работать на разные нагрузки и выполнять разные задачи. Принципиально важно, что работают они с разнесением во времени, например, на разных технологических процессах. Переключение происходит с помощью контакторов.

Рассмотрим эти варианты подробнее.

К преобразователю частоты одновременно подключены два одинаковых двигателя

Если двигатели одинаковы, их обмотки могут быть подключены параллельно. При этом преобразователь частоты должен работать в скалярном режиме (без обратной связи). Мощность ПЧ должна быть равна или превышать сумму мощностей электродвигателей.

Если двигатели работают на общий вал, необходимо предусмотреть возможность плавного фазирования. При первом включении подстраивается взаимное положение роторов с помощью муфты скольжения, после чего муфта зажимается. Затем проверяются токи каждого двигателя — они должны быть одинаковыми.

Для лучшей защиты желательно на выходе ПЧ перед каждым двигателем установить тепловое реле (РТЛ), контакты которого подключить к аварийному или стоповому входу преобразователя. Мотор-автомат вместо РТЛ устанавливать нельзя, поскольку преобразователи частоты не любят коммутацию на выходе в процессе работы.

Параметры разгона, торможения, защиты и проч. будут одинаковыми для обоих двигателей.

К преобразователю частоты одновременно подключены два разных двигателя

В данном случае справедливо всё, что описано выше, однако требования к защите двигателей ужесточаются. Обязательно нужно устанавливать тепловое реле, поскольку настройками ПЧ защитить двигатель с меньшей мощностью не удастся. Важно, чтобы другие важные параметры приводов (количество полюсов, скорость вращения, напряжение, схема включения обмоток) совпадали.

Коммутация двигателей на выходе преобразователя частоты в процессе работы не допускается.

К преобразователю частоты подключены два двигателя поочередно

Тут возможны два случая – подключение двигателей к ПЧ предусмотрено производителем или не предусмотрено.

Если в бюджетном преобразователе переключение между двигателями не предусмотрено, то, как правило, есть возможность переключаться между параметрами разгона и замедления. Это может быть сделано автоматически, с использованием запрограммированного входа ПЧ. Параметры двигателя и его защиты не меняются, поэтому допускается эксплуатация только одинаковых двигателей. Переключение производится в режиме «Останов», для чего в схеме должны быть предусмотрены специальные блокировки.

Для переключения используются контакторы, либо переключатели. Возможна ситуация, когда при пропадании питания на установке и номинальной мощности на выходе ПЧ контакторы отключаются раньше, чем отключится выход преобразователя . В этом случае преобразователь может выйти из строя. Чтобы подобного не произошло, необходимо установить нужный режим ПЧ при пропадании питания, либо использовать частотник, рассчитанный на применение коммутации на выходе.

Если производителем частотного преобразователя предусмотрено подключение двух двигателей, то всё необходимое для этого предусмотрено в программном и аппаратном обеспечении преобразователя. Для каждого двигателя имеется свой профайл (набор параметров), который используется при выборе данного привода. Обычно также есть специальные выходы и входы, которые контролируют переключение выхода преобразователя с одного двигателя на другой. Это наиболее предпочтительный режим, поскольку приводы и частотник работают корректно, в штатных режимах, и полностью защищены.

Перечисленные варианты можно применить для трех и более электродвигателей при соблюдении указанных условий. В общем виде схема может выглядеть так:

В завершение отметим, что для реализации конкретной задачи необходимо внимательно изучить инструкцию к конкретной модели преобразователя.

Другие полезные материалы:
Редуктор от «А» до «Я»
Назначение сетевых и моторных дросселей
Обзор устройств плавного пуска Siemens
Использование тормозных резисторов с ПЧ

Подключение к одному преобразователю частоты двух двигателей

Мощность и электрический ток частотного преобразователя напряжение при подсоединении к нему в одно время двух двигателей выбирают с превышением на 20% от всей мощности электромоторов. Для расчета протяженности электрического кабеля надо сложить размеры всех кабелей двух двигателей. Снизить общую длину необходимо, если подключить два электродвигателя конкретно к контактам частотного преобразователя. При двух электродвигателях целесообразно поставить дроссель для мотора, несмотря на то, что общая протяженность этих кабелей не выше самой большой длины.

Множество преобразователей частоты не терпит соединения и отключения электродвигателей тока контакторами с электроприводом в процессе работы, а только включив СТОП команду на приводе.

Два одинаковых мотора на один частотник возможно?

Теоретически такое подключение не рекомендуется, особенно для векторного преобразователя частоты. Можно подключать на скалярный, если электродвигатели работают совместно на одном валу, и можно фазировать их плавно через муфту тока скольжения. Возможно подстраивать расположение роторов между собой муфтой. Затем муфту надо закрепить. На небольшой нагрузке подстроить токи между двигателями с помощью токовых клещей.

Существуют определенные преобразователи тока и напряжение, разрешающие эксплуатацию двух электродвигателей одновременно под совместной нагрузкой. Хотя, у обоих моторов есть собственный частотник и линия дополнительного управления между преобразователями.

Два равных электродвигателя подключить проблематично. Поочередно можно подключить без проблем, даже различных по параметрам. Подключение делают через пускатели и выключатели пакетного типа.

Micromaster может производить управление двумя электродвигателями сразу. Значения параметров нужно создать правильно, установить защищенность от нагрева отдельно.

На один частотный преобразователь можно ставить два двигателя, но на разные два вала. В частотнике на одни контакты протянуть от соответствующего электромотора по одному.

Приведем пример. У нас имеется два мотора по 0,5 кВт. Мы хотим чтобы они эксплуатировались вместе на одной нагрузке 0,8 кВт на преобразователь частоты. Приобретать сразу два преобразователя нецелесообразно, они работают синхронно, и производить регулировку двух преобразователей частоты неудобно.

Присоединение сразу обоих электромоторов с одним преобразователем частоты тока влечет за собой некоторые нюансы. Основная трудность – это защищенность двигателей. Трудно найти проблему неисправности с одним из двигателей при включении в цепь параллельно. Например, на одном преобразователе работают два мотора заводские. Работали три фрезы. Одна фреза вышла из строя, затупилась. Из-за этого стал нагреваться частотный преобразователь. Необходимо устанавливать на все двигатели тепловые реле с защитой преобразователя на максимальный ток и напряжение. В противном случае реле защиты частотника тока не может распознать неисправность. Плохо, если есть выключатель имеется у выхода преобразователя. В случае обрыва двигателя во время работы частотный преобразователь выйдет из строя.

Тепловая защита имеет огромное значение, но возможно обойтись без нее. Разрешено на векторе быть без обратной связи, полное векторное трудно получить. В ходе эксперимента обнаружатся возможности. На исправном преобразователе на выходе все функционирует без трудностей. Если не перегружать конденсаторами частотники, то они служат долго.

На два электродвигателя хорошо подходят преобразователи Hyundai. Они имеют свою защиту от нагрева (тепловые реле), которая необходима на каждый мотор. Это определяется несколькими фактами:

1. Нагрузка неравномерно распределена. Электрический ток разной величины на обоих двигателях.
2. Наличие возможности выключения из работы одного мотора. Защита для мотора 0,8 кВт, встроенная в частотнике, не будет работать.

Рекомендуется делать равномерную нагрузку на частотник от обоих двигателей. Имеется ввиду нагрузка во время работы. Обрыв во время холостого хода нормально переносится преобразователем тока. При внезапном отключении напряжения питания пусковой выключатель, который коммутирует электродвигатель, отключался чаще, чем отключался частотник.

Lenze smd параллельное подключение двух электродвигателей

Если включить два электродвигателя параллельно к преобразователю частоты ESMD402L4TXA 4, то рекомендуется ставить тепловые реле для защищенности от токовых перегрузок. Для контролирования температуры необходимо поставить термодатчики.

Информация от инженеров: можно ли подключить два двигателя одновременно к частотнику?

1) Рекомендовано применять тепловые реле частотного преобразователя видов ТРП, РТТ, ТРН. Контакты, размыкающие эти реле, подсоединяются последовательным соединением к дискретному входу частотного преобразователя ESMD. Вход дискретный программируется функцией отключения из-за наружной поломки. Параметр имеет значение равное 10.

2) К таким частотникам допускается подключение тепловых реле. Они будут размыкать контакт при высокой температуре. При соединении двух датчиков контакты соединяются по последовательной схеме. Терморезисторы, термопары, датчики температуры не рекомендуются для применения.

Чаще всего при подключении двух электродвигателей к одному частотному преобразователю используют РТЛ тепловые реле, укомплектованные адаптером КРЛ, чтобы устанавливать их самому. Постоянно замкнутые контакты РТЛ теплового реле включены в цепь частотника Lenze. Постоянно разомкнутый контакт был подключен лампе сигнала при аварии электромотора.

Чтобы можно было соединить два электродвигателя параллельно, должны быть соблюдены законы:

• частота — напряжение, квадратичный закон;
• закон частота – напряжение с IR–компенсацией в автоматическом режиме.

Электрический ток частотника должен быть не менее суммы токов обоих электромоторов. Для этого используют наружную защиту тепловую для обоих двигателей с применением термореле или терморезисторов. Лучше между моторами и частотником установить фильтр выхода с функцией отсечки излишнего напряжения.

Наиболее применимы два варианта:

1. Моторы с одинаковой мощностью. После настраивания частотника характеристика крутящего момента не изменяется.
2. Электродвигатели с неодинаковой мощностью. Данные крутящего момента не оптимальные для двигателей.

Подключение трехфазного двигателя к однофазной сети через частотник

Практически вся генерируемая электроэнергия в мировом хозяйстве трехфазная. В быту, где в больших мощностях нет особой необходимости, для безопасности людей, простоты управления и удешевления применяется однофазная сеть. Что делать, если при определенных обстоятельствах возникает необходимость приспособить однополюсную бытовую розетку для питания техники, рассчитанной на трехфазное напряжение? Скажем, для подключения циркулярной пилы, насоса, наждачного или сверлильного станка.

Прежде всего, необходимо уточнить какого рода сама нагрузка. Электродвигатели бывают постоянного/переменного токаи, в то же время, делятся на синхронные/асинхронные. При этом на втором различии основываетсяэлектромагнитный принцип возникновения вращения, а постоянный/переменный тип тока используется для работы электродвигателя.

Таким образом, двигатель постоянного тока вполне может быть асинхронным. Тогда достаточно преобразовать напряжение 220 В переменного тока в 380 В постоянного тока.

Схема подключения его очень простая:

Читая чертёж слева направо, видим, что имеется однофазная сеть с переменным током. Приведение напряжения 220 к 380 В осуществляется с помощью повышающего трансформатора и мостового выпрямителя. Это делается путем выбора соответствующего соотношения обмоток каждой стороны преобразующего трансформатора.

При монтаже выпрямителя необходимо учесть полярность на выходе. Есть риск повредить конденсатор и считайте, повезёт, если этим дело ограничится. Схема мостового выпрямителя, наиболее популярная, по ней выполнена почти все выпущенные трансформаторные блоки питания. Сложно? Есть много других способов подключения.

Схема регулирования трёхфазного двигателя, подключенного в однофазную сеть через частотный преобразователь

• UZ –частотник;
• L — фаза;
• N — нулевая фаза;
• u, v, w — выводы для включения электродвигателя.Реле времени:K1 — пуск электродвигателя;
• K2 — реверс;
• K3, K4 – II и III скорости.

Принцип построения всех преобразователей частоты одинаковый. Сначала посредством выпрямителя преобразовывается напряжение переменноевпостоянное. Далее управляемым приводом создаются разно частотные импульсы.

Импульсы, распределенные по трем фазам асинхронного двигателя, порождают вращающееся магнитоэлектрическое поле статора. Регулировка частотным преобразователем может осуществляться либо с его съемной панели, либо с помощью аналоговых входов.

Существует несколько способов подключения фаз двигателя. Классические варианты соединения фаз: «звезда» и треугольник». «Звезда» — это соединение, при коем концы фазных обмоток соединяются в один узел. Подключение фаз в «треугольник», это когда конец одной фазы является началом следующей.

Но самым распространённым способом плавного пуска асинхронного двигателя считается вариант «звезда-треугольник».

Схема подключения трехфазного двигателя к 220В через преобразователя частоты по принципу «звезда – треугольник»

Для уменьшения пусковых токов и момента (P движка больше 5 кВт) часто используется комбинированный способ.

При пуске напряжение на статор подаётся по принципу «звезда», по мере разгона мотора до номинального значения скорости, питание переключается на «треугольник». В схеме задействовано реле времени, выполняющее переключение. При этом на нём выставляется продолжительность разгона, чтобы движок успел набрать обороты по номиналу.

Заключение

Пусковые токи асинхронных двигателей очень большие и, если не делать пуск плавным, их величина теоретически может достигать значений токов КЗ. Случается, она равняется 90% от номинала двигателя. Схема подключения трехфазного двигателя к 220 В по принципу «звезда-треугольник» — это один из эффективных способов плавного пуска со снижением напряжения, преимущества которого состоят в высоком пусковом моменте, снижении пускового тока, повышении КПД, широком диапазоне регулирования скорости,полном спектре встроенных защит привода.

Подключение и настройка частотного преобразователя / Статьи и обзоры / Элек.ру

Частотный преобразователь используется для изменения частоты напряжения, питающего трехфазный двигатель. Кроме того, частотник позволяет подключить трехфазный электрический двигатель к однофазной сети без потерь мощности. В случае, когда для этих целей применяются конденсаторы, последнее невыполнимо.

Подключение частотника предполагает размещение перед ним автоматического выключателя, работающего с током, равным номинальному (или ближайшему большему в ряду номинальных токов автоматов) потребляемому току двигателя. Если ПЧ адаптирован на работу от трехфазной сети, необходимо задействовать трехфазный автомат, имеющий общий рычаг. Такой подход позволяет в случае короткого замыкания одной из фаз оперативно обесточить и все остальные фазы. Характеристики тока срабатывания должны полностью соответствовать току одной фазы электрического двигателя. Если же частотник предназначен для однофазного питания, имеет смысл применить одинарный автомат, рассчитанный на утроенный ток одной фазы. В любом случае, установка частотника не должна осуществляется путем включения автоматов в разрыв нулевого или заземляющего провода. Здесь подключение выполняется только напрямую.

Далее настройка преобразователя частоты предусматривает присоединение его фазных проводов к соответствующим контактам электрического двигателя. Перед этим необходимо соединить в электродвигателе обмотки по схеме «треугольник» или «звезда». Конкретный тип соединения определяется характером напряжения, вырабатываемого непосредственно преобразователем частоты.

Как правило, на корпусе двигателя приведены два значения напряжения. В ситуации, когда вырабатываемому частотником напряжению соответствует меньшее из указанных, необходимо применить схему «треугольник». В противном случае обмотки соединяются по принципу «звезды».

Пульт управления, входящий в комплект поставки частотного преобразователя, располагают в удобном месте. Подключить его необходимо согласно схеме, приведенной в инструкции к ПЧ. Далее рукоятка устанавливается в нулевое положение и выполняется включение автомата. При этом на пульте загорается световой индикатор. Для работы преобразователя необходимо нажать кнопку «RUN» (запрограммировано по умолчанию). Затем необходимо немного повернуть рукоятку, чтобы электродвигатель начал постепенное вращение. В случае, если двигатель вращается в противоположную сторону, нажимается кнопка реверса. Далее следует настроить рукояткой необходимую частоту вращения. Важно учесть, что на пультах многих частотников отображается не частота вращения электрического двигателя (об/мин), а частота питающего электродвигатель напряжения, выраженная в герцах.

Схема подключения частотного преобразователя

Если у Вас остались вопросы по подключению и настройке преобразователей, обращайтесь за помощью к нашим техническим специалистам. Также предлагаем ознакомиться с каталогом частотных преобразователей Siemens и Prostar.

Основы преобразователя частоты

Для достижения высокой эффективности, отличной управляемости и энергосбережения в приложениях, связанных с промышленными асинхронными двигателями, необходимо использовать системы регулируемых преобразователей частоты. Система преобразователя частоты в настоящее время представляет собой двигатель переменного тока, питаемый от статического преобразователя частоты. Современный преобразователь частоты отлично подходит для двигателей переменного тока и прост в установке. Однако одна важная проблема связана с несинусоидальным выходным напряжением. Этот фактор вызвал массу нежелательных проблем.Повышенные потери в асинхронном двигателе, шум и вибрация, пагубное воздействие на систему индукционной изоляции и выход из строя подшипников являются примерами проблем систем, связанных с преобразователями частоты. Повышенные индукционные потери означают снижение выходной мощности индукции для предотвращения перегрева. Лабораторные измерения показывают, что повышение температуры может быть на 40% выше при использовании преобразователя частоты по сравнению с обычными источниками питания. Постоянные исследования и совершенствование преобразователей частоты помогли решить многие из этих проблем.К сожалению, кажется, что решение одной проблемы акцентировало внимание на другой. Снижение потерь в индукции и преобразователе частоты ведет к увеличению вредного воздействия на изоляцию. Производители индукционных устройств, конечно, знают об этом. На рынке начинают появляться новые индукционные конструкции (инверторные двигатели). Лучшая изоляция обмотки статора и другие конструктивные улучшения гарантируют, что асинхронные двигатели будут лучше адаптированы для применений с преобразователями частоты.

Введение
Одной из наиболее серьезных проблем асинхронного двигателя была сложность его адаптации к регулировке скорости.Синхронная скорость двигателя переменного тока определяется следующим уравнением.

n _s = 120 * f / p

n _с = синхронная скорость
f = частота электросети
p = номер полюса

Единственный способ отрегулировать скорость для данного количества полюсов — это изменить частоту.

Основной принцип
Теоретически основная идея проста, процесс преобразования стабильной частоты линии электропередачи в переменную частоту в основном выполняется в два этапа:

1. Источник переменного тока преобразуется в постоянное напряжение.
2. Постоянное напряжение преобразуется в переменное напряжение желаемой частоты.

Преобразователь частоты в основном состоит из трех блоков: выпрямителя, звена постоянного тока и инвертора.

Различные типы преобразователей частоты
Инвертор источника напряжения PWM (VSI)
ШИМ (широтно-импульсная модуляция) широко применяется в промышленности преобразователей частоты. Они доступны от нескольких сотен ватт до мегаватт.

ШИМ-преобразователь не обязательно должен точно соответствовать нагрузке, ему нужно только убедиться, что нагрузка не потребляет ток, превышающий номинальный ток ШИМ-преобразователя. Вполне возможно запустить индукцию 20 кВт с преобразователем PWM на 100 кВт. Это большое преимущество, которое упрощает работу приложения.

В настоящее время преобразователь частоты ШИМ использует биполярный транслятор с изолированным затвором (IGBT). Современные преобразователи частоты с ШИМ работают очень хорошо и не сильно отстают от конструкций с синусоидальным источником питания — по крайней мере, не в диапазоне мощностей до 100 кВт или около того.

Инвертор источника тока (CSI)
Инвертор источника тока представляет собой грубую и довольно простую конструкцию по сравнению с ШИМ. В цепях питания используются простые тиристоры или тиристоры, что делает его намного дешевле. Кроме того, он очень надежен. Конструкция обеспечивает защиту от короткого замыкания благодаря большим индукторам в звене постоянного тока. Он крупнее ШИМ.

Раньше инвертор источника тока был лучшим выбором для больших нагрузок. Недостатком инвертора источника тока является необходимость согласования с нагрузкой.Преобразователь частоты должен быть рассчитан на используемый асинхронный двигатель. Фактически, сама индукция является частью перевернутой цепи.

Инвертор источника тока подает на асинхронный двигатель ток квадратной формы. На низких скоростях индукция создает зубцовый момент. Этот тип преобразователя частоты будет создавать больше шума на источнике питания по сравнению с преобразователем PWM. Нужна фильтрация.

Сильные переходные процессы выходного напряжения являются дополнительным недостатком инвертора источника тока.В худших случаях переходные процессы могут почти в два раза превышать номинальное напряжение. Также существует риск преждевременного износа изоляции обмотки при использовании этого преобразователя частоты. Этот эффект наиболее серьезен, когда нагрузка не соответствует преобразователю частоты должным образом. Это может произойти при работе с частичной нагрузкой. Этот вид преобразователя частоты все больше теряет свою популярность.

Векторное управление потоком (FVC)
Управление вектором магнитного потока — это более сложный тип преобразователя частоты, который используется в приложениях, требующих экстремального управления.Например, на бумажных фабриках необходимо очень точно контролировать скорость и силу растяжения.

Преобразователь частоты FVC всегда имеет какой-то контур обратной связи. Этот тип преобразователя частоты обычно не представляет особого интереса для насосов. Это дорого, и его преимуществами нельзя воспользоваться.

Влияние на двигатель
Индукция лучше всего работает при питании от источника чистого синусоидального напряжения. Чаще всего это происходит при подключении к надежному источнику питания от электросети.

Когда индукция подключена к преобразователю частоты, на него будет подаваться несинусоидальное напряжение — больше похоже на напряжение срезанной прямоугольной формы. Если мы подадим на трехфазную индукцию симметричное трехфазное квадратное напряжение, все гармоники, кратные трем, а также четные числа будут исключены из-за симметрии. Но остались цифры 5, 7 и 11, 13 и 17, 19 и 23, 25 и так далее. Для каждой пары гармоник меньшее число вращается в обратном направлении, а большее число — в прямом.

Скорость асинхронного двигателя определяется основным числом, или числом 1, из-за его сильного доминирования. Что теперь происходит с гармониками?

С точки зрения гармоник кажется, что индукция заблокировала ротор, что означает, что скольжение для гармоник составляет приблизительно 1. Это не дает никакой полезной работы. В результате в основном возникают потери в роторе и дополнительный нагрев. В частности, в нашем приложении это серьезный исход. Однако с помощью современных технологий можно устранить большую часть гармоник в индукционном токе, тем самым уменьшив дополнительные потери.

Преобразователь частоты до
Самые первые преобразователи частоты часто использовали простое прямоугольное напряжение для питания асинхронного двигателя. Они вызвали проблемы с нагревом, и индукция работала с типичным шумом, вызванным пульсацией крутящего момента. Намного лучшая производительность была достигнута, если просто исключить пятый и седьмой. Это было сделано за счет дополнительного переключения сигнала напряжения.

Преобразователь частоты сегодня
В наши дни эта техника стала более сложной, и большинство недостатков остались в прошлом.Разработка быстрых силовых полупроводников и микропроцессора позволила адаптировать схему переключения таким образом, чтобы исключить большинство вредных гармоник.

Частоты переключения до 20 кГц доступны для преобразователей частоты в диапазоне средних мощностей (до нескольких десятков кВт). Индукционный ток с этим типом преобразователя частоты будет иметь форму синуса.

При высокой частоте коммутации индукционные потери остаются низкими, но потери в преобразователе частоты увеличиваются.Общие потери увеличиваются при чрезмерно высоких частотах переключения.

Некоторые основы теории двигателя
Производство крутящего момента в асинхронном двигателе можно выразить как

T = V * τ * B [Нм]

V = Активный объем ротора [м ³ ]
τ = ток на метр окружности отверстия статора
B = Плотность потока в воздушном зазоре

B = пропорционально (E / ω) = E / (2 * π * f)

ω = угловая частота напряжения статора
E = индуцированное напряжение статора

Для достижения наилучших характеристик на различных скоростях становится необходимым поддерживать соответствующий уровень намагничивания для индукции для каждой скорости.

Диапазон различных характеристик крутящего момента показан на следующем рисунке. Для нагрузки с постоянным крутящим моментом соотношение V / F должно быть постоянным. Для нагрузки с квадратичным крутящим моментом постоянное соотношение V / F приведет к чрезмерно высокой намагниченности при более низкой скорости. Это приведет к излишне высоким потерям в стали и потерям сопротивления (I ² R).

Лучше использовать квадратное отношение V / F. Потери в стали и потери I ² R, таким образом, снижаются до уровня, более приемлемого для фактического момента нагрузки.

Если мы посмотрим на рисунок, то обнаружим, что напряжение достигло своего максимума и не может быть увеличено выше базовой частоты 50 Гц. Диапазон выше базовой частоты называется диапазоном ослабления поля. Следствием этого является то, что уже невозможно поддерживать необходимый крутящий момент без увеличения тока. Это приведет к проблемам с нагревом того же типа, что и при нормальном пониженном напряжении от синусоидальной электросети. Скорее всего, будет превышен номинальный ток преобразователя частоты.

Работа в диапазоне ослабления поля
Иногда возникает соблазн запустить насос на частотах выше частоты промышленной сети, чтобы достичь рабочей точки, которая в противном случае была бы невозможна. Это требует дополнительной осознанности. Мощность на валу насоса будет увеличиваться в кубе скорости. Превышение скорости на 10% потребует на 33% больше выходной мощности. Грубо говоря, можно ожидать, что повышение температуры увеличится примерно на 75%.

Тем не менее, есть предел тому, что мы можем выжать из индукции при превышении скорости.Максимальный крутящий момент индукции будет падать как функция 1 / F в диапазоне ослабления поля.

Очевидно, что индукция пропадет, если преобразователь частоты не сможет поддерживать ее с напряжением, которое соответствует необходимому крутящему моменту.

Снижение номинальных характеристик
Во многих случаях индукция работает с максимальной мощностью от синусоидальной электросети, и любой дополнительный нагрев недопустим. Если такая индукция питается от преобразователя частоты какого-либо типа, то, скорее всего, она должна работать с меньшей выходной мощностью, чтобы избежать перегрева.

Нет ничего необычного в том, что преобразователь частоты для больших насосов мощностью более 300 кВт добавляет дополнительные индукционные потери в размере 25–30%. В верхнем диапазоне мощности только некоторые преобразователи частоты имеют высокую частоту переключения: от 500 до 1000 Гц обычно для преобразователей частоты предыдущего поколения.

Для компенсации лишних потерь необходимо уменьшить выходную мощность. Мы рекомендуем общее снижение характеристик на 10–15% для больших насосов.

Поскольку преобразователь частоты загрязняет питающую сеть гармониками, энергокомпания иногда предписывает входной фильтр.Этот фильтр снижает доступное напряжение обычно на 5–10%. Следовательно, индукция будет работать при 90–95% номинального напряжения. Следствие — дополнительный обогрев. Может потребоваться снижение номинальных характеристик.

Пример
Предположим, что выходная мощность фактического двигателя насоса составляет 300 кВт при 50 Гц, а повышение температуры составляет 80 ° C при использовании синусоидальной электросети. Дополнительные потери на 30% приведут к нагреву на 30%. Консервативное предположение состоит в том, что повышение температуры зависит от квадрата мощности на валу.

Чтобы не превышать 80 ° C, необходимо уменьшить мощность на валу до

P _{пониженный} = √ (1 / 1,3) * 300 = 263 кВт

Уменьшение может быть достигнуто либо за счет уменьшения диаметра рабочего колеса, либо за счет снижения скорости.

Преобразователь частоты Потери
Когда определяется общий КПД системы преобразователя частоты, необходимо учитывать внутренние потери преобразователей частоты. Эти потери преобразователя частоты непостоянны, и их нелегко определить.Они состоят из постоянной части и части, зависящей от нагрузки.

Постоянные потери:
Потери на охлаждение (вентилятор охлаждения) — потери в электронных схемах и так далее.

Потери, зависящие от нагрузки:
Коммутационные потери и свинцовые потери в силовых полупроводниках.

На следующем рисунке показан КПД преобразователя частоты как функция частоты при кубической нагрузке для блоков мощностью 45, 90 и 260 кВт. Кривые характерны для преобразователей частоты в диапазоне мощностей 50–300 кВт; с частотой коммутации около 3 кГц и с IGBT второго поколения.

Влияние на изоляцию двигателя
Выходные напряжения современных преобразователей частоты имеют очень короткое время нарастания напряжения.

dU / dT = 5000 В / мкс — обычное значение.

Такой крутой скачок напряжения вызовет чрезмерное напряжение в изоляционных материалах индукционной обмотки. При малом времени нарастания напряжение в обмотке статора не распределяется равномерно. При синусоидальном источнике питания напряжение между витками индукционной обмотки обычно равномерно распределяется.С другой стороны, с преобразователем частоты до 80% напряжения будет падать на первом и втором витках. Поскольку изоляция между проводами является слабым местом, это может оказаться опасным для индукции. Короткое время нарастания также вызывает отражение напряжения в индукционном кабеле. В худшем случае это явление удвоит напряжение на индукционных клеммах. Индукция, подаваемая от преобразователя частоты на 690 вольт, может подвергаться воздействию напряжения до 1900 вольт между фазами.

Амплитуда напряжения зависит от длины индукционного кабеля и времени нарастания. При очень коротком времени нарастания полное отражение происходит в кабеле длиной от 10 до 20 метров.

Для обеспечения работоспособности и длительного срока службы двигателя абсолютно необходимо, чтобы обмотка была адаптирована для использования с преобразователем частоты. Индукторы для напряжений выше 500 вольт должны иметь усиленную изоляцию. Обмотка статора должна быть пропитана смолой, обеспечивающей изоляцию без пузырьков или полостей.Тлеющие разряды часто начинаются вокруг полостей. Это явление в конечном итоге приведет к разрушению изоляции.

Есть способы защитить двигатель. Помимо усиленной системы изоляции, может потребоваться установка фильтра между преобразователем частоты и индукцией. Такие фильтры можно приобрести у большинства известных поставщиков преобразователей частоты.

Фильтр обычно замедляет время нарастания напряжения с

dU / dT = 5000 В / мкс до 500-600 В / мкс

Выход из строя подшипника
Поломка вращающегося оборудования часто может быть связана с поломкой подшипника.Помимо чрезмерного нагрева, недостаточной смазки или усталости металла, электрический ток через подшипники может быть причиной многих загадочных поломок подшипников, особенно при больших индукциях. Это явление обычно вызвано несимметрией магнитной цепи, которая индуцирует небольшое напряжение в структуре статора, или током нулевой последовательности. Если потенциал между конструкцией статора и валом становится достаточно высоким, через подшипник будет происходить разряд.Небольшие электрические разряды между телами качения и дорожкой качения подшипника в конечном итоге могут повредить подшипник.

Использование преобразователей частоты увеличивает вероятность отказа подшипников такого типа. Технология переключения современного преобразователя частоты вызывает ток нулевой последовательности, который при определенных обстоятельствах проходит через подшипники.

Самый простой способ вылечить эту проблему — воздвигнуть препятствие для тока. Обычный метод заключается в использовании подшипника с изолирующим покрытием на наружном кольце.

Выводы
Использование преобразователя частоты не означает беспроблемного использования. Множество вопросов, на которые необходимо обратить внимание при проектировании. Будет ли необходимо, например, ограничивать доступную мощность на валу для предотвращения чрезмерного нагрева? Во избежание этой проблемы может оказаться необходимым работать с меньшей выходной мощностью.

Будет ли изоляция асинхронного двигателя сопротивляться воздействию инвертора? Нужна ли фильтрация? Современные эффективные инверторы пагубно влияют на изоляцию из-за высокой частоты переключения и короткого времени нарастания напряжения.

Какую максимальную длину кабеля можно использовать без полного отражения напряжения? Амплитуда напряжения зависит как от длины кабеля, так и от времени нарастания. При очень коротком времени нарастания полное отражение будет происходить в кабелях длиной от 10 до 20 метров.

Может быть необходимо использовать изолированные подшипники, чтобы предотвратить попадание тока нулевой последовательности в подшипники?

Только когда мы решим все эти вопросы, мы сможем принимать правильные решения относительно использования преобразователя частоты.

.

Подбор двигателей и преобразователей частоты для конкретной нагрузки машины

Правильный размер двигателей и преобразователей

Производители электродвигателей и преобразователей частоты разработали различные методы для быстрого выбора размера двигателей и преобразователей частоты для конкретной нагрузки машины. Та же самая основная процедура используется большинством разработчиков приложений.

Расчет двигателя и преобразователя частоты для конкретной нагрузки машины (фото: focusondrives.ком)

В наши дни выбор приложений обычно осуществляется на основе программного обеспечения на ПК. Однако инженерам важно четко понимать процедуру выбора.

Одна из лучших процедур использует простую номограмму , основанную на кривых предельной нагрузки , чтобы сделать основной выбор типоразмера двигателя. Эта процедура описана ниже. Затем проверяются другие факторы, чтобы убедиться, что выбрана оптимальная комбинация двигателя и преобразователя.

4 принципа выбора

Рекомендуются пять следующих принципов выбора:

Принцип выбора 1 //

Сначала необходимо выбрать тип и размер двигателя. Число полюсов (базовая скорость) следует выбирать так, чтобы двигатель работал как можно дольше со скоростью, немного превышающей базовую скорость в 50 Гц.

Это желательно, потому что:

• Тепловая мощность двигателя повышается при f ≥ 50 Гц за счет более эффективного охлаждения на более высоких скоростях.
• Коммутационные потери преобразователя минимальны при работе в диапазоне ослабления поля выше 50 Гц.
• Для нагрузки с постоянным крутящим моментом более широкий диапазон скоростей получается, когда двигатель хорошо работает в диапазоне ослабления поля на максимальной скорости.Это означает, что наиболее эффективное использование крутящего момента / скорости привода с регулируемой скоростью. Типичные кривые крутящего момента и мощности в приложении с постоянной мощностью / крутящим моментом

  
  Это может означать экономию средств за счет меньшего двигателя и преобразователя .

• Хотя многие производители заявляют, что их преобразователи могут выдавать выходные частоты до 400 Гц, эти высокие частоты практически не используются, за исключением очень специальных (и необычных) приложений.Конструкция двигателей со стандартным сепаратором и снижение максимального крутящего момента в зоне ослабления поля ограничивают их использование на частотах выше 100 Гц.

  Максимальную скорость, на которой может работать стандартный двигатель с короткозамкнутым ротором, всегда следует уточнять у производителя, особенно для более крупных 2-полюсных (3000 об / м) двигателей мощностью более 200 кВт. Шум вентилятора, производимый двигателем, также существенно возрастает с увеличением скорости двигателя.

• Сравнение крутящего момента, создаваемого 4-полюсным двигателем и 6-полюсным электродвигателем , показано на рисунке 1.Это иллюстрирует более высокий крутящий момент 6-полюсной машины.

Рисунок 1 — Сравнение предельных кривых тепловой мощности для двух двигателей с короткозамкнутым ротором 90 кВт TEFC

1. 4-полюсный двигатель мощностью 90 кВт (1475 об / мин)
2. 6-полюсный двигатель мощностью 90 кВт (985 об / мин)

Принцип выбора 2 //

Выбор двигателя увеличенного размера просто для «безопасности» обычно не рекомендуется , потому что это означает, что необходимо также выбрать преобразователь частоты увеличенного размера.Преобразователи частоты, особенно типа ШИМ, рассчитаны на максимальное пиковое значение тока, которое является суммой основного и гармонического токов в двигателе.

Чем больше двигатель, тем больше пиковые токи.

Во избежание превышения этим пиковым током проектного предела преобразователь никогда не должен использоваться с двигателем, размер которого больше указанного . Даже когда более крупный двигатель слегка нагружен, его пиковые гармоники высоки.

Принцип выбора 3 //

После выбора двигателя достаточно легко выбрать правильный размер преобразователя из каталога производителя.Обычно они рассчитываются с точки зрения силы тока (не кВт) на основе определенного напряжения. Это следует использовать только в качестве ориентира, потому что преобразователи всегда следует выбирать на основе максимального продолжительного тока двигателя.

Хотя большинство каталогов основано на стандартных номинальных мощностях двигателей (кВт) МЭК, двигатели разных производителей имеют несколько разные номинальные токи.

Преобразователи частоты Danfoss (фото предоставлено schulz.st)

Принцип выбора 4 //

Хотя это кажется очевидным, двигатель и преобразователь должны быть указаны для напряжения и частоты источника питания, к которым должен быть подключен преобразователь частоты.

В большинстве стран, использующих стандарты МЭК, стандартное напряжение питания составляет 380 В ± 6%, 50 Гц . В Австралии это 415 В ± 6%, 50 Гц . В некоторых приложениях, где размер привода очень велик, часто экономично использовать более высокое напряжение, чтобы снизить стоимость кабелей. Другие часто используемые напряжения — 500 В и 660 В .

В последние годы выпускаются преобразователи переменного тока для использования на 3,3 кВ и 6,6 кВ . Преобразователи частоты рассчитаны на то, чтобы вырабатывать такое же выходное напряжение, как и у источника питания, поэтому и двигатель, и преобразователь должны быть рассчитаны на одно и то же базовое напряжение.

Хотя выходная частота преобразователя является переменной, входная частота (50 Гц или 60 Гц) должна быть четко указана как , поскольку это может повлиять на конструкцию индуктивных компонентов .

Ссылка // Практические приводы с регулируемой скоростью и силовая электроника Малкольма Барнса CPEng, BSc (ElecEng), MSEE, Автоматизированные системы управления, Перт, Австралия (приобретите печатную копию у Amazon)

.

Интересные факты о преобразователях частоты

Руководство Danfoss

Факты, которые стоит знать о преобразователях частоты, дает простое введение в работу и сборку преобразователя частоты и подключенных к нему двигателей переменного тока.

Факты о преобразователях частоты, которые стоит знать (на фото: Danfoss VSD)

Основные элементы описаны в четырех основных разделах:

• Двигатели переменного тока
• Преобразователи частоты
• Преобразователи частоты и двигатели
• Защита и безопасность при использовании преобразователей частоты

ГЛАВА 0: Введение

• Преимущества плавного регулирования скорости
• Контроль или регулирование?

ГЛАВА 1: Трехфазные двигатели переменного тока

• Двигатели асинхронные
• Статор
• Магнитное поле
• Ротор
• Скольжение, крутящий момент и скорость
• КПД и потери
• Магнитное поле
• Эквивалентная электрическая схема
• Изменение скорости
• Изменение количества полюсов
• Контроль скольжения
• Регулировка частоты
• Данные двигателя
• Виды нагрузки
• Двигатели синхронные
• Двигатели реактивные

См. Другие разделы

ГЛАВА 2: Преобразователи частоты

• Выпрямитель
• Выпрямители неуправляемые
• Выпрямители управляемые
• Промежуточный контур
• Инвертор
• Транзисторы
• Импульсно-амплитудная модуляция (ПАМ)
• Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
• ШИМ с синус-контролем
• Синхронный ШИМ
• Асинхронный ШИМ
• Цепь управления
• Принцип управления Danfoss
• Принцип управления ВВЦ
• Принцип управления VVCplus
• Полевое (векторное) управление
• Вольт-частотная характеристика и векторное управление магнитным потоком
• Компенсация скольжения VVCplus
• Автоматическая адаптация двигателя (AMA)
• Автоматическая оптимизация энергопотребления (AEO)
• Работа на пределе тока
• Защитные функции
• Микрочип вообще
• Компьютеры для преобразователей частоты
• Связь
• Последовательная связь
• Связь, не зависящая от производителя

ГЛАВА 3: Преобразователи частоты и двигатели

• Условия эксплуатации двигателя
• Компенсации
• Параметры компенсации в зависимости от нагрузки и независимо от нагрузки
• Компенсация скольжения
• Характеристики крутящего момента двигателя
• Ограничение тока
• Требования к современным цифровым преобразователям частоты
• Расчет преобразователя частоты
• Нагрузочные характеристики
• Распределение тока в преобразователе частоты (cos j двигателя)
• Динамическое торможение
• Реверс
• Пандусы
• Мониторинг
• Нагрузка двигателя и нагрев двигателя
• Эффективность

ГЛАВА 4: Защита и безопасность

• Дополнительная защита
• Сброс на ноль (система TN)
• Заземление (система ТТ)
• Защитное реле
• Электромагнитная совместимость
• Базовый стандарт
• Общий стандарт
• Стандарт продукции
• Рассеивание помех
• Муфта
• Проводной разгон
• Помехи в электросети
• Переходные процессы / перенапряжение
• Радиочастотные помехи
• Экранированные / бронированные кабели
• Блоки компенсации коэффициента мощности
• Выбор преобразователя частоты для частотно-регулируемых приводов

ПРИЛОЖЕНИЕ I: ОБЩАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

• Прямолинейное движение
• Вращающееся движение
• Работа и сила

ПРИЛОЖЕНИЕ II: ОБЩАЯ ТЕОРИЯ AC

• Коэффициент мощности
• Трехфазный переменный ток
• Соединение звездой или треугольником

Контроль или регулирование?

Многие люди используют термины контроль и регулирование как синонимы.Тем не менее, у них есть точные определения — во многом благодаря развитию в области автоматизации.

Термины «контроль» и «регулирование» зависят от типа установки . . При «управлении» скоростью на двигатель посылается сигнал, который, как ожидается, обеспечит требуемую скорость. При «регулировании» скорости от процесса выдается сигнал обратной связи.

Если скорость не соответствует требованиям, сигнал на двигатель регулируется автоматически до тех пор, пока скорость двигателя не станет такой, какой должна быть.

Danfoss — Факты о преобразователях частоты, которые стоит знать

Связанный контент EEP с рекламными ссылками

.

Поддержание правильной температуры двигателя при подключении к преобразователю частоты

Два типа влияния

Когда двигатель подключен к преобразователю частоты, он должен поддерживаться при правильной температуре, и это подвержено двум типам влияния :

1. Если скорость уменьшается, объем охлаждающего воздуха уменьшается .
2. Если присутствует несинусоидальный ток двигателя, в двигателе выделяется на больше тепла.

Поддержание правильной температуры двигателя при подключении к преобразователю частоты (фото Yaconto LLC.)

На низких скоростях вентилятор двигателя не может подавать достаточно воздуха для охлаждения. Эта проблема возникает, если крутящий момент нагрузки постоянен во всем диапазоне регулирования.

Эта нижняя вентиляция определяет уровень крутящего момента, допустимый при длительных нагрузках. Рисунок 1 — Необходимость внешней вентиляции для двигателя номинального размера и двигателя увеличенного размера

Если двигатель работает непрерывно — при 100% номинальном крутящем моменте — на скорости, которая меньше половины номинальной скорости, двигателю требуется дополнительного воздуха для охлаждения (серые области на рис. 1 ).

В качестве альтернативы коэффициент нагрузки двигателя можно уменьшить, выбрав на более мощный двигатель . Однако следует проявлять осторожность, чтобы не слишком увеличить размер двигателя для данного преобразователя частоты.

Если ток двигателя не является синусоидальным, он не должен постоянно подвергаться 100% нагрузке, так как он будет получать гармонические токи, которые увеличивают его температуру. Величина гармонических токов определяет количество тепла. Рисунок 2 — Несинусоидальный ток вызывает дополнительное тепло в двигателе

Ссылка: Факты о преобразователях частоты, которые стоит знать — Danfoss

Связанный контент EEP с рекламными ссылками

.

No related posts.