Что такое преобразователь частоты переменного тока (VFD)?

Что такое преобразователь частоты переменного тока (VFD)?

Преобразователь частоты (VFD) — это тип частотно регулируемый привода, который управляет электродвигателем, изменяя частоту и напряжение, подаваемые на электродвигатель. Аббревиатуру VFD также подразумевает под собой следующие синонимы: привод с переменной скоростью, частотно регулируемый привод, преобразователь частоты, привод переменного тока, микропривод и инвертор.

Частота (Герц) напрямую связана с скоростью вращения двигателя (об/мин или RPM). Другими словами, чем быстрее частота, тем быстрее вращается ротор двигателя. Если система не требует, чтобы электродвигатель работал на полной скорости, привод VFD можно использовать для снижения частоты и напряжения в соответствии с технологическими требованиями системы и требованиями нагрузки электродвигателя. Частотный преобразователь VFD может уменьшать или увеличивать частоту вращения электродвигателя, для обеспечения требуемых параметров скорости.

Как работает преобразователь частоты?

Первичным звеном частотного преобразователя переменного переменного тока или VFD, является преобразователь тока. Преобразователь тока состоит из шести диодов, которые аналогичны обратным клапанам, используемым в системах водопровода. Они позволяют току течь только в одном направлении; Направление тока изображено на знаке диода в виде стрелки. Например, когда напряжение А-фазы (по аналогии с системой водопровода напряжение можно представить как давление) выше, напряжение фазы B или C, тогда соответствующий диод откроется. Когда напряжение В-фазы становится выше, чем на фазе А, то диод В-фазы откроется, и диод А-фазы закроется. То же самое верно для 3-х диодов с отрицательной стороны шины. Таким образом, мы получаем шесть текущих «импульсов», поскольку каждый диод открывается и закрывается. Это называется «шестиимпульсным VFD», который является стандартной конфигурацией для текущих частотно-регулируемых приводов.

Предположим, что привод работает от напряжения сети 480 В. Значение 480В – является среднеквадратичной. Пики в сети со среднеквадратичным напряжением 480 В составляют 679 В. Как вы можете видеть, у шины преобразователя частоты есть напряжение постоянного тока с пульсацией переменного тока. Напряжение пробегает величины приблизительно от 580 В до 680 В.

Мы можем избавиться от пульсации переменного тока на шине постоянного тока, добавив конденсатор. Конденсатор работает аналогично резервуару или аккумулятору в системе воснабжения. Этот конденсатор поглощает пульсацию переменного тока и обеспечивает плавное постоянное напряжение. Пульсация переменного тока на шине постоянного тока обычно составляет менее 3 вольт. Таким образом, напряжение на шине постоянного тока становится примерно «650 В постоянного тока». Фактическое напряжение будет зависеть от напряжения питающей двигатель сети переменного тока, уровня дисбаланса напряжения в электрический сети, нагрузки двигателя, полного сопротивления системы, а также любых других дросселей или гармонических фильтров привода.

Преобразователь диодного моста, который преобразует переменное напряжение в постоянное, иногда называют просто «конвертером». Звено, преобразующее постоянный ток обратно в переменный, также является преобразователем, но чтобы отличить его от диодного преобразователя, его обычно называют «инвертором».

Обратите внимание, что в реальном преобразователе частоты переменного тока показанные переключатели фактически будут транзисторами.

Когда мы закрываем один из верхних переключателей в инверторе, соответствующая фаза двигателя подключается к положительной шине постоянного тока, и напряжение на этой фазе становится положительным. Когда мы закрываем один из нижних переключателей в преобразователе, фаза подключается к отрицательной шине постоянного тока и становится отрицательной. Таким образом, мы можем делать положительной или отрицательной любую фазу на двигателе, а соответственно и генерировать любую желаемую частоту. Итак, мы можем сделать любую фазу положительной, отрицательной или нулевой.

Синяя синусоидальная волна показана только для сравнения. Привод на самом деле не генерирует эту синусоидальную волну.

Обратите внимание, что выходной сигнал преобразователя частоты имеет «прямоугольную» форму волны. Привод VFD не может генерировать идеальный синусоидальный сигнал. Этот прямоугольный сигнал естественно не будет хорошим вариантом для систем распределения общего назначения, но вполне подходит для электродвигателя.

Если мы хотим уменьшить частоту двигателя до 30 Гц, то мы просто медленне переключаем транзисторы инвертора. Но, если мы уменьшаем частоту до 30 Гц, то мы также должны уменьшить напряжение до 240 В для поддержания отношения В/Гц. Каким же образом мы будем уменьшать напряжение, если у нас есть только напряжение постоянного тока в 650 В?

Это принцип называется Широтно Импульсной Модуляцией или ШИМ. Представьте себе, что мы можем контролировать давление в системе водоснабжения, поворачивая затвор на высокой скорости. Хотя это не было бы практично для системы водоснабжения, оно отлично работает для Преобразователя частоты VFD. Обратите внимание, что в течение первого цикла напряжение будет лишь половину времени и нулевым вторую половину цикла. Таким образом, среднее напряжение составляет половину 480 В или 240 В. Путем импульсного выхода мы можем добиться любого среднего напряжения на выходе частотного преобразователя VFD.

Для чего использовать преобразователь частоты переменного тока VFD?

Сокращение потребления энергии и затрат на лектроэнергию.

Если у вас есть применение, которое не требует постоянной работы на максимальной скорости, вы можете сократить энергозатраты, управляя двигателем с помощью частотно-регулируемого привода, что является одним из преимуществ преобразователей частоты. Преобразователь частоты переменного тока VFD позволяет вам сопоставлять скорость электродвигателя с требуемой нагрузкой. На сегодняшний момент нет другого, более эффективного способа управления электродвигателем переменного тока, который позволит выполнить это.

На сегодняшний момент потребление электроэнергии электродвигателями составляет более 65% мирового энергопотребления. Оптимизация систем управления двигателем путем применения частотных преобразователей способна добится снижения энергопотребления в некоторых случаях до 70%. Кроме того, использование преобразователя частоты улучшает качество продукции и снижает издержки производства.

Увеличение производства за счет более жесткого контроля технологических процессов.

Управляя двигателями с максимальной эффективностью, в технологическом цикле будет происходить меньшее количество ошибок, меньше простоев, что в свою очередь обеспечит более высокий уровень дохода. Так, например, на конвейерах и ремнях с помощью частотного регулирования вы устраняете рывки при запуске, позволяя использовать сквозной старт.

Увеличьте срок службы оборудования и уменьшите обслуживание.

Ваше оборудование будет работать дольше и иметь меньше времени простоя из-за технического обслуживания благодаря оптимальному управлению частотой и напряжением. Частотный преобразователь также будет обеспечивать оптимальную защиту электродвигателя от электротермические перегрузок, пропадания фазы, перенапряжения и т. д. Также чатотный преобразователь обеспечит плавный запуск двигателя устранив возможные ударные нагрузки.

Оригинал статьи: http://www.vfds.com/blog/what-is-a-vfd

01.10.2017

www.chastotnik.pro

Что такое преобразователь частоты переменного тока (VFD)? / Статьи и обзоры / Элек.ру

Преобразователь частоты (VFD) — это тип частотно-регулируемого привода, который управляет электродвигателем, изменяя частоту и напряжение, подаваемые на электродвигатель. Аббревиатуру VFD также подразумевает под собой следующие синонимы: привод с переменной скоростью, частотно-регулируемый привод, преобразователь частоты, привод переменного тока, микропривод и инвертор.

Частота (Герц) напрямую связана с скоростью вращения двигателя (об./мин. или RPM). Другими словами, чем быстрее частота, тем быстрее вращается ротор двигателя. Если система не требует, чтобы электродвигатель работал на полной скорости, привод VFD можно использовать для снижения частоты и напряжения в соответствии с технологическими требованиями системы и требованиями нагрузки электродвигателя. Частотный преобразователь VFD может уменьшать или увеличивать частоту вращения электродвигателя, для обеспечения требуемых параметров скорости.

Как работает преобразователь частоты?

Первичным звеном частотного преобразователя переменного переменного тока или VFD, является преобразователь тока. Преобразователь тока состоит из шести диодов, которые аналогичны обратным клапанам, используемым в системах водопровода. Они позволяют току течь только в одном направлении; Направление тока изображено на знаке диода в виде стрелки. Например, когда напряжение А-фазы (по аналогии с системой водопровода напряжение можно представить как давление) выше, напряжение фазы B или C, тогда соответствующий диод откроется. Когда напряжение В-фазы становится выше, чем на фазе А, то диод В-фазы откроется, и диод А-фазы закроется. То же самое верно для 3-х диодов с отрицательной стороны шины. Таким образом, мы получаем шесть текущих «импульсов», поскольку каждый диод открывается и закрывается. Это называется «шестиимпульсным VFD», который является стандартной конфигурацией для текущих частотно-регулируемых приводов.

Предположим, что привод работает от напряжения сети 480 В. Значение 480В — является среднеквадратичной. Пики в сети со среднеквадратичным напряжением 480 В составляют 679 В. Как вы можете видеть, у шины преобразователя частоты есть напряжение постоянного тока с пульсацией переменного тока. Напряжение пробегает величины приблизительно от 580 В до 680 В.

Мы можем избавиться от пульсации переменного тока на шине постоянного тока, добавив конденсатор.Конденсатор работает аналогично резервуару или аккумулятору в системе воснабжения. Этот конденсатор поглощает пульсацию переменного тока и обеспечивает плавное постоянное напряжение. Пульсация переменного тока на шине постоянного тока обычно составляет менее 3 вольт. Таким образом, напряжение на шине постоянного тока становится примерно «650 В постоянного тока». Фактическое напряжение будет зависеть от напряжения питающей двигатель сети переменного тока, уровня дисбаланса напряжения в электрический сети, нагрузки двигателя, полного сопротивления системы, а также любых других дросселей или гармонических фильтров привода.

Преобразователь диодного моста, который преобразует переменное напряжение в постоянное, иногда называют просто «конвертером». Звено, преобразующее постоянный ток обратно в переменный, также является преобразователем, но чтобы отличить его от диодного преобразователя, его обычно называют «инвертором».

Обратите внимание, что в реальном преобразователе частоты переменного тока показанные переключатели фактически будут транзисторами

Когда мы закрываем один из верхних переключателей в инверторе, соответствующая фаза двигателя подключается к положительной шине постоянного тока, и напряжение на этой фазе становится положительным. Когда мы закрываем один из нижних переключателей в преобразователе, фаза подключается к отрицательной шине постоянного тока и становится отрицательной. Таким образом, мы можем делать положительной или отрицательной любую фазу на двигателе, а соответственно и генерировать любую желаемую частоту. Итак, мы можем сделать любую фазу положительной, отрицательной или нулевой.

Синяя синусоидальная волна показана только для сравнения. Привод на самом деле не генерирует эту синусоидальную волну

Обратите внимание, что выходной сигнал преобразователя частоты имеет «прямоугольную» форму волны. Привод VFD не может генерировать идеальный синусоидальный сигнал. Этот прямоугольный сигнал естественно не будет хорошим вариантом для систем распределения общего назначения, но вполне подходит для электродвигателя.

Если мы хотим уменьшить частоту двигателя до 30 Гц, то мы просто медленне переключаем транзисторы инвертора. Но, если мы уменьшаем частоту до 30 Гц, то мы также должны уменьшить напряжение до 240 В для поддержания отношения В/Гц. Каким же образом мы будем уменьшать напряжение, если у нас есть только напряжение постоянного тока в 650 В?

Это принцип называется Широтно Импульсной Модуляцией или ШИМ. Представьте себе, что мы можем контролировать давление в системе водоснабжения, поворачивая затвор на высокой скорости. Хотя это не было бы практично для системы водоснабжения, оно отлично работает для Преобразователя частоты VFD. Обратите внимание, что в течение первого цикла напряжение будет лишь половину времени и нулевым вторую половину цикла. Таким образом, среднее напряжение составляет половину 480 В или 240 В. Путем импульсного выхода мы можем добиться любого среднего напряжения на выходе частотного преобразователя VFD.

Для чего использовать преобразователь частоты переменного тока VFD?

Сокращение потребления энергии и затрат на лектроэнергию.

Если у вас есть применение, которое не требует постоянной работы на максимальной скорости, вы можете сократить энергозатраты, управляя двигателем с помощью частотно-регулируемого привода, что является одним из преимуществ преобразователей частоты. Преобразователь частоты переменного тока VFD позволяет вам сопоставлять скорость электродвигателя с требуемой нагрузкой. На сегодняшний момент нет другого, более эффективного способа управления электродвигателем переменного тока, который позволит выполнить это.

На сегодняшний момент потребление электроэнергии электродвигателями составляет более 65% мирового энергопотребления. Оптимизация систем управления двигателем путем применения частотных преобразователей способна добится снижения энергопотребления в некоторых случаях до 70%. Кроме того, использование преобразователя частоты улучшает качество продукции и снижает издержки производства.

Увеличение производства за счет более жесткого контроля технологических процессов.

Управляя двигателями с максимальной эффективностью, в технологическом цикле будет происходить меньшее количество ошибок, меньше простоев, что в свою очередь обеспечит более высокий уровень дохода. Так, например, на конвейерах и ремнях с помощью частотного регулирования вы устраняете рывки при запуске, позволяя использовать сквозной старт.

Увеличьте срок службы оборудования и уменьшите обслуживание.

Ваше оборудование будет работать дольше и иметь меньше времени простоя из-за технического обслуживания благодаря оптимальному управлению частотой и напряжением. Частотный преобразователь также будет обеспечивать оптимальную защиту электродвигателя от электротермические перегрузок, пропадания фазы, перенапряжения и т. д. Также чатотный преобразователь обеспечит плавный запуск двигателя устранив возможные ударные нагрузки.

Оригинал статьи: What is a Variable Frequency Drive?

Источник: © Chastotnik.Pro

www.elec.ru

Правда о пяти мифах частотно регулируемого привода.

Знание принципов работы частотно регулируемого привода (ЧРП) может упростить процесс выбора преобразователя частоты.

Автор: Пол Эйвери, Yaskawa America Inc.

Независимо от того, насколько давно и каким образом, уже обыденные частотные преобразователи пришли в Вашу жизнь, где-то есть тот, кто впервые стукнулся с ЧРП или только рассматривает возможность их применения. Вспомните, когда вы впервые задумались о применении одного из современных частотных преобразователей с широтно-импульсной модуляцией для двигателя переменного тока. Скорее всего, у вас, на тот момент, было не совсем верное представление об их возможностях и назначении. В этой статье мы рассмотрим и постараемся развеять пять распространенных мифов о частотно регулируемом приводе.

Рис. 1. Частотный преобразователь

Миф № 1: Выходной сигнал частотного преобразователя является синусоидальным

Людям, так или иначе связанные с эксплуатацией электродвигателей в, как правило, знакома работа асинхронных двигателей переменного тока с использованием пускателей. При пуске электродвигателя, пускатель замыкает контакты обмоток электродвигателя с фазами 3-х фазной питающей сети. Напряжение каждой фаза представляет собой синусоидальную волну. Приложенное напряжение создает на клеммах электродвигателя тоже синусоидальной формы с той же частотой (можно убедится проверкой напряжения на клеммах электродвигателя). Пока вроде всё просто и понятно.

А вот что происходит на выходе преобразователя частоты, это совсем другая история. Частотный преобразователь обычно выпрямляет входное трехфазное переменное в постоянное напряжение, которое фильтруется и аккумулируется при помощи больших конденсаторов звена постоянного тока. Напряжение звена постоянного тока затем инвертируется, для получения переменного напряжения, переменной частоты на выходе. Процесс инверсии осуществляется посредством трех изолированных биполярных транзисторов (IGBT) с двумя изолированными затворами — по одной паре на выходную фазу (см. Рис 2). Поскольку выпрямленное напряжение инвертируется в переменное, выходное звено называют «инвертором». Включение, выключение, а также длительность нахождения IGBT-транзисторов в положении ВКЛ или ВЫКЛ может управляться, что и определяет значение частоты выходного напряжения. Отношение выходного среднеквадратического напряжения к выходной частоте определяет магнитный поток, развиваемый в электродвигателе переменного тока. Когда выходная частота увеличивается, выходное напряжение также должно увеличиваться с той же скоростью, чтобы поддерживать постоянство отношения и, следовательно, постоянную скорость вращения двигателя. Обычно соотношение между напряжением и частотой поддерживается по линейному закону, что обеспечивает возможность поддержания постоянного крутящего момента.

Рис. 2. Схема инвертора с IGBT транзисторами.

Результирующий сигнал напряжения, прикладываемый к обмотке двигателя, не является синусоидальным (см. Рис. 3). Обратите внимание, что иногда отношение напряжения по частоте (V / f) может быть отличным от линейного, что характерно для вентиляторов, насосов или центробежных нагрузок, которые не требуют постоянного крутящего момента, но обеспечивают тем самым возможность экономии электроэнергии.

Рис. 3. Форма сигнала ШИМ напряжения на выходе частотного преобразователя

Как же отразится пилообразная форма питающего напряжения на работе электродвигателя. Асинхронный двигатель является по своей сути большой катушкой индуктивности. А характерной особенностью индукции является ее устойчивость к изменениям тока. Увеличивается или уменьшается сита ток, индукция будет выступать против этого изменения. Какое же это имеет отношение к форме сигнала напряжения ШИМ на рисунке 3? Вместо того, чтобы позволить импульсу тока увеличиваться в том же порядке, что и приложенный импульс напряжения, ток начнет медленно возрастать. Когда импульс напряжения закончился, ток плавно уменьшается, а не исчезает мгновенно. В общих чертах это происходит следующим образом: до момента, когда ток снизился до нуля, поступает следующий импульс напряжения, и ток начинает плавно увеличиваться. Если последующий импульс становятся шире, ток плавно достигает большего значения, чем раньше. В конце концов, текущий сигнал становится синусоидальным, хотя и с некоторыми зубчатыми переходами (см. Рис. 4).

Рис. 4. Форма сигнала тока на выходе частотного преобразователя

Однако не думайте, что вы можете подключить свой соленоид к фазам выходного напряжения ЧРП. Это всё же не совсем переменное напряжение.

Миф № 2: все частотные преобразователи одинаковы

В общем виде частотно-регулируемый привод сегодня является довольно зрелым продуктом. Большинство коммерчески доступных приводов содержат одни и те же базовые компоненты: мостовой выпрямитель, блок питания, конденсаторный блок постоянного тока и плата выходного инвертора. Разумеется, существуют различия в алгоритмах управления переключением транзисторов IGBT инвертора, надежности компонентов и эффективности схемы теплового рассеивания. Но основные компоненты остаются прежними.

Есть также исключения. Например, в некоторых ЧРП инвертер имеет три вывода. Такая схема позволяет выходным импульсам варьироваться от половинного до полного импульса сигнала напряжения (см. Рис. 5).

Рис. 5. Трехуровневый выходной сигнал напряжения

Для достижения трехуровневого выходного сигнала звено инвертора должно иметь в два раза больше выходных переключателей, а также запирающих диодов (см. Рис. 6). Преимущества трехуровневой схемы заключается в уменьшении перенапряжения на двигателе из-за гармонических волн, снижении синфазных помех, а также снижении паразитных токов на валах и подшипниках.

Рис. 6. Схема трехуровневого инвертора

Матричный инвертор является еще более нетипичным типом ЧРП. Частотные преобразователи с матричными инверторами не имеют шины постоянного тока или мостового выпрямителя. Вместо этого они используют двунаправленные переключатели, которые могут подключать любое из входящих фазных напряжений к любой из трех выходных фаз (см. Рис. 7). Преимущество этой схемы заключается в том, что мощность может свободно протекать от сети к двигателю или от двигателя к сети для рекуперативного привода постоянного тока. Недостатком является то, что на входе необходима установка фильтра, для обеспечения дополнительной индуктивности и фильтрации формы ШИМ, чтобы исключить негативное влияние на питающую сеть.

Рис. 7. Схема матричного ЧРП

Кроме частотных преобразователей с трехуровневыми выходами и инверторами матричного типа существуют также и другие типы частотно-регулируемых приводов. Таким образом миф о том, что все частотные преобразователи одинаковые развеян.

Миф № 3: Частотный преобразователь компенсирует коэффициентом мощности.

Нередко можно увидеть, что производители частотных преобразователей заявляют значение коэффициента мощности, например, равным 0,98 или почти 1. Действительно коэффициент мощности несколько улучшается после установки ЧРП перед асинхронным двигателем. ЧРП компенсирует реактивную мощность за счет конденсаторного звена. Однако полностью компенсировать фазовый сдвиг преобразователь частоты не может.

Полный коэффициент мощности должен включать реактивную мощность, вызываемую гармониками, создаваемыми в звене постоянного тока. Причиной является работа диодного моста. Важно помнить, что диод работает только тогда, когда напряжение на стороне анода выше, чем напряжение на стороне катода (прямое смещение). Это означает, что диоды открыты только на пике каждой временной фазы как положительной, так и отрицательной частей синусоидальной волны. Это приводит к волнообразной форме волны. Это также приводит к искажению входного тока и прерыванию (см. Рис. 8).

Рис. 7. Форма сигналов после выпрямителя

Чтобы вычислить истинный полный коэффициент мощности (PF), необходимо учесть эффекты гармоник. Следующее уравнение показывает, как гармоники влияют на полный коэффициент мощности:

где THD = суммарное гармоническое искажение

Для прерывистого сигнала входного тока в уравнении THD будет находиться в районе 100% или более. Подставляя это в уравнение, получаем истинный коэффициент мощности PF ближе к 0,71, по сравнению с заявленным 0,98, который не учитывает гармоники.

Но не всё так плохо. В настоящее время существует множество способов гармонические искажения, создаваемые в звене постоянного тока. Они используют как пассивные, так и активные методы подавления искажений входного сигнала. Так, например, вышеупомянутый матричный преобразователь частоты является примером активного метода подавления гармонических искажений.

Миф № 4: С частотным преобразователем Вы можете эксплуатировать двигатель на любой скорости.

Особенность применения частотных преобразователей заключается, что они могут изменять как напряжение, так и частоту выходного сигнала. Благодаря возможности обеспечения требуемой скорости вращения электродвигателя ЧРП нашли широкое применение во всех сферах экономики и всех отраслях промышленности ЧРП может легко выдавать сигнал любой частоту в пределах предусмотренного изготовителем диапазона регулирования. Однако необходимо учитывать, что частотный преобразователь работает в составе электродвигателя в реальных условиях. Технологические требования, такие как необходимый крутящий момент, охлаждение, требуемая мощность так или иначе ограничивают фактический диапазон регулирования преобразователя частоты.

Ограничение № 1. С точки зрения охлаждения электродвигателя, низкая скорость вращения — это не очень хорошая идея. В частности, полностью закрытые вентиляторные (TEFC) двигатели имеют охлаждаются только за счет внутреннего вентилятора, который вращается вместе с валом двигателя. Чем медленнее скорость вращения двигатель, тем меньше поток воздуха и тем хуже охлаждение. Закрытые двигатели обычно не рекомендуются эксплуатировать с частотой ниже 15 Гц (диапазон скоростей 4:1).

Ограничение № 2: Электродвигатели имеют определенные ограничения диапазона скоростей, связанные с механическими и динамическими ограничениями нагрузок вращающихся частей. Обычно эта скорость называется максимальной безопасной частотой вращения. Данная характеристика не всегда указывается на шильдике мотора.

Ограничение № 3: При достижении максимальной частоты вращения крутящий момент двигателя может снижаться. Это ограничение скорости связано с ограничением мощности, которое включает в себя скорость вращения и крутящий момент. Если быть еще точнее, что будет снижаться напряжения ЧРП. Обратите внимание, что вращение двигателя также генерирует собственное напряжение, называемое обратной электродвижущей силой (ЭДС), которое увеличивается со скоростью. Обратная ЭДС создается двигателем, чтобы противостоять приложенному напряжению от ПЧ. На более высоких скоростях ПЧ должен подавать еще большее напряжения, чтобы преодолеть обратную ЭДС, и ток мог протекать по обмоткам двигателя, создавая крутящий момент. После определенного максимального значения преобразователь частоты не может преодолеть обратную ЭДС электродвигателя, и, следовательно, крутящий момент двигателя уменьшается, что, в свою очередь, снижает скорость. Снижение скорости опять приводит к более низкой обратной ЭДС, которая, в свою очередь, позволяет протекать току в двигатель снова. Существует точка равновесия, в которой двигатель достигает максимальной скорости при максимальном крутящем моменте.

Как упоминалось выше ЧРП может создавать крутящий момент на двигателе, сохраняя постоянство отношения V/f (см. Рис. 9).

Рис. 9. График зависимости напряжения от частоты.

Когда частота выходного сигнала увеличивается, напряжение увеличивается линейно. Проблема возникает, когда частота превышает номинальную частоту двигателя. Помимо номинальной частоты, не может увеличиваться выходное напряжение, что соответственно приводит к уменьшению отношения V / f. Отношение V / f является мерой напряженности магнитного поля в двигателе и влияет на его крутящий момент. Следовательно, способность мотора создавать номинальный крутящий момент при частоте выше номинальной должна уменьшаться со скоростью 1 / частота, при этом произведение крутящего момента и частоты, равное мощности, является постоянным. Область работы над номинальной частотой называется постоянным диапазоном мощности, а работа на скоростях ниже номинальной — диапазоном постоянного крутящего момента (см. Рис. 10).

Рис. 10. Графики зависимости мощности и крутящего момента электродвигателя от частоты.

Миф № 5: Входной ток преобразователя частоты выше выходного тока

Возможно, это не миф, а недоразумение. Некоторые пользователи ПЧ измеряют значение выходного и входного тока с помощью измерительного инструмента или с помощью мониторов ПЧ и обнаруживают, что входной ток намного ниже выходного. Это похоже не согласуется с идеей о том, что частотный преобразователь должен иметь некоторые потери и поэтому вход всегда должен быть немного выше, чем выход. Концепция правильная, но она учитывает мощность, а не ток, который следует учитывать:

Входное напряжение всегда находится под напряжением переменного тока. Выходное напряжение изменяется со скоростью по образцу V / f. На самом деле компоненты уравнения немного сложнее. Но ключом к пониманию данного процесса является знание того, что асинхронный двигатель имеет два токовых компонента: один отвечает за создание магнитного поля в двигателе, которое необходимо для вращения двигателя; а второй — ток, создающий крутящий момент, который, как следует из названия, отвечает за создание крутящего момента.

Привод потребляет входной ток, пропорциональный активному крутящему моменту двигателя. Ток, необходимый для создания магнитного поля, обычно не изменяется со скоростью и обеспечивается основными конденсаторами звена постоянного тока, которые заряжаются при включении питания ПЧ. При малых значения крутящего момента выходной ток может быть намного выше, чем входной, поскольку входной ток отражает только составляющую, создающую крутящий момент плюс некоторые гармоники, но не включает ток намагничивания. Ток намагничивания циркулирует между конденсаторами шины постоянного тока и двигателем. Даже при полной нагрузке входной ток обычно будет ниже, чем ток двигателя, поскольку на входе по-прежнему нет составляющей тока намагничивания.

Помните, что в уравнении мы сравниваем входную и выходную мощности. Например, рассмотрим полностью нагруженный двигатель, вращающийся на низких оборотах. Входное напряжение номинальное, а выходное напряжение будет низким из-за низкой скорости вращения. Выходной ток в данном случае будет высокий из-за полной нагрузки на двигатель. А чтобы сбалансировать уравнение мощности, входной ток должен быть ниже выходного тока.

Узнать подробную информацию о частотных преобразователях, ознакомиться с производственной линейкой YASKAWA Вы можете у нашего партнера — ООО «КоСПа»

Или в соответствующем разделе преобразователя YASKAWA

Оригинал статьи: https://www.yaskawa.com/about-us/media-center/industry-articles-display?articleId=2167778

27.07.2017

www.chastotnik.pro

Преобразователь частоты: описание и применение

Преобразователь частоты: вся информация об устройстве

Оглавление

Физическая основа преобразователей частоты.

Конструкция и принцип работы преобразователей частоты.

Выпрямитель.

Промежуточная цепь.

Инвертор.

Типы управления частотным преобразователем.

Интерфейсы частотных преобразователей.

ГОСТы и ТУ для частотных преобразователей.

Преимущества использования частотных преобразователей.

Недостатки преобразователей частоты.

Назначение и область применения частотных преобразователей.

Как выбрать частотный преобразователь?

Как осуществляется подключение преобразователя частоты?

Техника безопасности при подключении преобразователя частоты.

Преобразователь частоты – это статическое преобразовательное устройство, которое предназначено для регулировки частоты электрического тока. Преимущественно он используется для управления скоростью вращения двигателей асинхронного типа и позволяет повысить эффективность их работы, а также снизить изнашиваемость узлов.

Теоретические основы по работе преобразователей частоты были изложены еще в 30-х годах 20 столетия, но на тот период из-за отсутствия транзисторов и микропроцессоров практическая их реализация была невозможной. Только, когда в США, Европе и Японии были разработаны недостающие компоненты, начали появляться первые вариации частотных преобразователей. С тех пор они претерпели существенных технологических изменений, но принцип их работы до сих пор строится на одних и тех же физических законах.

Работа преобразователей частоты строится на следующей формуле:

Из данного выражения сразу становится ясно, что при изменении частоты входного напряжения, которое в формуле обозначено, как f1, будет меняться и угловая скорость магнитного поля статора, которая определяет и скорость вращения самого статора. Такой эффект может быть достигнут только в случае, если величина p (количество пар полюсов) будет оставаться неизменной.

Что же это дает нам? Во-первых, возможность плавного регулирования скорости вращения. Особенно актуально это на пиковых нагрузках при запуске. Во-вторых, такая зависимость позволяет повысить скольжение двигателя асинхронного типа, увеличив его КПД.

Стоит также отметить, что такие характеристики, как коэффициент мощности, КПД, коэффициент перегрузочной способности принимают высокие значения именно при одновременном регулировании частоты и напряжения тока. Закономерности изменения этих параметров напрямую зависят от нагрузочного момента, который может принимать следующий характер:

• Постоянный. При таком характере нагрузочного момента напряжение на статоре будет прямо пропорционально зависеть от частоты:

• Вентиляторный. В данном случае напряжение будет пропорционально частоте в квадрате:

• Обратно пропорциональный. В данном случае формула будет иметь следующий вид:

Вышеописанные выкладки подтверждают, что при одновременной регулировке частоты и напряжения с помощью частотного преобразователя можно обеспечить плавное и равномерное изменение скорости вращения вала.

Если рассматривать общую конструкцию преобразователей частоты, то в ней стоит выделить два основных блока компонентов:

• Управления.
• Электропреобразований.

Первый блок обычно представлен микропроцессором, который воспринимает команды от внешних систем управления и интерфейсов и передает непосредственно на электропреобразовательные элементы.

Блок электропреобразований является основным рабочим механизмом всей системы. Именно он отвечает за прием входного тока и преобразование его параметров до нужных значений, установленных оператором через управляющий блок. В состав данного блока входят следующие элементы:

• Выпрямитель.
• Промежуточная цепь.
• Инвертор.

Поговорим о каждом более подробно.

Данный компонент предназначен для формирования пульсирующего напряжения в одно- или трехфазных сетях переменного тока. Выпрямители обычно строятся либо на диодах, либо на тиристорах. В первом случае они считаются неуправляемыми, а во втором управляемыми.

• Неуправляемые выпрямители. В их конструкции используется две группы диодов, которые подсоединены к различным клеммам и проводят различные напряжения – положительное и отрицательное. В конечном счете выходное напряжение равняется разности напряжений на этих группах диодов и в математическом выражении имеет следующее значение: 1,35*входное напряжение сети.
• Управляемые выпрямители. В конструкции таких выпрямителей вместо диодов используются тиристоры. На них может подаваться входящий сигнал a, который стимулирует задержку тока, выражаемую в градусах. В случаях, когда значение данного параметра колеблется в пределах 0-90 градусов, тиристоры играют роль выпрямителей, а когда в 90-300 градусов – инвертора. Выходное значение постоянного напряжения составляет: 1,35* входное напряжение сети*cos α.

Промежуточная цепь выполняет роль своеобразного хранилища, из которого электродвигатель получает энергию через инвертор. В зависимости от комбинации инвертора и выпрямителя промежуточная цепь может иметь одну из следующих формаций:

1. Инвертор-источник питания. В данном случае промежуточная цепь имеет в составе мощную индуктивную катушку, которая преобразует напряжение выпрямителя в изменяющийся постоянный ток. Само напряжение двигателя определяется по нагрузке. Такой тип цепей может работать только с управляемыми выпрямителями.
2. Инверторы — источники напряжения. В данном случае в промежуточной цепи используется фильтр, в состав которого входит конденсатор. Он сглаживает напряжение, поступающее от выпрямителя. Такие цепи способны работать с любыми типами выпрямителей.
3. Цепь изменяющегося постоянного напряжения. В данном случае перед фильтром устанавливается прерыватель, в котором имеется транзисторы, выключающий и включающий подачу напряжения от выпрямителя. В данном случае фильтр обеспечивает сглаживает прямоугольные напряжения после прерывателя, а также поддерживает постоянное напряжение на заданной частоте.

Инвертор является последним звеном в частотном преобразователе перед самим электродвигателем. Именно он окончательно преобразует напряжение в нужный для работы вид. Вследствие вышеописанных преобразований, происходящих на выпрямителе и промежуточной цепи, инвертор получает:

• Постоянный ток изменяющегося характера.
• Изменяющееся или неизменное напряжение постоянного тока.

Собственно, сам инвертор и обеспечивает подачу напряжения необходимой частоты. Если на него поступает изменяемое напряжение или ток, то он создает только нужную частоту. Если же неизменяемое, то он создают и нужную частоту, и нужное напряжение.

Обычно в конструкции инверторов используются высокочастотные транзисторы, частота коммутации которых находится в диапазоне от 300 до 20 кГц.

Существует два основным метода управления электродвигателями с использованием частотных преобразователей:

• Скалярный.
• Векторный.

Асинхронные системы управления на сегодняшний день считаются самыми распространенными. Они используются в приводах вентиляторов, насосов, компрессоров и т.д. Главный принцип, который лежит в основе скалярного управления, состоит в изменении частоты и амплитуды напряжения по закону U/fⁿ = const, где n всегда больше 1. Соответственно, меняя напряжение U, мы изменяем и частоту f в степени n. При этом степенное значение определяется в зависимости от особенностей самого частотного преобразователя и его назначения.

Сама методика скалярного управления достаточно проста с точки зрения ее технической реализации, но при этом имеет два существенных недостатка. Первый заключается в том, что без дополнительного датчика скорости вы не сможете регулировать скорость вала, ведь она напрямую зависит от нагрузки. Данную проблему можно решить простым приобретение датчика.

Но существует еще один недостаток – невозможность регулировки момента. Казалось бы, данная проблема тоже решается покупкой датчика момента. Но он достаточно дорог, да и само управление получится весьма спорным. К тому же, совместно управлять и скоростью и моментом при скалярном типе управления невозможно.

Векторный тип управления подразумевает, что в саму систему закладывается математическая модель работы электродвигателя, что позволяет на программном уровне по входным параметрам рассчитывать и скорость, и момент. При этом обязательно только наличие датчика, который будет снимать показатели тока фаз статора.

Существует два класса векторных систем управления:

• Без датчиков скорости.
• С датчиками скорости.

Их использование в тех или иных случаях определяется в зависимости от условий эксплуатации двигателя. Если диапазон изменения скорости вращения вала не превышает 1:100, а требования по точности не более 0,5%, то отлично подойдет система без датчиков.

Если же диапазон изменения скорости составляет 1:1000, а требования по точности установлены на уровне до 0,02%, то лучше использовать системы управления с датчиками.

Стоит отметить, что у векторного управления также есть свои недостатки. Например, для их настройки требуются большие вычислительные мощности и знание рабочих параметров двигателей. Кроме того, векторное управление не может использоваться там, где в преобразователю частот подключено сразу несколько рабочих агрегатов – там целесообразно применять скалярные системы.

В конструкции большинства современных частотных преобразователей имеется целый набор различных интерфейсов, через которые можно осуществлять подключение стороннего оборудования или синхронизировать несколько частотников. Рассмотрим основные входы и выходы, используемые в подобных устройствах:

• Аналоговый вход. Данный интерфейс служит для приема стандартного аналогового сигнала производственного диапазона, который располагается в пределах от 0(4) до 20мА или от 0 до 10В. Через него можно осуществлять регулировку работы частотного преобразователя. Например, минимальная величина аналогового сигнала может сигнализировать устройству о том, что выходная частота, поступающая на двигатель, должна иметь свое минимальное значение и наоборот – максимальная должна соответствовать максимальной. 
• Аналоговый выход. Данный выход по своему функционалу аналогичен входу. Только в этом случае он передает информацию о частоте, поступающей на двигатель, через аналоговый сигнал определенной величины, что позволяет контролировать режим работы.
• Дискретный вход. Данный вход способен принимать скачкообразные сигналы. Как и аналоговый вход, он способен изменять параметры. Например, минимальный сигнал может соответствовать мгновенной минимальной выходной частоте преобразователи, а максимальный – максимальной выходной частоте.
• Дискретный выход. Данный выход позволяет выполнять аналогичные входу операции только в обратном порядке.
• RS-485. Данный интерфейс является полноценным входом, который позволяет в полной мере взаимодействовать с преобразователем частот, например, через компьютер. С его использованием можно настраивать рабочие параметры оборудования, отслеживать его состояние и т.д. В интерфейсе RS-485 используется особенный дифференциальный сигнал, который позволяет проводить линии длиной до 120 метров. Таким образом, можно установить преобразователь частот на производственном участке, а управление им осуществлять в командной рубке, удаленной от рабочего пространства.

Кроме того, в частотных преобразователях могут использоваться и другие интерфейсы. Все зависит от конкретной модели устройства и его производителя.

Собственно, как и любые технические средства, используемые на производственных предприятиях и в оборудовании, частотные преобразователи и требования к ним регламентируются определенной технической базой, а именно следующими документами:

• Правила устройства электроустановок 7-е издание.
• ГОСТ 24607-88 Преобразователи частоты.
• ГОСТ 13109-97 Совместимость технических средств электромагнитная.
• ГОСТ Р 51137-98 Электроприводы регулируемые асинхронные.
• ФЗ 261 Федеральный закон об энергосбережении и энергоэффективности.
• ТР ТС 00_2011 Электромагнитная совместимость технических средств.
• ГОСТ26284-84 — Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Условные обозначения.
• ГОСТ23414-84 — Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Термины и определения.
• ГОСТ 4.139-85 Система показателей качества продукции. Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Номенклатура показателей.

В соответствии с описанными в этих документах требованиями должен осуществлять выбор конкретной модели устройства, а также ее установка и отладка.

Частотные преобразователи нашли широкое применение в самых различных производственных нишах и оборудовании. Столь высокий спрос на подобные устройства обусловлен следующими преимуществами их использования:

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

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

Частотные преобразователи также имеют и свои недостатки. К ним следует отнести:

• Дороговизна. Частотные преобразователи являются самым дорогим преобразовательным оборудованием. Правда, данный недостаток весьма относителен с учетом того, что такие устройства позволяют продлить срок эксплуатации электродвигателей, а также увеличить срок их безремонтной эксплуатации.
• Ограниченность. Далеко не все старые электродвигатели способны работать в связке с частотным преобразователем. Даже, если это возможно с технической точки зрения, то эксплуатационного ресурса устаревших моделей может просто не хватить на постоянные скачки частоты и скорости вращения вала.
• Сложность настройки и подключения. Преобразователь частот достаточно сложно установить самостоятельно, поэтому для выполнения подобных работ часто приходится привлекать сторонних специалистов, а это в свою очередь влечет определенные финансовые затраты.

Если сопоставить недостатки и преимущества частотных преобразователей, то они, все равно, выглядят более эффективными даже на фоне других преобразовательных устройств. Именно это и делает их особенно популярными в производственных отраслях, где они используются практически повсеместно.

Частотные преобразователи уже много лет используются в строительстве электромеханических устройств и агрегатов. Они позволяют модулировать частоту тока, что в свою очередь делает возможной точную регулировку скорости вращения двигателя. На сегодняшний день частотники используются во многих отраслях деятельности. Мы рассмотрим лишь некоторые из них:

• Пищевая промышленность. Частотные преобразователи часто используются для регулировки работы фасовочных линий. Они позволяют настроить скорость подачи продукта и движения ленты в соответствии с пропускной способностью самого упаковочного станка. Кроме того, их часто используют в крупных миксерных агрегатах, вентиляционных системах и т.д.
• Механизация производственного оборудования. Без преобразователей частоты не обходятся конвейерные ленты, покрасочные и моющие станки, прессы, штамповочное оборудование и т.д. Такие устройства позволяют контролировать скорость рабочих процессов, снижая вероятность повреждения продукции и повышая качество конечного результата.
• Медицина. Относительно любого медицинского оборудования всегда устанавливаются самые высокие технические требования, добиться соответствия которым невозможно без использования управляемых электродвигателей в связке с частотником. Они устанавливаются в различных системах жизнеобеспечения, подъемных механизмах кроватей и т.д.
• Подъемно-транспортное обеспечение. Лифты, подъемные краны, подъемники – все эти средства уже давно используют преобразователи частоты. Они позволяют точно контролировать скорость выполнения различных операций, а также продлевать срок безремонтной эксплуатации оборудования.

Перечислять области применения частотных преобразователей можно бесконечно, ведь их можно использовать в любом оборудовании, использующем электродвигатели.  

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

• Мощность. Данный параметр частотного преобразователя должен соответствовать мощности двигателя, с которым он будет использоваться. Следует выбирать устройство, мощность которого будет соответствовать номинальному току. Покупать частотный преобразователь с очень завышенными характеристиками попросту бессмысленно, ведь он обойдется намного дороже, да и с наладкой могут возникнуть проблемы.
• Тип нагрузки. Тут все зависит от того, как осуществляется работа агрегата, к которому будет подключен частотный преобразователь. Например, при вентиляторных нагрузках не бывает перегрузок, а в случае с работой пресса – ток может превышать номинальные значения  на 60 и более процентов. Соответственно, необходимо учитывать это при выборе и оставлять определенный запас «хода».
• Тип охлаждения двигателя. Двигатели могут оснащаться принудительными системами охлаждения либо иметь самообдув. Во втором случае к крыльчатке ротора прикрепляются специальные лопасти, которые вращаются вместе с ним и обдувают двигатель. Соответственно, нормальная степень обдува в данном случае напрямую зависит от частоты вращения. Если двигатель продолжительное время будет работать на пониженной частоте, то это может привести к перегреву. Соответственно, лучше позаботиться о дополнительном охлаждении, если изменение частоты будет больше 10% от номинального значения.
• Входное напряжение. Данный показатель определяет, при каком напряжении способен работать преобразователь частот. Тут мало знать, что в сети напряжение обычно составляет около 380 В. Часто происходят скачки в диапазоне +-30%. Кроме того, в сетях, куда подключено большое количество силового оборудования, часто случаются выбросы в 1 кВ. Соответственно, чем шире диапазон рабочих напряжений у преобразователя частот, тем надежнее он будет работать.
• Способ торможения. Остановка двигателя может осуществляться либо инверторным мостом, либо электродинамическим способом. Первый метод больше подходит для точного и быстрого торможения, а второй – в механизмах с частым торможением либо при необходимости постепенной остановки. На это обязательно следует обратить внимание.
• Окружающая среда и защита. Обычно в паспорте преобразователя частоты указаны условия, при которых должно использоваться устройство. Например, влагозащищенные модели соответствуют стандарту IP 54 – они устойчивы к воздействию влаги и могут использоваться в помещениях с паровыми испарениями и повышенной влажностью.
• Тип управления и интерфейсы. Обязательно необходимо обратить внимание на наличие подходящих для подключения разъемов, а также возможностей правления – некоторые модели предназначены для монтажа на месте, а другие – в отдельной рубке управления.

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

Если рассмотреть монтаж преобразователя частоты схематически, то вес процесс сводиться к соединению контактов самого устройства, электродвигателя и управляющего блока-предохранителя. Достаточно соединить провода всех элементом, подключить двигатель к сети и запустить его.

На первый взгляд, ничего сложного в этом нет, но, на самом деле, процедура монтажа имеет некоторые свои нюансы:

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

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

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

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

Следует выделить несколько основных правил безопасности, о которых нужно помнить при выполнении работ по подключению частотных преобразователей:

• Категорически запрещается касаться любой частью тела к токоведущим элементам цепи. Это может нанести ущерб вашему здоровью или даже лишить жизни. Перед началом работ рекомендуется полностью обесточить оборудование и использовать специальные электромонтажные инструменты с защитой от ударов током.
• Стоит помнить, что даже после угасания индикаторов на устройстве в цепи может оставаться напряжение. Чтобы избежать ударов током при работе с системами до 7 кВт необходимо выждать 5 минут до начала работ, с агрегатами свыше 7 кВт – 15 минут. Этого времени должно хватить, чтобы все конденсаторы в цепи разрядились.
• Заземление является неотъемлемой частью любой электрической цепи, включая цепь частотный преобразователь-двигатель. Оно должно устанавливаться в виде отдельного кабеля и ни в коем случае не может присоединяться к нулевой шине.
• Стоит помнить, что отключения частотного преобразователя не гарантирует, что в других узлах сети не осталось напряжения, поэтому перед ремонтом или обслуживанием необходимо полностью отключить цепь от сети.

Выполнять работы по подключению преобразователей частоты могут только квалифицированные специалисты, имеющие соответствующую подготовку, а также необходимые допуски.

Рекомендации по покупке частотных преобразователей

Покупка частотного преобразователя является достаточно ответственным делом, ведь подобные устройства стоят достаточно дорого и на них возлагаются очень серьезные задачи, поэтому некорректность работы оборудования может привести не только к финансовым потерям, но и остановке всего производства или других работ.

Перед тем как покупать преобразователь частот, необходимо:

• Определиться с параметрами, которые будут соответствовать вашему электродвигателю.
• Составить рабочую схему, по которой будет осуществляться монтаж и подключение оборудования.
• Выбрать дополнительные модели, которые будут подключаться к самому преобразователю.
• Закупить все необходимые кабеля, крепления и каркасы, необходимые для установки.
• Подготовить рабочую площадку для монтажа. Возможно, нужно будет оборудовать дополнительные источники питания или реорганизовать производственное оборудование для возможности его подключения к преобразователю.

Многие в связи с дороговизной преобразователей частот покупают б/у устройства. Такой подход более рискованный, чем покупка новой продукции, но позволяет сэкономить некоторую сумму денег.  Если вы также решили купить бывший в употреблении преобразователь, то стоит его тщательно проверять не только по внешним признакам, но и в работе. Лучше всего, если продавец не будет демонтировать его со своего объекта и сможет продемонстрировать его работоспособность на практике.

Опять же, если вы никогда не сталкивались с покупкой преобразователя частоты, лучше поручить это дело профессионалу, который сможет подобрать для вас подходящую модель и помочь с ее установкой.

ies-drives.ru

Частотные преобразователи. Работа и устройство. Типы и применение

Ротор электродвигателя начинает свое вращение с помощью электромагнитных сил от вращающегося магнитного поля, вызванного обмоткой якоря. Число оборотов определяется частотой тока в сети. Стандартное значение частоты тока составляет 50 герц. Это означает, что 50 периодов колебаний совершается за 1 секунду. В минуту число колебаний составит 50 х 60 = 3000. Значит, ротор будет вращаться 3000 оборотов в минуту.

Если научиться изменять частоту тока, то появится возможность регулировки скорости двигателя. Именно по этому принципу действуют частотные преобразователи.

Современное исполнение преобразователей частоты выглядит в виде высокотехнологичного устройства, состоящего из полупроводниковых приборов, совместно с микроконтроллером электронной системы. С помощью этой системы управления изменяются важные параметры электродвигателя, например, число оборотов.

Изменить скорость привода можно и с помощью механического редуктора шестеренчатого типа, либо на основе вариатора. Но такие механизмы имеют громоздкую конструкцию, их нужно обслуживать. С использованием частотника (инвертора) снижается расход на техническое обслуживание, повышается функциональность привода механизма.

Виды

По конструктивным особенностям частотные преобразователи делятся:

• Индукционные.
• Электронные.

Электродвигатели асинхронного типа с фазным ротором, подключенные в режим генератора, представляют подобие индукционного частотного преобразователя. Они имеют малые КПД и эффективность. В связи с этим такие виды преобразователей не нашли популярности в использовании.

Электронные виды частотников дают возможность плавного изменения оборотов электродвигателей.

При этом реализуются два возможных принципа управления:

1. По определенной зависимости скорости от частоты тока.
2. По способу векторного управления.

Первый принцип самый простой, но не совершенный. Второй принцип применяется для точного изменения оборотов двигателя.

Конструктивные особенности

Рис. 1

Частотные преобразователи имеют в составе основные модули:

• Выпрямитель.
• Фильтр напряжения.
• Инверторный узел.
• Микропроцессорная система.

Все модули связаны между собой. Действие выходного каскада (инвертора) контролирует блок управления, с помощью которого меняются свойства переменного тока. Частотный преобразователь для электромотора имеет свои особенности. В его состав входит несколько защит, управление которыми осуществляется микроконтроллером. Например, проверяется температура полупроводников, работает защита от превышения тока и короткого замыкания. Частотник подключается к сети питания через устройства защиты. Для запуска электродвигателя не нужен магнитный пускатель.

Выпрямитель

Это первый модуль, по которому проходит ток. Он преобразует переменный ток в постоянный, благодаря полупроводниковым диодам. Особенностью частотника является возможность его питания от однофазной сети. Разница в конструкции состоит в разных типах выпрямителей.

Если мы говорим про однофазный частотник для двигателя, то нужно использовать в выпрямителе четыре диода по мостовой схеме. При трехфазном питании выбирается схема из шести диодов. В итоге получается выпрямление переменного тока, появляется два полюса: плюс и минус.

Фильтр напряжения

Из выпрямителя выходит постоянное напряжение, которое имеет значительные пульсации, заимствованные от переменного тока. Для их сглаживания используют такие элементы, как электролитический конденсатор и катушка индуктивности.

Катушка имеет много витков, и обладает реактивным сопротивлением. Это дает возможность сглаживать импульсы тока. Конденсатор, подключенный к двум полюсам, имеет интересные характеристики. При прохождении постоянного тока он в силу закона Киргофа должен быть заменен обрывом, как будто между полюсами ничего нет. При прохождении переменного тока он должен быть проводником, то есть, не иметь сопротивления. В результате доля переменного тока замыкается и исчезает.

Инверторный модуль

Это узел, имеющий наибольшую важность в преобразователе частоты. Он изменяет параметры тока выхода, состоит из шести транзисторов. Для каждой фазы подключены по два транзистора. В каскаде инвертора применяются современные транзисторы IGBT.

Если изготавливать частотные преобразователи своими руками, то необходимо выбирать элементы конструкции, исходя из мощности потребления. Поэтому нужно сразу определить тип электродвигателя, который будет питаться от частотника.

Микропроцессорная система

В самодельной конструкции не получится добиться таких параметров, имеющихся у заводских моделей, так как в домашних условиях сделать управляющий модуль сложно. Дело не в пайке деталей, а в создании программы для микроконтроллера. Простой способ – это сделать управляющий блок, которым можно регулировать обороты двигателя, осуществлять реверс, защищать двигатель от перегрева и перегрузки по току.

Чтобы изменить обороты мотора, нужно применить переменное сопротивление, подключенное к вводу микроконтроллера. Это устройство подает сигнал на микросхему, которая производит анализ изменения напряжения и сравнивает его с эталоном (5 вольт). Система действует по алгоритму, который создается до начала создания программы. По нему действует микропроцессорная система.

Приобрели большую популярность управляющие модули Siemens. Частотные преобразователи этой фирмы надежны, могут применяться для любых электродвигателей.

Принцип действия

Основа работы инвертора состоит в двойном изменении формы электрического тока.

Напряжение подается на блок выпрямления с мощными диодами. Они удаляют гармонические колебания, однако оставляют импульсы сигнала. Чтобы их удалить, подключен конденсатор с катушкой индуктивности, образующие фильтр, который стабилизирует форму напряжения.

Далее, сигнал идет на частотный преобразователь. Он состоит из шести мощных транзисторов с диодами, защищающими от пробоя напряжения. Ранее для таких целей применялись тиристоры, но они не обладали таким быстродействием, и создавали помехи.

Чтобы подключить режим замедления мотора, в схему устанавливают транзистор управления с резистором, который рассеивает энергию. Такой способ дает возможность удалять образуемое двигателем напряжение, чтобы защитить емкости фильтра от выхода из строя вследствие перезарядки.

Метод управления векторного типа частотой инвертора дает возможность создания схемы, которая автоматически регулирует сигнал. Для этого применяется управляющая система:

• Амплитудная.
• Широтно-импульсная.

Амплитудная регулировка работает на изменении напряжения входа, а ШИМ – порядка действия переключений транзисторов при постоянном напряжении на входе.

При регулировании ШИМ образуется период модуляции, когда обмотка якоря подключается по очереди к выводам выпрямителя. Так как тактовая частота генератора высокая и находится в интервале 2-15 килогерц, то в обмотке мотора, имеющего индуктивность, осуществляется сглаживание напряжения до нормальной синусоиды.

Принцип подключения ключей на транзисторах

Каждый из транзисторов включается по встречно-параллельной схеме к диоду (Рис. 1). Через цепь транзистора протекает активный ток электродвигателя, реактивная часть поступает на диоды.

Чтобы исключить влияние помех на действие инвертора и электродвигателя, в схему подключают фильтр, который удаляет:

• Радиопомехи.
• Помехи от электрооборудования.

Об их образовании дает сигнал контроллер, чтобы снизить помехи, применяются экранированные провода от двигателя до выхода инвертора.

Чтобы оптимизировать точность функционирования асинхронных двигателей, в цепь управления инверторов подключают:

• Ввод связи.
• Контроллер.
• Карта памяти.
• Программа.
• Дисплей.
• Тормозной прерыватель с фильтром.
• Охлаждение схемы вентилятором.
• Прогрев двигателя.

Схемы подключения

Частотные преобразователи служат для работы в 1-фазных и 3-фазных сетях. Но если имеются промышленные источники питания на 220 вольт постоянного тока, то инверторы также можно подключать к ним.

Частотные преобразователи для 3-фазной сети рассчитаны на 380 вольт, их подают на мотор. 1-фазные частотники работают от сети 220 вольт, выдают на выходе 3 фазы. Частотник может подключаться к электродвигателю по схеме звезды или треугольника.

Обмотки мотора соединяются в «звезду» для частотника, работающего от трех фаз 380 вольт.

Обмотки двигателя соединяют «треугольником», когда инвертор запитан от 1-фазной сети.

При выборе метода подключения электродвигателя к частотнику необходимо определить мощности, которые создает двигатель на разных режимах, в том числе и медленный режим, тяжелый запуск. Преобразователь частоты нельзя эксплуатировать с перегрузкой длительное время. Его мощность должна быть с запасом, тогда работа будет без аварий, и срок службы продлится.

Применение

Частотные преобразователи используются в устройствах с необходимостью регулировки скорости двигателя.

• Приводы насосов. Уменьшает потери тепла и воды на 10%. Снижает количество аварий, защищает электродвигатели.
• Вентиляционные системы. Экономия больше, чем при работе с насосами, так как для запуска мощных вентиляторов применяют мощные приводы агрегатов. Экономия появляется за счет снижения потерь на холостом ходу.
• Транспортеры. Инверторы адаптируют скорость двигателя к скорости технологической системы, которая постоянно изменяется. Мягкий пуск повышает ресурс привода системы, так как нет ударных нагрузок, которые вредят оборудованию.
• Компрессоры.
• Дымососы.
• Центрифуги.
• Лифтовое оборудование.
• Оборудование в деревообработке.
• Робототехника.

Преимущества

• Сглаживание работы мотора при запуске и торможении.
• Возможность управления группой двигателей.
• Плавное управление скоростью электродвигателей, без использования редукторов и других механических систем. Это позволяет упростить управление, сделать его дешевле и надежнее.
• Используются совместно с асинхронными двигателями для замены приводов постоянного тока.
• Образование многофункциональных систем управления приводами.
• Изменение настроек непосредственно в работе, без останова.

Похожие темы:

electrosam.ru

Частотный преобразователь: полный обзор функций частотника

Преобразователем частоты именуют статическую преобразовательную конструкцию, используемую с целью регуляции скорости вращения асинхронного электрического двигателя. Устройства данного типа, работающие на переменном токе, гораздо проще сконструированы, и их легче эксплуатировать в сравнении с двигателями, использующими постоянный ток. Это способствует популяризации асинхронного электродвигателя.

Преобразователь частоты обеспечивает плавность пуска и остановки электрического двигателя. Наиболее уместно его использование для крупного электродвигателя с большой мощностью.

Кроме частотного преобразователя для регуляции вращательной скорости могут применяться: механические вариаторы, гидравлические муфты и т. д. Однако, такие компоненты имеют ряд недостатков:

• Низкий уровень качества;
• Сложная конструкция;
• Высокая себестоимость;
• Узкий диапазон вариантов рабочей частоты.

Частотный преобразователь для электродвигателя, регулирующий уровень напряжения питающего тока и его частоту, по данным пунктам явно отличается в лучшую сторону. Как результат, КПД преобразования стремится к ста процентам при достаточно низкой угрозе поломок.

Классификация преобразователей частоты

Согласно типу питающего напряжения необходимого для работы частотного преобразователя, существуют устройства следующих групп:

• Однофазные;
• Трёхфазные;
• Высоковольтные.

Преобразователь может быть подключён к электродвигателям следующих типов:

• Однофазным, имеющим расщеплённые полюса, и однофазным конденсаторным;
• Трёхфазным, асинхронного типа, работающим с использованием переменного тока.
• Оснащённых постоянными магнитами.

Существует несколько сфер использования частотного преобразователя:

• Общепромышленная;
• Векторное преобразование частоты;
• Механизмы с насосно-вентиляторным типом нагрузки;
• Преобразователи частоты в кранах и иных подъёмных механизмах;

Также существуют взрывозащищённые преобразователи, ориентированные на тяжёлые условия эксплуатации, и децентрализованные модели, которые устанавливаются прямо на базе асинхронного электродвигателя.

Особенности устройства преобразователя частоты

Типичная схема, свойственная частотному преобразователю, основана на построении двойного преобразования. Это означает, что устройство состоит из:

1. Звена постоянного тока, также сформированного из неуправляемого выпрямителя и фильтра;
2. Силового импульсного инвентора;
3. Системы управления.

Первый компонент отвечает за преобразование переменного сетевого напряжения в постоянное. После неуправляемого выпрямителя движения тока происходит через транзисторные ключи, обеспечивающие подключение обмотки асинхронного двигателя к положительным и отрицательным выводам звена постоянного тока. Эти транзисторы вместе называются силовым импульсным инвентором. Трёхфазный инвентор, состоящий из шести, осуществляет преобразование выпрямленного напряжения соответственно в трёхфазное переменное значение необходимой частоты и амплитуды, передаваемое на обмотку статора электрического двигателя.

Для компоновки импульсного инвентора предпочтительно использование IGBT-транзисторов (биполярные, имеют затвор), поскольку они являются обладателями достаточно высокой частоты переключения. Это позволяет формировать на выходе синусоидальный сигнал с минимальными искажениями.

Принципы функционирования частотного преобразователя

Регуляция пускового тока может осуществляться вручную, но это увеличивает затраты электропотребления и снижает срок эксплуатации асинхронного двигателя. Обычно без преобразователя напряжения показания до семи раз превышают значение номинала. Определённо, это не самые лучшие условия для эксплуатации.

Принцип работы преобразователей частоты связан со спецификой действия асинхронного электродвигателя. У двигателя подобного вида наблюдается зависимость между вращательной частотой магнитного поля и частотой напряжения питающего тока. В данном моменте и заключается смысл методики частотного управления. Изменяемая преобразователем входная частота напряжения отвечает за регуляцию частоты вращения. Таким образом, диапазон значений выходного напряжения весьма широк.

По принципу работы силового элемента частотные преобразователи можно отнести к следующим категориям:

• Конструкции, имеющие выраженный промежуточный неуправляемый выпрямитель.
• Конструкции, имеющие непосредственную связь (без промежуточного звена).

Частотники второго типа появились гораздо раньше, в них силовой компонент представлен управляемым выпрямителем, сконструированным из тиристоров. Формирование выходного сигнала происходит при поочерёдном отпирании тиристоров управляющим узлом. На сегодняшний день такие приборы потеряли свою актуальность.

Что касается частотного преобразователя первого типа, то он примечателен тем, что его можно запитать через внешнее звено постоянного тока. Сам частотник при этом защищается предохранителем быстрого действия. Однако, это делает нежелательным применение контакторов, поскольку данная разновидность коммутации провоцирует возникновение повышенного зарядного тока и выгорание предохранителей.

Работа частотного преобразователя связана с принципом двойного преобразования напряжения:

1. Регуляция сетевого напряжения через выпрямление и фильтрование (для этого используются конденсаторные системы).
2. Задействуется электронное управление, устанавливающее заблаговременно выбранную частоту тока.
3. Происходит образование прямоугольных импульсов, корректируемых при помощи обмотки статора. В результате они преобразуются в синусоиду.

Содержание двух принципов управления преобразователем частоты

Существует диада основных принципов регуляции частотных преобразователей:

• Принцип скалярного управления.

Преобразователи частоты управляемые по данному принципу имеют низкую себестоимость. Часто применяются в приводах устройств, где степень частоты вращения может регулироваться в соотношении 1:40. Это позволяет адекватно управлять работой насосов, компрессоров, вентиляторов. К тому скалярный метод позволяет осуществлять регуляцию работы сразу нескольких электродвигателей.

• Векторный принцип.

Имеют максимальное совпадение характеристик асинхронных электроприводов с параметрами приводов ПТ. Этому способствует разделение регуляционных каналов, связанных с потокосцеплением и вращательной скоростью асинхронного двигателя. Частотники, работающие в рамках данной системы управления, более дорогие по цене и применяются в устройствах требующих высокоточного регулирования скорости: станках, лифтах, кранах.

Как и где следует применять частотный преобразователь

Частотный преобразователь позволяет регулировать скорость действия следующих механизмов:

• Насосов, перекачивающих горячую или холодную воду по системе водоснабжения и обогрева;
• Вспомогательных агрегатов котельных, тепловых электростанций, ТЭЦ и т.д.;
• Дробилках, мельницах, мешалках;
• Песковых и пульповых насосов, используемых на обогатительных фабриках;
• Лифтовых установок;
• Разнотипных центрифуг;
• Производственных линий, создающих ленточные материалы;
• Кранового и эскалаторного оборудования;
• Устройств, обеспечивающих силовые манипуляции;
• Приводов на буровых станках, специализированных приборов и так далее.

Наиболее очевидна польза частотных преобразователей с точки зрения экономии:

• Оптимальный уровень КПД позволяет вдвое экономить электроэнергию.
• Количество и качество конечного продукта в производственной значительно возрастает.
• Комплектующие механизма меньше изнашиваются;
• Общая длительность эксплуатации оборудования также возрастает.

Как итог, частотный преобразователь отвечает за эффективность и продуктивность функционирования механизмов.

Тонкости выбора частотного преобразователя

Основным значимым параметром, при выборе той или иной модели преобразователя частоты, на сегодняшний день является именно его стоимость. Это обусловлено тем, что только для дорогого устройства характерна максимальная функциональность. Но это не отменяет наличие специфических требований в зависимости от того, для механизма какой категории подбирается преобразователь, поэтому необходимо учитывать:

• Разновидность и данные по мощности асинхронного электродвигателя, к которому подключается частотник;
• Насколько точно и в каком диапазоне можно регулировать скорость;
• Насколько точно осуществляется поддержание момента и скорости вращения на валу электрического двигателя;
• Соответствие конструкции (формы, размера, пульта управления и так далее) индивидуальным требованиям.

Обязательно также обратить внимание на значение мощности асинхронного электрического двигателя, с которым будет взаимодействовать преобразователь частоты. Если один из параметров (например: величина пускового момента, затрачиваемое на разгон или торможение время) должен соответствовать каким-то особым требованиям, то нужно выбрать устройство более высокого класса, чем потенциально подходящее.

Самостоятельная сборка преобразователя

Чтобы механизм адекватно функционировал, сеть должна обладать весьма широкой вариацией значений напряжения. Это снижает риск поломки устройства при резких скачках.

Частота должна соответствовать производственным запросам. Нижний предел этого параметра позволяет ориентироваться в спектре возможностей регулирования скорости привода. В случае, если требуется расширить частотный диапазон относительно уже имеющегося, то необходимо подобрать модель частотного преобразователя, принцип работы которой относится к векторному типу.

Однако, стандартный рабочий диапазон составляет 10-60 Герц и лишь иногда доходит до 100 Герц.

Далее следует обратить внимание на входы и выходы управления. Процесс применения устройств с достаточно большим количеством разъёмов гораздо более удобен. Но и стоимость от этого возрастает, кроме того, затрудняется настройка. Подобные приборы могут быть оснащены дискретными, цифровыми или аналоговыми разъёмами.

Использование дискретного разъёма позволяет вводить управляющие команды и выводить информацию о течении процесса. Цифровой разъём обеспечивает введение сигналов, подаваемых цифровыми датчиками. Аналоговый разъём предназначен для введения сигнала обеспечивающего обратную связь.

Также следует проверять соответствие характеристик шины управления и возможностей преобразователя. В первую очередь это можно понять по соответствию числа разъёмов. По возможности их должно быть даже больше, чем требуется, чтобы имелся простор для модернизирования.

Если говорить о перегрузочных способностях, то следует предпочесть модели, которые имеют уровень мощности на 15% превышающий данные по мощности у двигателя.

В любом случае всегда нужно как следует изучать прилагающуюся к частотнику документацию. Там можно найти все требуемые сведения о параметрах и характеристиках.

Схема сборки

Следующая последовательность подойдёт для проводки, функционирующей с уровнем напряжения в 220 вольт и на одной фазе. Схема рассчитана на двигатель уровнем мощности не более 1 кВт.

В первую очередь осуществляется соединение обмоток двигателя по принципу «треугольник».

В качестве фундамента преобразователя используется пара плат. Одна из них необходима для блока питания и драйвера. Также туда будут относиться транзисторы и силовые клеммы. Другую плату применяют, чтобы закрепить микроконтроллер и индикатор. Между собой платы контактируют посредством гибкого шлейфа.

Для моделирования импульсного блока питания понадобится стандартная схема, которую можно обнаружить в сети.

Для контроля работы двигателя и напряжения не нужно влиять на ток извне. Тем не менее вполне уместно ввести в устройство линейную развязку с микросхемой.

На общем радиаторе устройства фиксируются транзисторы и диодный мост.

Обязательно потребуются оптроны ОС2-4, которые используются для дублирования кнопок управления. А с помощью ОС-1 выполняются пользовательские функции.

Однофазный преобразователь частоты не нуждается в трансформаторе. В качестве альтернативы  воспользоваться токовым шунтом, который при необходимости дополняется при помощи усилителя DA-1.

При мощности до 400 ватт схема для стабильной работы двигателя не требует установки термодатчика. Уровень сетевого напряжения вполне можно контролировать усилителем DA-1-2.

Для управляющих кнопок необходима защита в виде пластиковых толкателей. Сам процесс управления построен на опторазвязке.

При применении проводов чрезмерной длины, используются помехоподавляющие кольца.

Методика подключения преобразователя частоты к двигателю

Подключение преобразователя возможно только при соблюдении рекомендованной изготовителем комплектации устройства:

• Сечения определённых типов;
• Провода определённых типов;
• Дополнительное оборудование.

К дополнительному оборудованию можно отнести:

• Реактор ПТ;
• Тормозной блок;
• Фильтр (входной/выходной).

Не рекомендовано занижение номинала автоматического выключателя. Даже минимальное несоответствие может привести к хаотичному размыканию цепи, что зачастую сводит ситуацию к тому, что звено постоянного тока выходит из строя, и схема оказывается нарушена. Следует обращать внимание на то, чтобы наконечники проводов были хорошо обжаты.

Зачастую при самостоятельной установке входная и выходная клеммы оказываются перепутаны (хотя общепонятную маркировку преобразователя вполне можно увидеть). Поэтому нужно знать, схема формируется таким образом, что клеммы L1, L2, L3 используются для соединения с питающей сетью, а U, V, W — предназначаются для электродвигателя. Если не соблюсти этого правила, скорее всего придётся всё ремонтировать.

Также, поломка гарантирована, если на входы управляющего элемента осуществляется подача напряжения на 220 и 380 вольт.

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.

chistotnik.ru

Правда о пяти мифах частотно-регулируемого привода / Статьи и обзоры / Элек.ру

Независимо от того, насколько давно и каким образом, уже обыденные частотные преобразователи пришли в Вашу жизнь, где-то есть тот, кто впервые стукнулся с ЧРП или только рассматривает возможность их применения. Вспомните, когда вы впервые задумались о применении одного из современных частотных преобразователей с широтно-импульсной модуляцией для двигателя переменного тока. Скорее всего, у вас, на тот момент, было не совсем верное представление об их возможностях и назначении. В этой статье мы рассмотрим и постараемся развеять пять распространенных мифов о частотно регулируемом приводе.

Рис. 1. Частотный преобразователь

Миф № 1: Выходной сигнал частотного преобразователя является синусоидальным

Людям, так или иначе связанные с эксплуатацией электродвигателей в, как правило, знакома работа асинхронных двигателей переменного тока с использованием пускателей. При пуске электродвигателя, пускатель замыкает контакты обмоток электродвигателя с фазами 3-х фазной питающей сети. Напряжение каждой фаза представляет собой синусоидальную волну. Приложенное напряжение создает на клеммах электродвигателя тоже синусоидальной формы с той же частотой (можно убедится проверкой напряжения на клеммах электродвигателя). Пока вроде всё просто и понятно.

А вот что происходит на выходе преобразователя частоты, это совсем другая история. Частотный преобразователь обычно выпрямляет входное трехфазное переменное в постоянное напряжение, которое фильтруется и аккумулируется при помощи больших конденсаторов звена постоянного тока. Напряжение звена постоянного тока затем инвертируется, для получения переменного напряжения, переменной частоты на выходе. Процесс инверсии осуществляется посредством трех изолированных биполярных транзисторов (IGBT) с двумя изолированными затворами — по одной паре на выходную фазу (см. Рис 2). Поскольку выпрямленное напряжение инвертируется в переменное, выходное звено называют «инвертором». Включение, выключение, а также длительность нахождения IGBT-транзисторов в положении ВКЛ или ВЫКЛ может управляться, что и определяет значение частоты выходного напряжения. Отношение выходного среднеквадратического напряжения к выходной частоте определяет магнитный поток, развиваемый в электродвигателе переменного тока. Когда выходная частота увеличивается, выходное напряжение также должно увеличиваться с той же скоростью, чтобы поддерживать постоянство отношения и, следовательно, постоянную скорость вращения двигателя. Обычно соотношение между напряжением и частотой поддерживается по линейному закону, что обеспечивает возможность поддержания постоянного крутящего момента.

Рис. 2. Схема инвертора с IGBT транзисторами

Результирующий сигнал напряжения, прикладываемый к обмотке двигателя, не является синусоидальным (см. Рис. 3). Обратите внимание, что иногда отношение напряжения по частоте (V / f) может быть отличным от линейного, что характерно для вентиляторов, насосов или центробежных нагрузок, которые не требуют постоянного крутящего момента, но обеспечивают тем самым возможность экономии электроэнергии.

Рис. 3. Форма сигнала ШИМ напряжения на выходе частотного преобразователя

Как же отразится пилообразная форма питающего напряжения на работе электродвигателя. Асинхронный двигатель является по своей сути большой катушкой индуктивности. А характерной особенностью индукции является ее устойчивость к изменениям тока. Увеличивается или уменьшается сита ток, индукция будет выступать против этого изменения. Какое же это имеет отношение к форме сигнала напряжения ШИМ на рисунке 3? Вместо того, чтобы позволить импульсу тока увеличиваться в том же порядке, что и приложенный импульс напряжения, ток начнет медленно возрастать. Когда импульс напряжения закончился, ток плавно уменьшается, а не исчезает мгновенно. В общих чертах это происходит следующим образом: до момента, когда ток снизился до нуля, поступает следующий импульс напряжения, и ток начинает плавно увеличиваться. Если последующий импульс становятся шире, ток плавно достигает большего значения, чем раньше. В конце концов, текущий сигнал становится синусоидальным, хотя и с некоторыми зубчатыми переходами (см. Рис. 4).

Рис. 4. Форма сигнала тока на выходе частотного преобразователя

Однако не думайте, что вы можете подключить свой соленоид к фазам выходного напряжения ЧРП. Это всё же не совсем переменное напряжение.

Миф № 2: все частотные преобразователи одинаковы

В общем виде частотно-регулируемый привод сегодня является довольно зрелым продуктом. Большинство коммерчески доступных приводов содержат одни и те же базовые компоненты: мостовой выпрямитель, блок питания, конденсаторный блок постоянного тока и плата выходного инвертора. Разумеется, существуют различия в алгоритмах управления переключением транзисторов IGBT инвертора, надежности компонентов и эффективности схемы теплового рассеивания. Но основные компоненты остаются прежними.

Есть также исключения. Например, в некоторых ЧРП инвертер имеет три вывода. Такая схема позволяет выходным импульсам варьироваться от половинного до полного импульса сигнала напряжения (см. Рис. 5).

Рис. 5. Трехуровневый выходной сигнал напряжения

Для достижения трехуровневого выходного сигнала звено инвертора должно иметь в два раза больше выходных переключателей, а также запирающих диодов (см. Рис. 6). Преимущества трехуровневой схемы заключается в уменьшении перенапряжения на двигателе из-за гармонических волн, снижении синфазных помех, а также снижении паразитных токов на валах и подшипниках.

Рис. 6. Схема трехуровневого инвертора

Матричный инвертор является еще более нетипичным типом ЧРП. Частотные преобразователи с матричными инверторами не имеют шины постоянного тока или мостового выпрямителя. Вместо этого они используют двунаправленные переключатели, которые могут подключать любое из входящих фазных напряжений к любой из трех выходных фаз (см. Рис. 7). Преимущество этой схемы заключается в том, что мощность может свободно протекать от сети к двигателю или от двигателя к сети для рекуперативного привода постоянного тока. Недостатком является то, что на входе необходима установка фильтра, для обеспечения дополнительной индуктивности и фильтрации формы ШИМ, чтобы исключить негативное влияние на питающую сеть.

Рис. 7. Схема матричного ЧРП

Кроме частотных преобразователей с трехуровневыми выходами и инверторами матричного типа существуют также и другие типы частотно-регулируемых приводов. Таким образом миф о том, что все частотные преобразователи одинаковые развеян.

Миф № 3: Частотный преобразователь компенсирует коэффициентом мощности.

Нередко можно увидеть, что производители частотных преобразователей заявляют значение коэффициента мощности, например, равным 0,98 или почти 1. Действительно коэффициент мощности несколько улучшается после установки ЧРП перед асинхронным двигателем. ЧРП компенсирует реактивную мощность за счет конденсаторного звена. Однако полностью компенсировать фазовый сдвиг преобразователь частоты не может.

Полный коэффициент мощности должен включать реактивную мощность, вызываемую гармониками, создаваемыми в звене постоянного тока. Причиной является работа диодного моста. Важно помнить, что диод работает только тогда, когда напряжение на стороне анода выше, чем напряжение на стороне катода (прямое смещение). Это означает, что диоды открыты только на пике каждой временной фазы как положительной, так и отрицательной частей синусоидальной волны. Это приводит к волнообразной форме волны. Это также приводит к искажению входного тока и прерыванию (см. Рис. 8).

Рис. 8. Форма сигналов после выпрямителя

Чтобы вычислить истинный полный коэффициент мощности (PF), необходимо учесть эффекты гармоник. Следующее уравнение показывает, как гармоники влияют на полный коэффициент мощности:

где THD = суммарное гармоническое искажение

Для прерывистого сигнала входного тока в уравнении THD будет находиться в районе 100% или более. Подставляя это в уравнение, получаем истинный коэффициент мощности PF ближе к 0,71, по сравнению с заявленным 0,98, который не учитывает гармоники.

Но не всё так плохо. В настоящее время существует множество способов гармонические искажения, создаваемые в звене постоянного тока. Они используют как пассивные, так и активные методы подавления искажений входного сигнала. Так, например, вышеупомянутый матричный преобразователь частоты является примером активного метода подавления гармонических искажений.

Миф № 4: С частотным преобразователем Вы можете эксплуатировать двигатель на любой скорости.

Особенность применения частотных преобразователей заключается, что они могут изменять как напряжение, так и частоту выходного сигнала. Благодаря возможности обеспечения требуемой скорости вращения электродвигателя ЧРП нашли широкое применение во всех сферах экономики и всех отраслях промышленности ЧРП может легко выдавать сигнал любой частоту в пределах предусмотренного изготовителем диапазона регулирования. Однако необходимо учитывать, что частотный преобразователь работает в составе электродвигателя в реальных условиях. Технологические требования, такие как необходимый крутящий момент, охлаждение, требуемая мощность так или иначе ограничивают фактический диапазон регулирования преобразователя частоты.

Ограничение № 1. С точки зрения охлаждения электродвигателя, низкая скорость вращения — это не очень хорошая идея. В частности, полностью закрытые вентиляторные (TEFC) двигатели имеют охлаждаются только за счет внутреннего вентилятора, который вращается вместе с валом двигателя. Чем медленнее скорость вращения двигатель, тем меньше поток воздуха и тем хуже охлаждение. Закрытые двигатели обычно не рекомендуются эксплуатировать с частотой ниже 15 Гц (диапазон скоростей 4:1).

Ограничение № 2: Электродвигатели имеют определенные ограничения диапазона скоростей, связанные с механическими и динамическими ограничениями нагрузок вращающихся частей. Обычно эта скорость называется максимальной безопасной частотой вращения. Данная характеристика не всегда указывается на шильдике мотора.

Ограничение № 3: При достижении максимальной частоты вращения крутящий момент двигателя может снижаться. Это ограничение скорости связано с ограничением мощности, которое включает в себя скорость вращения и крутящий момент. Если быть еще точнее, что будет снижаться напряжения ЧРП. Обратите внимание, что вращение двигателя также генерирует собственное напряжение, называемое обратной электродвижущей силой (ЭДС), которое увеличивается со скоростью. Обратная ЭДС создается двигателем, чтобы противостоять приложенному напряжению от ПЧ. На более высоких скоростях ПЧ должен подавать еще большее напряжения, чтобы преодолеть обратную ЭДС, и ток мог протекать по обмоткам двигателя, создавая крутящий момент. После определенного максимального значения преобразователь частоты не может преодолеть обратную ЭДС электродвигателя, и, следовательно, крутящий момент двигателя уменьшается, что, в свою очередь, снижает скорость. Снижение скорости опять приводит к более низкой обратной ЭДС, которая, в свою очередь, позволяет протекать току в двигатель снова. Существует точка равновесия, в которой двигатель достигает максимальной скорости при максимальном крутящем моменте.

Как упоминалось выше ЧРП может создавать крутящий момент на двигателе, сохраняя постоянство отношения V/f (см. Рис. 9).

Рис. 9. График зависимости напряжения от частоты

Когда частота выходного сигнала увеличивается, напряжение увеличивается линейно. Проблема возникает, когда частота превышает номинальную частоту двигателя. Помимо номинальной частоты, не может увеличиваться выходное напряжение, что соответственно приводит к уменьшению отношения V / f. Отношение V / f является мерой напряженности магнитного поля в двигателе и влияет на его крутящий момент. Следовательно, способность мотора создавать номинальный крутящий момент при частоте выше номинальной должна уменьшаться со скоростью 1 / частота, при этом произведение крутящего момента и частоты, равное мощности, является постоянным. Область работы над номинальной частотой называется постоянным диапазоном мощности, а работа на скоростях ниже номинальной — диапазоном постоянного крутящего момента (см. Рис. 10).

Рис. 10. Графики зависимости мощности и крутящего момента электродвигателя от частоты

Миф № 5: Входной ток преобразователя частоты выше выходного тока

Возможно, это не миф, а недоразумение. Некоторые пользователи ПЧ измеряют значение выходного и входного тока с помощью измерительного инструмента или с помощью мониторов ПЧ и обнаруживают, что входной ток намного ниже выходного. Это похоже не согласуется с идеей о том, что частотный преобразователь должен иметь некоторые потери и поэтому вход всегда должен быть немного выше, чем выход. Концепция правильная, но она учитывает мощность, а не ток, который следует учитывать:

Входное напряжение всегда находится под напряжением переменного тока. Выходное напряжение изменяется со скоростью по образцу V / f. На самом деле компоненты уравнения немного сложнее. Но ключом к пониманию данного процесса является знание того, что асинхронный двигатель имеет два токовых компонента: один отвечает за создание магнитного поля в двигателе, которое необходимо для вращения двигателя; а второй — ток, создающий крутящий момент, который, как следует из названия, отвечает за создание крутящего момента.

Привод потребляет входной ток, пропорциональный активному крутящему моменту двигателя. Ток, необходимый для создания магнитного поля, обычно не изменяется со скоростью и обеспечивается основными конденсаторами звена постоянного тока, которые заряжаются при включении питания ПЧ. При малых значения крутящего момента выходной ток может быть намного выше, чем входной, поскольку входной ток отражает только составляющую, создающую крутящий момент плюс некоторые гармоники, но не включает ток намагничивания. Ток намагничивания циркулирует между конденсаторами шины постоянного тока и двигателем. Даже при полной нагрузке входной ток обычно будет ниже, чем ток двигателя, поскольку на входе по-прежнему нет составляющей тока намагничивания.

Помните, что в уравнении мы сравниваем входную и выходную мощности. Например, рассмотрим полностью нагруженный двигатель, вращающийся на низких оборотах. Входное напряжение номинальное, а выходное напряжение будет низким из-за низкой скорости вращения. Выходной ток в данном случае будет высокий из-за полной нагрузки на двигатель. А чтобы сбалансировать уравнение мощности, входной ток должен быть ниже выходного тока.

Узнать подробную информацию о частотных преобразователях, ознакомиться с производственной линейкой YASKAWA Вы можете у ООО «КоСПа».

Или в соответствующем разделе преобразователя YASKAWA.

Оригинал статьи: www.yaskawa.com.

Источник: Chastotnik.pro, Пол Эйвери, Yaskawa America Inc.

www.elec.ru