Частотные преобразователи – это технические устройства, преобразующие входные сетевые параметры в выходные на различных частотах. Современные инверторы переменного тока обладают широким частотным диапазоном.
Асинхронный преобразователь частоты предназначен для преобразования сетевого 3-х либо 1-но фазного переменного тока f 50 Гц в 3-х фазный либо 1-но фазный, f 1 ̴̴ 800 Гц.
Производителями выпускаются электро-индукционные частотники, представляющие собой конструктив:
- асинхронный электродвигатель;
- инверторы.
Частотники зачастую используются для плавной регулировки скорости вращения асинхронного двигателя (АД) за счет формирования на выходе частотника заданных параметров сети. В самых простых случаях регулировка f и U выполняется с соответствующей зависимостью V/f, в более навороченных инверторах реализуется как векторное управление.
Электронный преобразователь частоты — это конструктив, который состоит из элементов:
- выпрямитель, преобразующийI ̴в Iconst;
- инвертор, преобразующийIconstв I ̴с требуемой частотой и амплитудой.
Выходные тиристоры (транзисторы) служат для обеспечения необходимого тока для электроснабжениядвигателя.
Для поправки U вых. между частотником и электродвигателем другой раз ставят дроссель, а для сниженияпомех — фильтр.
Классификация преобразователей частоты
По типу питающего напряжения преобразователи частоты делятся на разновидности:
- однофазные;
- трехфазные;
- высоковольтные аппараты.
Основную задачу преобразователя частоты можно сформулировать следующим образом: перевод рабочего процесса на экономичный режим с помощью управления скоростью и моментом двигателя, согласно заданным техническим параметрам и характеру нагрузки.
При этом цифровой дисплейприбора показывает такие параметры работы системы, как:
- величина I и U двигателя;
- выходные значения частоты, скорости, мощности и момента (f, v, Р и М);
- отображение состояния дискретных входовдля регулирования скорости вращения вала АД и дистанционного управления системой;
- продолжительность работы самого частотного преобразователя.
По сфере использования типы инверторы бывают:
- промышленного назначения мощностью до 315 кВт;
- ПЧ с векторным управлением мощностью до 500 кВт;
- для управления механизмами с насосно-вентиляторным типом нагрузки (Р 15 — 315 кВт);
- частотники для кранов и других подъемных конструкций;
- для применения в условиях взрывоопасности;
- устанавливаемые ЧРП прямо на электродвигатель.
Напряжение работы привода
Важным вопросом будет напряжение питания. Самым распространенным случаем является то, когда питание от 3-фазной сети производства 380 вольт. Варианты есть, когда привод предназначен на эксплуатацию от одной фазы на 220 вольт. Последний вариант ограничен мощностями до 4 кВт. Есть варианты работы привода на высоком напряжении, которые дают векторное управление мощными двигателями, с мощностью в мегаваттах, с меньшим током. Все варианты применяются для разных видов решений, зависят от характера снабжения электрической энергией, от обуславливания использования привода конкретной характеристики.
Структура частотного преобразователя
Структура современного ПЧ выстраивается по принципу преобразования энергии и включает в себя силовую и управляющую составляющую. Первая, как правило, исполняется на тиристорах или транзисторах, коим отводится роль электроключей. Управляющий блок реализуется на микропроцессорах. С помощью ключей размыкающий и замыкающий цепи он позволяет молниеносно решать множество заданий по диагностике, защите, контролю.
По принципу работы частотные преобразователи бывают двух типов:
- с наличием промежуточного звена постоянного тока;
- с непосредственной связью.
Всем им присуще ряд достоинств и недостатков, обуславливающих сферу эффективного использования каждого из них.
Непосредственные частотные преобразователи
Они принадлежат к наиболее ранним аппаратам с упрощенной силовой частью,представляющей собой выпрямитель на тиристорах.
Система управления по очереди отмыкает групповые тиристоры и подключает обмотки электродвигателя к сети питания. Непосредственные – это реверсивный тиристорный частотник. Основное его преимущество заключается в том, что он подключается напрямую в сеть без добавочных устройств.
Таким манером получается, что U вых частотника образуется из усеченных отрезков синусоид U вых. На рисунке приведён пример сформировавшегося U вых для одной из фаз нагрузки. На вход тиристоров подаётся 3-х фазное синусоидальные составляющие Uа, Uв, Uс. Напряжение U вых представляется несинусоидальной «пилообразной» формой, которая в аппроксимированном виде выглядит как синусоида (жирная кривая). На чертеже показано, что частота U вых не может быть равной либо превышать частоту сети питания. Поэтому и невелик диапазон управления частоты вращения электродвигателя (менее 1: 10). Ограничивающие пределы не дают возможность использовать подобные частотные преобразователи в навороченных ЧРП. Последние рассчитаны на широкий диапазон регулировкипоказателей.
Применение тиристоров в большей степени усложняет систему управления, и поэтому этого стоимость преобразователя частоты увеличивается.
Выходная «усеченная» синусоида частотника – это источник высокочастотных гармоник, вызывающих добавочные потери в электродвигателе, перегревание электромашины, уменьшение момента, мешающие работе шумы в сети питания. Использование компенсирующих приспособлений повышает цену, массу, размеры, понижает КПД всей системы.
Тем не менее, непосредственные частотные преобразователи радуют пользователей своими определёнными достоинствами. К ним относятся:
- достаточно большой КПД, достигаемый одним преобразованием электроэнергии;
- работа в различных режимах, включая с рекуперацией энергии в сеть;
- надежность, относительная дешевизна, полная управляемость и удобство;
- наличие возможности неограниченного наращивания мощности системы;
Такие схемы применяются в электроприводах выпуска прошлых лет. В новых конструкциях они на практике не разрабатываются.
Критерии выбора частоты
На практике частота ШИМ может задаваться пользователем, как правило, в пределах от 1 до 15 килогерц. Для того чтобы получить напряжение по форме более-менее близкой к синусоидальной, частота ШИМ должна быть в 20-30 раз больше максимальной выходной частоты, которую вы хотите получить.
Вы можете выбрать частоту ШИМ произвольно под свою конкретную задачу. Есть несколько параметров, которые определяют выбор.
Рис.7. Параметры, влияющие на выбор частоты ШИМ
1. Длина кабеля до двигателя. Чем длиннее кабель, тем меньшую частоту ШИМ можно задать. Например если у вас длина кабеля 100 метров и больше, то частоту ШИМ больше 2,3 килогерц нет смысла ставить, иначе на этой длине будут большие потери и напрасный расход мощности.
2. Акустический шум двигателя. При питании двигателя от преобразователя частоты слышится посторонний шум. Он зависит именно от частоты ШИМ, которую вы задали. Чем она выше, тем выше тон звука. Если задана чистота более 8,10 килогерц, шума практически не слышно. На более низких частотах (1,3,5 килогерц) этот шум значителен и вызывает дискомфорт.
3. Максимальная выходная частота. Большинство двигателей используют максимальную выходную частоту инвертора 50 гц, поэтому здесь частота ШИМ должна быть не менее чем в 20 раз выше. Здесь можно задавать частоту 1, 2, 3, 5 килогерц из всего диапазона.
Если вы используете высокоскоростной двигатель, например 400-герцевый, то здесь уже частоту ШИМ 1,3,5 килогерц ставить не стоит: на выходе будет не синусоида. Для таких скоростных двигателей частота ШИМ выбирается максимально возможной для данного инвертора, скажем, 15 килогерц.
4. Тепловыделение инверторной части преобразователя. Оно связано с тем, что IGBT-транзисторы, которые формируют выходное напряжение, не идеальны, подвержены разогреву в процессе работы. Для того чтобы эффективно отводить тепло, надо применять соответствующие радиаторы, вентиляторы охлаждения. Чем больше тепловыделение в этой инверторной части, тем более мощные приборы для охлаждения надо использовать.
Частотные преобразователи со звеном постоянного тока
Это устройства, выполненные по транзисторной или тиристорной схеме. Однако их основная отличительная особенность состоит в том, что корректная и безопасная работа частотника требует наличия звена постоянного напряжения. Поэтому для подключения их к промышленной сети требуется выпрямитель. Обычно, применяются комплектное оборудование, состоящее из частотного преобразователя и выпрямителя, регулируемые от одной системы управления.
В ПЧ этой группы применяется двухступенчатое преобразование электроэнергии: синусоидальное U вх с f = const выправляется в выпрямителе (В), отфильтровывается фильтром (Ф), разглаживается, и далее заново преобразуется инвертором (И) в U ̴. Ввиду двухступенчатого преобразования электроэнергии снижается КПД и несколько ухудшаются массогабаритные показателив сравнении с преобразователями частоты с непосредственной связью.
Для создания синусоидального U ̴ самоуправляющиеся преобразователи частоты. В качестве ключевой базы в них используются усовершенствованная тиристорная и транзисторная основа.
Основным преимуществом тиристорной преобразовательной аппаратуры считается возможность оперироватьс большими параметрами сети, с выдерживанием при этом продолжительной нагрузки и импульсных воздействий. Аппараты обладают более высоким КПД.
Частотные преобразователи на тиристорах на сегодня превосходят остальные высоковольтные приводы, мощность которых исчисляется десятками МВТ с U вых от 3до 10 кВ и более. Однако и цена на них соответственно наибольшая.
Преимущества:
- наибольший КПД;
- возможность использования в мощных приводах;
- приемлемая стоимость, невзирая на внедрение добавочных элементов.
Промежуточная цепь
Промежуточная цепь выполняет роль своеобразного хранилища, из которого электродвигатель получает энергию через инвертор. В зависимости от комбинации инвертора и выпрямителя промежуточная цепь может иметь одну из следующих формаций:
- Инвертор-источник питания. В данном случае промежуточная цепь имеет в составе мощную индуктивную катушку, которая преобразует напряжение выпрямителя в изменяющийся постоянный ток. Само напряжение двигателя определяется по нагрузке. Такой тип цепей может работать только с управляемыми выпрямителями.
- Инверторы — источники напряжения. В данном случае в промежуточной цепи используется фильтр, в состав которого входит конденсатор. Он сглаживает напряжение, поступающее от выпрямителя. Такие цепи способны работать с любыми типами выпрямителей.
- Цепь изменяющегося постоянного напряжения. В данном случае перед фильтром устанавливается прерыватель, в котором имеется транзисторы, выключающий и включающий подачу напряжения от выпрямителя. В данном случае фильтр обеспечивает сглаживает прямоугольные напряжения после прерывателя, а также поддерживает постоянное напряжение на заданной частоте.
Принцип действия преобразователя частоты
Первооснову привода определяет инвертор двойного преобразования. Принцип действия заключается в том, чтобы:
- входной переменный токсинусоидального типа 380 либо 220В выпрямляется блоком диодов;
- потом фильтруется посредством конденсаторов для минимизации пульсации напряжения;
- дальше напряжение подаётся на микросхемы и мосты транзисторов, создающие из него 3-х фазную волнус установленными параметрами;
- на выходе прямоугольные импульсы превращаются в синусоидальное напряжение.
Как подключить и настроить преобразователь частоты?
Общая схема подключения асинхронного электродвигателя с применением частотного преобразователя в принципе не сложная, так как вся основная разводка заключается в корпусах приборов. Для технаря, владеющего практикой, разобраться в ней не составит сложности. В схеме место для преобразователя выделяется сразу после автоматического выключателя с номинальным током, равным номиналу электрического двигателя. При монтаже преобразователя в 3-х фазную сеть необходимо задействовать трехполюсный автомат,имеющий общий рычаг. При перегрузке это позволит мгновенно отключить все фазы от сети электроснабжения. Ток срабатывания должен быть равным току одной фазы электродвигателя. При однофазном питании, следует выбирать автоматический выключатель, с утроенным значением тока одной фазы.
Во всех случаях, монтаж инвертора должен осуществляться с включением автоматических выключателей в разрыв нулевого или заземляющего провода.
Практически настраивать частотный преобразователь – это значит, проводить подключение жил кабеля к видимым контактам электрического двигателя. Конкретное соединение определено характером напряжения, вырабатываемого непосредственно преобразователем частоты. Для 3-х фазных сетей на промышленных объектах электродвигатель подсоединяется «звездой» — этой схемой подразумевается параллельное подсоединение проводов обмоток. Для бытового применения в однофазных сетях применяется схема «треугольник» (где U вых не превышает U ном больше чем на 50%).
Пульт управления необходимо располагать втам, где будет комфортно пользоваться. Схема подключения пульта обычно отображена в пользовательской инструкции к частотному преобразователю. Перед установкой, до подачи электропитания рычаг нужно перевести в положение «выключено». После того должна загореться соответствующая индикаторная лампочка. По умолчанию для пуска аппарата требуется нажать на клавишу «RUN». Для плавного наращивания оборотов электродвигателя нужно не торопясь повернуть рукоятку пульта. При обратном вращении необходимо переустановить режим посредством кнопки реверса. Сейчас уже можнобудет перевести рукоятку в рабочее положение и установить требуемую скорость вращения. Стоит заметить, что на управляющих пультах отдельных ПЧ указывается не механическая частота вращения, а частота питающего напряжения.
Комплектация регулируемого привода
Частотный преобразователь формируется из трёх компонентов:
- Управляемый, либо неуправляемый выпрямитель, отвечающий за формирование напряжения ПТ (постоянного тока), поступающего от питания.
- Фильтр (в виде конденсатора), осуществляющий дополнительное сглаживание напряжения.
- Инвертор, моделирующий напряжение нужной частоты.
Самостоятельное подключение преобразователя
Перед тем, как приступать к подключению устройства следует воспользоваться обесточивающим автоматом, он обеспечит отключение всей системы в случае короткого замыкания на любой из фаз.
Существует две схемы соединения электродвигателя с частотным преобразователем:
- «Треугольник».
Схема актуальна, если требуется управлять однофазным приводом. Уровень мощности преобразователя в схеме при этом составляет до трёх киловатт, а мощность не теряется.
- «Звезда».
Способ, подходящий для подключения клемм трёхфазных частотников, питаемых промышленными трёхфазными сетями.
На рисунке схема подключения частотника 8400 Vector
Для ограничения пускового тока и снижения пускового момента при запуске электрического двигателя по мощности превосходящего 5 кВт, применяется переключение «звезда-треугольник».
Когда на статор пускается напряжение, то фигурирует подключение устройства по типу «звезда». Как только значение скорости двигателя начинает соответствовать номинальному, поступление питания осуществляется по схеме «треугольник». Но этот приём используется, только когда технические возможности позволяют подключаться по двум схемам.
В объединённой схеме «звезды» и «треугольника» наблюдаются резкие скачки токов. При переходе на второй тип подключения показания по вращательной скорости значительно уменьшаются. Для восстановления прежнего режима работы и частоты оборотов следует осуществить увеличение силы тока.
Наиболее активно применяются частотники в конструкции электрического двигателя с уровнем мощности 0,4 — 7,5 кВт.
Сборка преобразователя частот своими руками
Одновременно с промышленным производством частотных преобразователей, остаётся актуальной сборка подобного устройства своими руками. Особенно этому способствует относительная простота процесса. В результате работы инвертора производится преобразование одной фазы в три.
Применение в бытовых условиях электрических двигателей, имеющих в комплектации подобное устройство, не вызывает никаких дополнительных затруднений. Поэтому можно смело браться за дело.
На рисунке структурная схема частотных преобразователей со звеном постоянного тока.
Схемы частотного преобразователя, используемые при сборке, состоят из выпрямительного блока, фильтрующих элементов (отвечающих за отсечение переменной составляющей тока и конструируемых из IGBT-транзисторов). По стоимости покупка отдельных компонентов преобразователя и выполнение сборки своими руками обходится дешевле, чем приобретение готового устройства.
Применять самосборные частотные преобразователи можно в электродвигателях имеющих мощность 0,1 — 0,75 кВт.
В то же время, современные заводские частотники имеют расширенную функциональность, усовершенствованные алгоритмы и улучшенный контроль безопасности рабочего процесса ввиду того, что при их производстве используются микроконтроллеры.
Сферы применения преобразователей:
- Машиностроение;
- Текстильная промышленность;
- Топливно-энергетические комплексы;
- Скважинные и канализационные насосы;
- Автоматизация управления технологическим процессом.
Стоимость электродвигателей находится в прямой зависимости от того, есть ли в его комплектации преобразователей.
Классификация частотников
По величине и типу электропитания различают инверторы нескольких видов:
- однофазные;
- трёхфазные;
- высоковольтные агрегаты.
Полупроводниковые частотные преобразователи производят преобразование тока или напряжения промышленной сети. Выходные параметры необходимого сигнала свободно регулируются элементами управления.
Ради чего нужен преобразователь частоты?
Применение задвижек и регулирующих клапанов в производстве постепенно уходит в прошлое. Пришедшие им на замену асинхронные двигатели выгодно отличаются высокой производительностью и мощностью, но также не лишены характерных недостатков. К примеру, контроль над скоростью вращения ротора требует оснащения добавочными элементами. Пусковые токи превышают номинальные до семи раз. Такая ударная перегрузка отражается на сроке службы агрегата.
Высокоэкономичное функционирование насосов основывается на постоянной регулировке таких технических показателей как температура, давление и расход воды. Оптимизация работы дымососов и вентиляторов требует регулировки температурного режима, давления воздуха и разреженности газов. Экономичность использования станков предусматривается регулировкой скорости вращения двигателя. В конвейерной специфике работы важной особенностью является производительность. Специальные частотные агрегаты предназначены для решения подобных задач.
Для фирмы и предприятий частные преобразователи необходимы в плане:
- экономии энергетических ресурсов;
- долгосрочности службы механической и электрической части технологического оборудования;
- уменьшения денежных затрат на плановые ремонтно-предупредительные процедуры;
- ведения оперативного управления, принципиального контроля за техническими параметрами и т. п.
Использование частотного привода повышает техническую эффективность производства еще и за счёт высвобождения некоторого оборудования.
Отрасли применения ЧРП
Список отраслей получается обширным, сложнее найти отрасль, где бы не применялись ЧП:
Нефтедобыча и переработка
: насосное оборудование, привод аппаратов воздушного охлаждения (АВО) и градирен, комплексная автоматизация различных технологических линий.
Металлургия
: приводы рольгангов, конвейеров, прокатных станов, наматывающих устройств волочильных станов, насосов, вентиляторов.
Машиностроение
: привод обрабатывающих станков, насосы, конвейерные линии, полиграфические машины.
Горнодобывающее и обогатительное производство
: дробилки, мешалки, конвейеры, песковые и пульповые насосы.
Химическая промышленность
: насосы, мешалки, грануляторы, экструдеры, центрифуги, приводы дымососов и вентиляторов, АСУ.
Пищевая промышленность
: грануляторы, экструдеры, мельницы, дробилки, куттеры, жом-прессы, этикетировочные аппараты, конвейеры, технологические линии, насосы, вентиляторы.
ЖКХ
: различное насосное оборудование, АСУ.
Стройкомплекс
: краны, подъемные механизмы.
Транспорт
: судовой привод, электротранспорт.
Где используются частотные преобразователи?
Аппаратура широко применяется в промышленных и устройствах, где необходимо изменение скорости вращения двигателя, мероприятия по борьбе с амплитудными пусковыми токами или корректирование в регулирующих деталях (комбинации элементарных преобразователей с использованием обратной связи) и т. п. Рассмотрим их применение по мере востребованности:
Насосы. Поскольку потребляется мощность, пропорциональна, как известно, кубу скорости вращения, то использование преобразователя частоты позволяет сэкономитьпотребление электроэнергии до 60 %, в сравнении с методом регулировки мощности посредством заслонок на трубе. Годовое использование частотного преобразователя окупает все затраты на его приобретение. Аппараты позволяют также:
- снижать тепловые и водные потери на 5 — 10 %,
- уменьшать количество аварий на трубопроводах;
- обеспечить полноценную защиту электрического двигателя.
Дополнительным преимуществом является решение проблемы с гидроударами: работающие ПЧ сглаживают пуск/останов насоса. На модернизированных насосных станциях налажены системы, позволяющие управлять насосами групповым методом без необходимости в установке контроллера.
Вентиляторы. Все, вышесказанное для насосов, в полной мере имеет отношение и к вентиляторам. Что касается экономии потребления электричества, она здесь еще более значительна, так как в целях прямого пуска больших вентиляторов зачастую используются более мощные двигательные агрегаты. Усовершенствование технологических установок приводит к повышению рентабельности производства. Экономичность достигается и за счёт уменьшения потерь холостого хода.
Транспортеры. Адаптация скорости перемещения к скорости технологической системы, не являющейся постоянной величиной. Плавный запуск значительно увеличивает ресурс механической части системы, так как ударные нагрузки наносят вред техническому оборудованию.
Область использования преобразователей частоты довольно обширна. Среди управляемых инверторов насосного типа небольшой мощности можно выделить также центробежные насосы, компрессоры, центрифуги, воздуходувки и т. д.
К общепромышленной серии управляемых ЧРП частотников средней мощности относятся двигатели в вентиляторах, дымососах, в системах водоснабжения, смесителях, дозаторах, производственных линиях.
Трудно представить без векторного управления с помощью преобразователей лифтовое и другое подъемно-транспортное оборудование со значительными перегрузками при пуске/остановке.
Использование ПЧ с обратной связью позволяет обеспечить точность скорости вращения, что станет залогом улучшения качества технологического процесса и решения поставленных задач. Известные производители имеют ряд моделей, ориентированных на рабочий режим в замкнутой системе. Техника рекомендована к использованию в деревообрабатывающей промышленности, робототехнике, системах точного позиционирования и др.
Вся перечисленная техника может управляться с помощью преобразователей с аналогово-цифровыми входами/выходами для регулирования, дистанционным контролем и мониторингомпо последовательной линии связи.
Контроллер
ПЧ для лифта никогда не работает без контроллера верхнего уровня. Контроллер воспринимает сигналы с клавиатуры (панели управления) пользователя, с датчиков, концевых выключателей и других органов управления. После обработки полученных команд он выдает сигналы управления на частотный преобразователь – Пуск, Стоп, сигналы изменения скорости.
Преобразователь частоты – важная часть лифтового оборудования, обеспечивающая комфорт и безопасность использования лифта. ПЧ невозможно рассматривать отдельно, поскольку на его выбор и настройку влияют электрические и механические параметры других компонентов лифтовой системы.
Другие полезные материалы:
Каскадное управление насосами Настройка устройства плавного пуска Охлаждение преобразователя частоты
Другие преимущества частотников:
- плавное регулирование скорости вращения двигателя даёт возможность не применять редукторы, вариаторы, дроссели и другую регулирующую аппаратуру, что делает структуру управления проще, дешевле и существенно надёжнее;
- частотники в составе с АД могут вполне использоваться для замены электроприводов постоянного тока;
- возможно создание многофункциональных систем управления приводами на базе ПЧ с контроллером;
- модернизация технологического конструктива может производиться без перерыва в работе.
Диапазон управления
Если скорость не снизится меньше 10% от номинального диапазона, то можно применить любой преобразователь. В других случаях нужно убедиться, может ли преобразователь серии номинальной работать с двигателем на малых оборотах. Асинхронный мотор охлаждает сам себя встроенным вентилятором на валу. При уменьшении скорости охлаждение ухудшается. Многие преобразователи векторного управления режимом имеют встроенные опции контроля температуры через датчик.
