Оптимальный выбор преобразователя частоты сводится к соответствию его функциональности техническим характеристикам электродвигателя. Правильный подбор частотного преобразователя обеспечит надёжную и долговременную эксплуатацию вашего электрооборудования.

1. ВЫБОР ТИПА НАГРУЗКИ

Обычно способность к перегрузкам указывается в процентах от номинального тока совместно с максимально допустимым временем

действия данной перегрузки до активации непосредственной защиты. Таким образом, для правильного выбора нужно знать характер перегрузок именно вашего механизма, в частности: каков уровень перегрузок, какова их длительность и как часто они появляются. Наиболее распространены 2 типа нагрузок:

• с постоянным нагрузочным моментом («ПМ») в рабочем диапазоне скоростей (конвейеры, лифты, экструдеры и т.п.). Для данного типа нагрузки характерны перегрузки до10...50%.
• с квадратичным нагрузочным моментом («КМ») в рабочем диапазоне скоростей (насосы, вентиляторы, лопастные компрессоры). Для данного типа агрегатов характерны перегрузки не более 10%. Благодаря тому, что в агрегатах с квадратичным нагрузочным моментом не бывает перегрузок, на данные агрегаты допускается установка ПЧ более низкого типономинала.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОМИНАЛЬНОГО ТОКА ДВИГАТЕЛЯ И НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ

Определение номинального тока и напряжения - очень важный вопрос. Наиболее распространенный случай - это питание от трехфазной промышленной сети 380В, но есть случаи, когда привод рассчитан на работу от однофазной сети 220-240В. Как правило, такие приводы ограничиваются рядом мощностей до 3,7 кВт. Существуют варианты и высоковольтного привода с возможностью управления более мощными двигателями, с мощностями измеряющимися уже в МВт, при относительно меньших значения тока.

Необходимо определить номинальный выходной ток ПЧ. Он должен быть равен, либо превышать номинальный ток двигателя. В случае, если преобразователь частоты рассчитан для асинхронного двигателя, эксплуатируемого многие годы, мы рекомендуем выбирать частотник с заведомо завышенным выходным током.

3. ВЫБОР МОЩНОСТИ

Мощность - один из основных параметров электропривода. При выборе частотника, в первую очередь, следует определится с его нагрузочной способностью. В соответствии с имеющейся номинальной мощностью двигателя выбирается ЧП, рассчитанный на такую же мощность. И такой выбор будет являться правильным при условии, что нагрузка на валу не будет динамично изменяться, ток не будет значительно превышать номинальное установленное значение, как для данного двигателя, так и устройства распределения частоты. Поэтому более корректным было бы производить выбор по максимальному значению тока потребляемого электродвигателем от преобразователя с учетом перегрузочной способности последнего.

4. УСЛОВИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Наличие пыли и влажность определяют степень защиты (IP) преобразователя: IP00 / IP20 / IP21 / IP54

В случае эксплуатации преобразователей частоты в условиях повышенной влажности и агрессивной среды мы рекомендуем применять лакированные платы.

5. ТРЕБОВАНИЯ ПО ЭМС (по электромагнитной совместимости)

Преобразователи частоты могут быть изготовлены со встроенным фильтром ЭМС, либо предусматривают приобретение данного фильтра дополнительно.

6. БЫСТРОЕ ТОРМОЖЕНИЕ

Необходимость определяется наличием или отсутствием тормозного прерывателя и тормозного резистора. Для снижения скорости вращения электродвигателя до нуля используются три способа:

7. СЕТЕВОЙ ОБМЕН. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ

Для совместной работы электродвигателя и системы автоматического управления используются различные протоколы передачи данных. Наибольшее распространение получил протокол связи Modbus с интерфейсом RS-485, однако в зависимости от используемого оборудования вопрос об использовании того или иного протокола уточняется для каждого конкретного случая. Способ управления преобразователем определяется типом и количеством интерфейсных плат ЧП. Современные преобразователи могут работать в режимах «внешнего управления», когда преобразователь управляется внешними сигналами, «управления с пульта», «комбинированного управления» и «управления по последовательному интерфейсу». В современной технике наиболее распространены два управляющих (задающих) сигнала: 0-10 В и 4-20 ВПреобразователь частоты сам способен управлять скоростью вращения. Для этого в ПЧ встроен ПИД-регулятор, а также существует возможность подключения датчика обратной связи какого-либо технологического параметра.

Частотный преобразователь применяется вкупе с асинхронным двигателем, преобразуя в автоматическом режиме частоту переменного тока к требуемым параметрам. Таким образом прибор контролирует скорость и момент электродвигателей в непрерывном процессе. Используя электротехническое устройство, можно не только полностью автоматизировать производственные процессы, но и добиться существенной экономии электроэнергии – до 50%.

Современные преобразователи частоты

Рынок электротехнического оборудования представлен частотными преобразователями широкого спектра применения. Устройства могут быть как небольшой мощности, так и высоковольтными агрегатами. Современное оборудование обеспечивает непрерывное управления процессом в системах с асинхронными и синхронными двигателями.

Устройства управления частотой нашли широкое применение практически во всех отраслях промышленности и транспорта. Основная доля всей электроэнергии, производимой в мире, используется для работы электрических двигателей, а функция управления их работой возложена на частотные преобразователи.

Современные частотники применяются в качестве средств управления в следующих системах и оборудовании:

· конвейерные механизмы;

· подъемное оборудования (краны, лифты);

· насосы и системы очистки воды;

· станки промышленного назначения;

· вентиляторы.

Правильный выбор устройства по заранее заданным критериям позволит обеспечить непрерывную и стабильную работу привода и сократить затраты на электроэнергию.

Разновидности частотных преобразователей

В зависимости от условий эксплуатации частотник должен иметь соответствующие технические характеристики и должный уровень защиты. Так, в простейшем случае прибор со степенью защиты IP 20 имеет стандартный корпус, надежно защищающий от влаги и пыли. Химическая и горнодобывающая промышленность требует использование устройств со степенью защиты IP 54 и IP 65. Модульная архитектура частотных преобразователей позволяет настроить прибор под индивидуальные условия и воспользоваться дополнительными опциями.

Для асинхронных электродвигателей

Асинхронные силовые агрегаты по степени использования в промышленности и быту занимают лидирующие позиции. Ввиду конструктивных особенностей эти приводы имеют свои недостатки, для устранения которых и было, на самом деле, создано устройство управления скоростью. Правильно подобранный контролер частоты позволяет снизить пусковой ток почти на 80% и добиться плавного регулирования процесса вращения ротора.

Для вентиляторов

Частотный преобразователь в вентиляционных системах имеет первоочередную значимость. Благодаря ему изменение скорости и частоты вращения вентилятора производится мягко и непрерывно. Стабильная и автоматическая регулировка работы оборудования настраивается на основании заранее заданных параметров, куда обычно входят температура и влажность воздуха, концентрация сторонних веществ и др. Существует опция для настройки автоматического включения/отключения системы или ее отдельных узлов.

Частотные преобразователи для насоса (оборудования)

Основным рабочим элементом современных насосов является электродвигатель, работа которого регулируется посредством рядом механических устройств. В недавнем прошлом такими механизмами выступала запорно-регулирующая арматура (вентили, задвижки, затворы). В современных насосных системах регулировка потока жидкости осуществляется с помощью частотных преобразователей. На сегодня частотные преобразователи могут работать в паре с насосом точно так же как и электродвигателями, что в свою очередь, может продлить срок эксплуатации насосного оборудования в несколько раз.

Возможности преобразователя частоты

Функциональные возможности современных частотников существенно расширены и позволяют автоматизировать работу электроприводов даже в самых сложных условиях.

Работа при нестабильном напряжении

Не все электрические сети могут обеспечить подключенное оборудование стабильным питанием. В идеале, современные преобразователи правильно выполняют свои функции в диапазоне напряжения питающей цепи 380-460 В, допустимое отклонение – 10%. Модели частотников, представленные на странице позволяют сохранить работоспособность электродвигателя посредством автоматического перезапуска после кратковременного отключения (просадки) питания с плавным изменением скорости и момента мотора.

Работа на резонансных частотах

Собственная резонансная частота некоторых механизмов может вызывать недопустимые вибрации, часто являющиеся причиной выхода системы управления из строя. Благодаря функции исключения недопустимых частот работа частотника становится безопасной, а сам механизм защищен от возможной поломки.

Сетевой обмен

Для совместной работы электродвигателя и системы автоматического управления используются различные протоколы передачи данных. Наибольшее распространение получил протокол связи Modbus с интерфейсом RS-485, однако в зависимости от используемого оборудования вопрос об использовании того или иного протокола уточняется для каждого конкретного случая.

Оптимальный выбор преобразователя частоты сводится к соответствию его функциональности техническим характеристикам электродвигателя. На сайте компании «ЭНЕРГОПУСК» приведен огромный ассортимент электронных регулирующих устройств, где можно остановится на оптимальном выборе электротехнического прибора исходя из экономической целесообразности покупки и эксплуатации.

Мощность частотного преобразователя

Мощность является одним из наиболее основных параметров электропривода. При выборе частотника, в первую очередь, следует определится с его нагрузочной способностью. В соответствии с имеющейся номинальной мощностью двигателя выбирается ЧП, рассчитанный на такую же мощность. И такой выбор будет являться правильным при условии, что нагрузка на валу не будет динамично изменяться, ток не будет значительно превышать номинальное установленное значение, как для данного двигателя, так и устройства распределения частоты. Поэтому более корректным было бы производить выбор по максимальному значению тока потребляемого от ЧП с учетом перегрузочной способности последнего. Обычно способность к перегрузкам указывается в процентах от номинального тока совместно с максимально допустимым временем действия данной перегрузки до активации непосредственной защиты. Таким образом, для правильного выбора нужно знать характер перегрузок именно вашего механизма, в частности: каков уровень перегрузок, какова их длительность и как часто они появляются.

Напряжение сети для частотного преобразователя

Так же важным является вопрос о питающем напряжении. Наиболее распространенный случай - это питание от трехфазной промышленной сети 380В, но возможны варианты, когда привод рассчитан на работу от однофазной сети 220-240В. Как правило, последний ограничивается рядом мощностей до 3,7кВт. Существуют варианты и высоковольтного привода, дающие возможность управлять более мощными двигателями, с мощностями измеряющимися уже в МВт, при относительно меньших значения тока.

Каждый из вариантов применим для различного рода решений, и зависит как от возможностей электроснабжения, так и от ряда возможностей обусловленных применением соответствующего привода.

Диапазон регулирования частотного преобразователя

Если скорость не будет падать ниже 10% от номинальной, то подойдет практически любой частотник, но если нужно снижать скорость и далее, обеспечивая при этом номинальный момент на валу, нужно убедиться в способности частотного преобразователя двигателя обеспечить работу на частотах, близких к нулю. Кроме того, с диапазоном регулирования частоты вращения связан еще один вопрос, который требует решения, - охлаждение электродвигателя. Обычно асинхронный эл.двигатель (с самовентиляцией) охлаждается вентилятором, закрепленным на его валу, поэтому при снижении скорости эффективность охлаждения резко падает.

Некоторые электронные устройство для изменения частоты снабжены функцией контроля теплового режима с помощью обратной связи через датчик температуры установленного на самом двигателе. Существуют и другие варианты решения данного вопроса, но уже без использования данного устройства.

Необходимость режима торможения преобразователя частоты

Торможение выбегом (инерционное торможение), аналогично отключению двигателя от питающей сети, при этом процесс может занять продолжительное время. Особенно если это высокоинерционные механизмы. С помощью частотного распределения электроимпульса можно осуществить остановку или торможение с переходом на более низкую скорость работы за более короткий промежуток времени. Возможно несколько вариантов:

• отдать в сеть электроэнергию (режим рекуперативного торможения);
• выполнить остановку подачей на обмотки статора напряжения более низкой частоты или постоянного напряжения, тогда избыток запасенной кинетической энергии выделится в виде тепла через радиаторы преобразовывающие электроэнергию и сам двигатель (режим торможения постоянным током);
• выполнить остановку или торможение с использованием тормозного прерывателя и комплекта тормозных резисторов

Целесообразность применения того или иного метода рассматривается в основном с точки зрения экономической выгоды. Так рекуперация в сеть более выгодна в плане экономии электроэнергии, привод с использованием тормозного сопротивления - более дешевое техническое решение, торможение двигателем вообще не требует дополнительных затрат, но в свою очередь возможно только при малых мощностях.

Преобразователи частоты как способ управления электродвигателем

Некоторые механизмы могут управляться от задающего сигнала на условиях плавного изменения оборотов, а в некоторых случаях требуется работа на фиксированных скоростях. Причем, и в том и другом случае возможно управление, как с пульта управления ЧП, так и с использования клемм цепей управления электронного устройства плавно понижая или повышая ток, кнопок, переключателей и потенциометров.

При реализации последнего варианта необходимо убедиться в достаточном количестве требуемых входов. В случае использования внешнего управляющего устройства (контроллера, логического реле и т.д.), необходимо убедиться в согласовании по техническим параметрам. Обычно это токовые или вольтовый сигналы с диапазонами 0%u202620мА, 4%u202620мА и 0%u202610В соответственно. Если управление электропривода происходит по сети, то необходимы наличие соответствующего интерфейса и поддержка соответствующего протокола передачи данных.

Управление двигателем может проходить автоматически, для этого необходимо наличие ПИД-регулятора и возможность организовать обратную связь от датчика контролируемого параметра

Индикация параметров электропривода

В основном любой преобразователь изменения частоты имеет панель с дисплеем и необходимыми органами управления для проведения пуско-наладки и управления. Этот же дисплей в процессе функционирования возможно использовать для отображения каких-либо параметров.

Дисплеи могут отличаться количеством строчек, а значит, информативностью, типом самого дисплея (семисегментный индикаторный либо жидкокристаллический). В случае невозможности во время работы наблюдать параметры на дисплее самого эл.привода, используя аналоговые и дискретные (релейные, транзисторные) выходы, можно вывести необходимую информацию на пульт дистанционного управления.

Помимо индикации параметров (состояния «работа», «авария», «режим торможения», значение тока нагрузки, обороты двигателя, частота и напряжение питающей сети и др.) некоторые устройства имеют возможность формировать сигналы управления посредством тех же аналоговых и дискретных выходов, тем самым реализовывать более сложные системы управления.

Функции защиты

Кроме функций управления на электронное устройство изменения частоты обычно возлагаются функции защиты. Как правило, основным набором являются:

• ограничение тока при пуске, при продолжительной работе, при остановке и коротком замыкании;
• защита от перенапряжения и пониженного напряжения;
• контроль температуры двигателя;
• защита от перегрева радиатора;
• защита выходных IGBT.

Монтаж и установка частотного преобразователя

Важным моментом является выбор предполагаемого места установки частотного преобразователя, а отсюда условий его эксплуатации:

• ограничение тока при пуске, при продолжительной работе, при остановке и коротком замыкании
• диапазон рабочих температур
• влажность
• высотность
• вибрации
• степень защиты (IP)

Компактность в некоторых случаях является решающим фактором на этапе выбора. Каковы габариты устанавливаемого привода и способ установки? Возможно ли радиаторы силовой части ЧП вынести на тыльную часть, обеспечив при меньших габаритах шкафа достаточную вентиляцию?

Информация об условиях окружающей среды является неотъемлемой частью технических характеристик, при выборе частотного преобразователя, и не соблюдение их при установке может привести к выходу его из строя. В процессе установки возникает множество вопросов, но это одни из первых с которыми приходится столкнуться.

Функциональные возможности

Современные электроприводы имеют множество функциональных возможностей. Перечислим часто встречающиеся по мере их важности.

Работа при нестабильном питании .

Это актуальный параметр особенно при использовании в России. Отсюда вопрос: «каков допустимый диапазон питающего напряжения?». Хорошим диапазоном напряжения питающей сети для современных частотников является 380-460 В с отклонением ±10%. Следует уточнить каковы действия частотного преобразователя при просадке или полном отключении питания на короткое или очень короткое время?

Возможно ли сохранение работоспособности с пропорциональным изменением скорости, момента двигателя, автоматический перезапуск после восстановления питания, подхват скорости работающего двигателя при повторном пуске после пропадания питания и т.д. Если имеющиеся функциональные возможности обеспечивают допустимый режим работы механизма с сохранением его работоспособного состояния, то можно считать, что вопрос о нестабильном питании для вас снят, в противном случае стоит либо решить вопрос с электроснабжением, либо задуматься о выборе другого оборудования.

Исключение работы на резонансных частотах .

Некоторые механизмы имеют собственные резонансные частоты при работе на которых наблюдаются недопустимые вибрации, что может привести к поломке оборудования. В таких случаях функция исключения недопустимых частот в преобразователе позволит обезопасить механизм от его преждевременного выхода из строя.

Сетевой обмен .

Обычно требуется либо включить привод в систему автоматического управления, либо предусмотреть перспективу такого использования систем изменения частоты электрического тока в будущем. Для этого необходимо разобраться со стандартом и протоколом связи.

В настоящее время существует большое их разнообразие, позволяющее сделать работу в режиме САУ наиболее оптимальной. Отличаться они могут удаленностью, количеством связываемых объектов и помехозащищенностью.

Наиболее распространенный вариант %u2013 это интерфейс RS-485 и протокол передачи данных Modbus, но для согласования работы в составе системы автоматического управления этот вопрос следует более подробно уточнить у поставщика либо у производителя.

Автоматическая настройка .

На сегодняшний день выбор электроприводов довольно велик, но еще встречаются простейшие модели в которых не производится настройка под параметры двигателя, а точнее его обмотки. В более поздних моделях требуется вводить ряд дополнительных справочных данных.

Частотные преобразователи имеют возможность провести так называемый идентификационный пуск (режим автонастройки), при котором еще до пуска, либо уже у вращающегося двигателя параметры обмоток определяются автоматически. Если на выбираемом приводе предполагается реализовать прецизионную систему управления, то этот вопрос является особенно актуальным.

Принцип управления ЧП .

В наиболее распространенном частотно-регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются скалярное и векторное управление.

Скалярное управление строится на принципе постоянства отношения выходного напряжения частотного преобразователя к его выходной частоте. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента электродвигателя текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность электромотора.

Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электрической машиной. Скалярное управление применимо для большинства практических случаев использования частотного электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения до 1:40 .

Векторное управление, в свою очередь, позволяет существенно повысить точность поддержания выходной частоты, точность регулирования по скорости, а также точность поддержания момента. Так же отличительной особенностью векторного регулирования является возможность управлять моментом на валу мотора при его работе на частотах близких к нулю. Возможность использования нескольких наборов параметров. Последнее поколение преобразователей имеет функциональную возможность выбирать различные комбинации настроек для нескольких режимов работы одного и того же электромеханического преобразователя или для нескольких, имеющих различные технические параметры.

Количество функций описанных выше - малая часть из их огромного множества, исчисляемого уже сотнями в оборудовании последнего поколения. Выбирать необходимые нужно исходя из тех требований, которые диктуют предполагаемые области их применения. Вряд ли этап подбора частотного преобразователя ограничивается решением выше указанных вопросов, но это те из них с которыми приходится столкнуться на первоначальном этапе.

Выбор частотника, как высокотехнологичного оборудования, сам по себе не прост и в конечном итоге сводится к экономической целесообразности приобретения и использования. Отсюда, не стоит слишком завышать требования и тем самым переплачивать за неиспользуемые опции, и в тоже время отказываться от необходимых, в надежде сделать механизм, привод и систему в целом работоспособными.

Выбор преобразователя частоты

При определении характеристик преобразователя частоты для заданной нагрузки первым шагом является рассмотрение нагрузочных характеристик. Существуют четыре различных способа расчета требуемых выходных параметров, при этом выбор способа зависит от характеристик электродвигателя.

Нагрузочные характеристики

Прежде чем определить типоразмер преобразователя частоты, необходимо провести различие между двумя наиболее широко используемыми нагрузочными характеристиками. Нагрузочные характеристики различаются между собой следующим образом:

Рис. 1. Постоянный и квадратичный нагрузочный момент

Когда скорость центробежных насосов и вентиляторов увеличивается, потребляемая мощность возрастает в третьей степени (Р = n 3).

Обычный рабочий диапазон центробежных насосов и вентиляторов лежит в пределах скоростей от 50 до 90 %. Коэффициент нагрузки возрастает пропорционально квадрату скорости, т. е. приблизительно от 30 до 80 %.

Оба эти фактора проявляются в характеристиках крутящего момента электродвигателя, управляемого преобразователем частоты.

На рис 2 и 3 показаны характеристики крутящего момента для двух типоразмеров преобразователей частоты, один из них (рис. 3) имеет меньший диапазон мощности, чем другой. Для обеих характеристик крутящего момента были заданы одинаковые нагрузочные характеристики центробежного насоса.

На рис. 2 весь рабочий диапазон насоса (0-100 %) находится в пределах номинальных значений параметров двигателя. Поскольку обычный рабочий диапазон насоса находится в пределах 30-80 %, можно выбрать преобразователь частоты с меньшей выходной мощностью.

Рис. 2. Преобразователь частоты большой мощности

Рис. 3. Преобразователь частоты малой мощности

Если нагрузочный момент постоянен, электродвигатель должен быть способен развивать крутящий момент, превышающий нагрузочный момент, поскольку избыточный крутящий момент используется для разгона.

Для разгона и обеспечения высокого начального момента, например в случае привода ленточных транспортеров, достаточен кратковременный перегрузочный момент, составляющий 60 % от момента, развиваемого преобразователем частоты. Перегрузочный крутящий момент также обеспечивает системе способность преодолевать внезапные увеличения нагрузки. Преобразователь частоты, который не допускает никакого перегрузочного момента, должен выбираться таким образом, чтобы ускоряющий крутящий момент (T B) находился в пределах номинального крутящего момента.

Рис. 4. Перегрузочный крутящий момент используется для разгона

При определении нагрузочных характеристик рассматриваются четыре разных набора технических характеристик электродвигателя, позволяющие принять решения относительно выбора типоразмера преобразователя частоты по мощности.

1. Преобразователь частоты можно выбрать быстро и точно на основе значения тока l M , который потребляет электродвигатель. Если электродвигатель загружается не полностью, его ток может быть измерен при работе аналогичной системы с полной нагрузкой.

Рис. 5.

Электродвигатель 7,5 kW, 3 х 400 В потребляет ток 14,73 А.

Что касается технических данных преобразователя частоты, то выбирается такой преобразователь, у которого длительный максимальный выходной ток больше или равен 14,73 А при постоянной или квадратичной характеристике крутящего момента.

Примечание:

Если преобразователь частоты выбирается на основе мощности (способы 2-4), необходимо сравнить расчетную мощность и мощность, указанную в технических данных преобразователя частоты, при одном и том же напряжении. Если преобразователь частоты рассчитывается на основе тока (способ 1), этого не требуется, поскольку выходной ток преобразователя частоты влияет на другие данные.

2. Преобразователь частоты можно выбирать на основе полной мощности S M , потребляемой электродвигателем и полной мощности, подаваемой преобразователем частоты.

Рис. 6.

Пример расчета и выбора преобразователя частоты:

Электродвигатель 7,5 kW, 3x400 В потребляет ток 14,73 А. Sm =U х I х √3 / 1000 = 400 х 14.73 √3 / 1000= 10,2 кВА

Что касается технических данных преобразователя частоты, то выбирается такой преобразователь частоты, у которого длительная максимальная выходная мощность больше или равна 10,2 кВА при постоянной или квадратичной характеристике крутящего момента.

3. Преобразователь частоты можно также выбирать по мощности Р м, вырабатываемой электродвигателем. Однако данный способ является неточным, поскольку cos φ и коэффициент полезного действия η изменяются с нагрузкой.

Рис. 7.

Пример расчета мощности электродвигателя

Электродвигатель мощностью 3 кВт, имеющий cos φ = 0,80 и η = 0,81, потребляет мощность S M = P M /(η х cos φ) = 3,0 / (0,80 х 0,81)=4,6 кВА

Что касается технических данных преобразователя частоты, то выбирается такой преобразователь, у которого длительная максимальная выходная мощность больше или равна 4,6 кВА при постоянной или квадратичной характеристике крутящего момента.

4. На практике номинальная мощность большинства преобразователей частоты соответствует стандартной серии асинхронных электродвигателей. Поэтому преобразователи частоты часто выбирают исходя именно из этого соображения, что, однако, может привести к неточному определению их характеристик, особенно если электродвигатель не нагружается полностью.

Рис. 8.

Распределение тока в преобразователе частоты (cos φ (фи) электродвигателя)

Ток для намагничивания электродвигателя подается конденсатором, находящимся в промежуточной цепи преобразователя частоты. Ток намагничивания представляет собой реактивный ток, который протекает между конденсатором и электродвигателем (рис. 9).

Рис. 9. Токи в преобразователе частоты

Из сети поступает только активный ток (l W). Именно поэтому выходной ток преобразователя частоты всегда больше входного тока. Кроме активного тока из сети потребляется ток I loss , (ток потерь).

Пример расчета

При отсутствии нагрузки ток 4-полюсного электродвигателя мощностью 1,1 кВт равен 1,6 А. Выходной ток подключенного преобразователя частоты составляет около 1,6 А, а входной ток при работе без нагрузки почти равен нулю.

Изготовители электродвигателей обычно указывают cos φ электродвигателя при номинальном токе. При меньшем значении cos φ (например, в случае реактивного синхронного электродвигателя) номинальный ток электродвигателя при одинаковых значениях мощности и напряжения будет больше, как видно из следующего уравнения:

I S = I W / cos φ

Если преобразователь частоты выбирается по номинальному току электродвигателя (способ 1), то снижения номинального крутящего момента электродвигателя не происходит.

Конденсатор, подключенный к клеммам электродвигателя для компенсации реактивного тока, необходимо удалить. Ввиду высокой частоты коммутации преобразователя частоты конденсатор ведет себя как короткозамкнутая цепь и вызывает существенное увеличение тока электродвигателя. Преобразователь воспримет это как замыкание на землю или короткое замыкание и отключится.

Управление скоростью электродвигателя

Выходная частота преобразователя частоты и, следовательно, скорость электродвигателя управляются одним или несколькими сигналами (0-10 В, 4-20 мА или импульсами напряжения). Когда подается сигнал на увеличение скорости, скорость электродвигателя возрастает, и вертикальная часть характеристик крутящего момента электродвигателя сдвигается вправо (рис. 10).

Рис. 10. Зависимость между управляющим сигналом и характеристиками крутящего момента электродвигателя

Если нагрузочный момент меньше, чем номинальный крутящий момент электродвигателя, скорость достигнет требуемого значения. Как показано на рис. 11, нагрузочные характеристики пересекаются с характеристиками крутящего момента электродвигателя в вертикальной части (в точке А). Если пересечение происходит в горизонтальной части (точка В), скорость электродвигателя не может длительное время превышать соответствующее значение, Преобразователь частоты допускает превышение предельного тока короткого замыкания без отключения (точка С), но продолжительность превышения обязательно должна быть ограничена по времени.

Рис. 11. Ток электродвигателя может в течение короткого времени превышать предел по току

Рампы разгона и торможения

Характеристика (рампа) разгона показывает темп, с которым происходит увеличение скорости вращения, и задается в виде времени разгона t acc . Эти рампы базируются, главным образом, на номинальной частоте электродвигателя, например, рампа разгона 5 с означает, что преобразователю частоты потребуется 5 секунд для перехода от нулевой до номинальной частоты электродвигателя (f = 50 Гц).

Рис. 12. Время разгона и торможения

Рампа торможения показывает, насколько быстро снижается скорость. Она задается в виде времени торможения t dec .

Возможен непосредственный переход от разгона к торможению, поскольку электродвигатель всегда отслеживает выходную частоту инвертора.

Если известен момент инерции вала электродвигателя, можно вычислить оптимальные значения времени разгона и торможения.

t acc = J x (n 2 -n 1)/[(T acc – T fric) x 9,55]

tdec = J x (n 2 -n 1)/[(T acc + T fric) x 9,55]

J - момент инерции вала электродвигателя.

T fric – момент трения системы.

Т асс - избыточный (перегрузочный) момент, используемый для разгона.

T dec - тормозящий момент (момент торможения), который возникает при уменьшении задания скорости.

n 1 и n 2 - скорости вращения на частотах f 1 и f 2 .

Если преобразователь частоты допускает кратковременный перегрузочный момент, то моменты разгона и торможения устанавливаются равными номинальному крутящему моменту электродвигателя Т. На практике время разгона и время торможения обычно одинаковы.

Пример расчета

J = 0,042 кгм 2 , T fric = 0,05 x M N , n 1 = 500 об/мин, n 2 = 1000 об/мин, Т N = 27 Нм

tacc = J х (n 2 – n 1)/ [(Т асс - T fric) х 9,55] = 0,042 х (1000 - 500)/ [(27,0 - (0,05 х 27,0)) х 9,55] = 0,1 [с]

Динамическое торможение

Когда сигнал задания скорости снижается, электродвигатель ведет себя как генератор и тормозит. Замедление при торможении зависит от величины нагрузки электродвигателя.

Электродвигатели, подключенные непосредственно к сети, отдают мощность торможения обратно в сеть.

Если электродвигатель работает от преобразователя частоты, энергия торможения сохраняется в промежуточной цепи преобразователя частоты. Если мощность, выделяемая при торможении, велика и преобразователь частоты не может рассеять ее за счет собственной конструкции, напряжение промежуточной цепи возрастает.

Напряжение промежуточной цепи может расти до тех пор, пока преобразователь частоты не будет отключен средствами защиты, и иногда к промежуточной цепи приходится подключать нагрузку в виде тормозного модуля и внешнего резистора для поглощения мощности торможения.?

Использование тормозного модуля и тормозного резистора позволяет осуществлять быстрое торможение при больших нагрузках. Однако, при этом возникают проблемы, связанные с нагревом. Другим решением является использование блока рекуперативного торможения. Такие блоки применяются для преобразователей частоты с неуправляемым выпрямителем и возвращают энергию торможения в питающую сеть.

В преобразователях частоты с управляемыми выпрямителями мощность торможения может возвращаться в сеть (см. рис. 13) с помощью, например, инвертора, подключенного к выпрямителю встречно-параллельно.

Рис. 13. Включение тормозного модуля и тормозного резистора

Рис. 14. Инвертор, включенный встречно-параллельно

Другой способ торможения электродвигателя - торможение постоянным током. Для создания магнитного поля в статоре используется напряжение постоянного тока, подаваемое между двумя фазами электродвигателя. Поскольку энергия торможения остается в электродвигателе и возможен перегрев, торможение постоянным током рекомендуется использовать в диапазоне низких скоростей, чтобы не превышать номинальный ток электродвигателя. Обычно торможение постоянным током ограничивается во времени.?

Реверс

Направление вращения асинхронных электродвигателей определяется порядком следования фаз питающего напряжения.

Если поменять местами две фазы, направление вращения электродвигателя изменится, и он будет вращаться в противоположном направлении.

Большинство электродвигателей сконструировано таким образом, чтобы заставить вал двигателя вращаться по часовой стрелке, если соединение выполнено следующим образом:

Рис. 15. Направление вращения электродвигателя изменяется путем изменения порядка следования фаз

Этому же правилу отвечает и порядок следования фаз на выходных клеммах большинства преобразователей частоты.

Преобразователь частоты может осуществлять реверс электродвигателя путем изменения порядка следования фаз с помощью электроники. Реверс производится либо путем задания отрицательной скорости, либо цифровым входным сигналом. Если при первоначальном вводе в эксплуатацию требуется, чтобы электродвигатель имел определенное направление вращения, необходимо знать заводскую настройку преобразователя частоты по умолчанию.

Поскольку преобразователь частоты ограничивает ток электродвигателя номинальным значением, двигатель, управляемый преобразователем частоты, можно реверсировать чаще, чем двигатель, подключенный непосредственно к сети.

Рис. 16. Тормозной момент преобразователя частоты во время реверса

Рампы

Все преобразователи частоты имеют функции изменения скорости (рампы) для обеспечения плавной работы. Эти рампы можно изменять, и благодаря им задание скорости можно увеличивать или уменьшать в определенном интервале.

Рис. 17. Регулируемое время разгона и торможения

Угол наклона характеристики разгона/торможения (длительность разгона/торможения) можно установить таким малым, что в некоторых ситуациях электродвигатель не сможет отработать задание (не сможет разогнать/затормозить двигатель за заданное время).

Это приводит к увеличению тока электродвигателя до тех пор, пока не будет достигнут предел по току. В случае малого времени замедления (t -а) напряжение промежуточной цепи способно возрасти до такого уровня, что схема защиты преобразователя частоты остановит преобразователь.

Оптимальное время изменения скорости можно вычислить по приведенным ниже формулам.

t a = J x n/[(T N -T fric)x9,55]

t -a = J x n/[(T N +T fric)x9,55]

t a - время увеличения скорости

t -a - время уменьшения скорости

n - число оборотов

T N - номинальный крутящий момент электродвигателя

T fric - момент трения

Рис. 18. Установка времени изменения скорости

Время разгона/торможения обычно выбирается исходя из номинальной скорости электродвигателя.

Текущий контроль

Преобразователи частоты могут контролировать регулируемый процесс и вмешиваться в него при неисправности.

Такой контроль может быть разделен на три вида в зависимости от объекта: контроль технологической установки, контроль электродвигателя и контроль преобразователя частоты.

Контроль установки основан на контроле выходной частоты, выходного тока и крутящего момента электродвигателя. На основании этих параметров можно устанавливать несколько пределов, превышение которых воздействует на функцию управления. Этими пределами могут быть допустимая наименьшая скорость электродвигателя (минимальная частота), допустимый наибольший ток (предел по току) или допустимый наибольший крутящий момент электродвигателя (предельный крутящий момент).

Преобразователь частоты может быть запрограммирован, например, на подачу предупреждающего сигнала, уменьшение скорости электродвигателя или останов последнего в случае выхода его скорости за установленные пределы.

Пример

В установках, использующих для соединения электродвигателя с остальной частью системы клиновой ремень, преобразователь частоты может программироваться на контроль состояния этого ремня.

Поскольку в случае разрыва ремня выходная частота будет увеличиваться быстрее, чем определяется заданной рампой, в таких ситуациях можно использовать эту частоту для подачи предупреждения или останова электродвигателя.

Контроль электродвигателя можно производить с помощью преобразователя частоты путем мониторинга тепловой модели электродвигателя или путем подключения к электродвигателю термистора. Преобразователь частоты может предотвращать перегрузку электродвигателя, действуя подобно термореле. В вычислениях, производимых преобразователем частоты, участвует и выходная частота. Это гарантирует, что электродвигатель не будет перегружаться на малых скоростях из-за ухудшения внутренней вентиляции. Современные преобразователи частоты также способны защищать электродвигатели с принудительной вентиляцией, если ток становится слишком большим.

Контроль преобразователя частоты традиционно производится таким образом, что в случае перегрузки по току преобразователь отключается. Некоторые преобразователи допускают кратковременную перегрузку по току. Микропроцессор в преобразователе частоты способен одновременно учитывать значение тока электродвигателя и время его приложения, что обеспечивает возможность оптимального использования преобразователя частоты без перегрузки.

По материалам Danfoss

Создание трёхфазного асинхронного электродвигателя пришлось на конец XIX века. С тех пор, никакие промышленные работы не являются возможными без его использования. Наиболее значимый момент в рабочем процессе — плавный пуск и торможение двигателя. Это требование в полной мере выполняется при помощи частотного преобразователя.

Существует несколько вариантов названий частотника для трёхфазного электродвигателя. В том числе, он может называться:

• Инвертором;
• Преобразователем частоты переменного тока;
• Частотным преобразователем;
• Частотно регулируемым приводом.

С помощью инвертора осуществляется , предназначенного для преобразования электрической энергии в механическую. Осуществляемое при этом движение можно трансформировать в движение другого типа.

1. «Треугольник».

Схема актуальна, если требуется управлять однофазным приводом. Уровень мощности преобразователя в схеме при этом составляет до трёх киловатт, а мощность не теряется.

1. «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.

Трёхфазный асинхронный двигатель был создан в конце XIX столетия и на данном этапе развития человечества является одним из незаменимых элементов в современном промышленном производстве. Для обеспечения плавного пуска и остановки такого двигателя используется специальное устройство.

Называется оно - преобразователь частоты или частотник, если попроще. Для крупных двигателей с большой мощностью наличие такого преобразователя особенно актуально . С помощью частотников можно регулировать пусковые токи, что подразумевает осуществление таких манипуляций, как контроль и ограничение их величины.

Принцип работы частотного преобразователя

Исключительно механическое управление током приводит к энергетическим потерям и уменьшению срока службы оборудования. Показатели этого тока будут в несколько раз больше номинальных , что крайне отрицательно скажется на нормальной работе оборудования.

Принцип работы частотного преобразователя заключается в том, что управление током осуществляется электронным путём. Это обеспечивает мягкий пуск, плавное регулирование работы привода, путём соблюдения соотношения между частотой и направления по специальной заданной формуле.

У частотного преобразователя существует целый ряд преимуществ, которые очень положительно характеризуют работу этого устройства. Одним из таких преимуществ является тот факт, что частотник помогает экономить потребляемую энергию . Экономия составляет примерно 50%, что само по себе является весьма большим плюсом. Кстати, с учётом потребности конкретного производства существует возможность регулирования энергии, которая потребляется в процессе работы оборудования.

Суть работы данного устройства заключается в принципе двойного преобразования напряжения. Сама суть может быть описана посредством расписывания всего двух пунктов, что позволит проследить и осознать весь принцип:

1. Напряжение сети подвергается выпрямлению и фильтрации системой конденсаторов.
2. После этого в работу вступает непосредственно электронное управление , что заключается в образовании тока с частотой, которая была заранее запрограммирована.

На выходе выдаются прямоугольные импульсы, которые поддаются воздействию обмотки статора двигателя, после чего они становятся близкими к синусоиде.

Выбор частотника

Производители таких приборов делают упор на стоимость частотных преобразователей. Из этого следует, что многие опции, которые имеются у более дорогих моделей, на дешёвых моделях преобразователей уже не будут присутствовать. Перед выбором нужного прибора следует обратить внимание на технические характеристики всех имеющихся моделей, представленных в ассортименте, а также на основные требования для конкретного использования.

• Управления может осуществляться двумя способами : векторным и скалярным. Векторное управление предоставляет возможность точной регулировки. Принцип работы скалярного управления заключается в поддержании одного соотношения между напряжением и частотой на выходе, заданного пользователем. Скалярное управление не подходит для сложных устройств и используется на более простых устройствах вроде вентилятора.
• Чем выше указанная в характеристиках мощность , тем выше универсальность преобразователя. Это означает, что это обеспечит взаимозаменяемость. К тому же обслуживание такого устройства будет проще.
• Непременно следует обратить внимание на указанный диапазон напряжения сети . Он должен быть максимально широким, что обеспечит безопасность при перепадах его норм. И нельзя не упомянуть тот факт, что повышение намного опаснее, чем понижение. При повышении могут взорваться сетевые конденсаторы.
• Указанная частота обязательно должна соответствовать всем производственным потребностям . На диапазон регулирования скорости привода указывает нижний предел. При надобности в более широком следует прибегнуть к векторному управлению. Практическое применение предусматривает применение таких частот, как: от 10 до 60 Гц. Редко, но встречаются и до 100 Гц.
• Осуществление управление предусматривает использование различных входов и выходов . Чем их больше, тем, конечно же, лучше. Но нужно брать вниманию, что при большем количестве входов и выходов, значительно увеличивается стоимость частотного преобразователя, а также усложняется его настройка.
• Внимание также следует обратить и на шину управления подключаемого оборудования . Она должна совпадать с возможностью схемы частотника по количеству входов и выходов. Также не стоит забывать о том, что лучше иметь в наличии небольшой запах для возможной модернизации.
• Не стоит забывать и о перегрузочных возможностях устройства . Рекомендуется выбирать частотный преобразователь, обладающий мощность, которая будет на 15 % больше мощности используемого двигателя. Настоятельно рекомендуется прочесть инструкции, прилагающуюся к частотнику в комплекте. Производители непременно указывают в документации к устройству все его основные параметры. В том случае, если важны пиковые нагрузки, то следует обратить при выборе устройства внимание на реальные показатели тока и величины, указанные в качестве пиковых. В этом случае нужно выбрать преобразователь с показателями пикового тока, которые будут на 10% выше, чем указанные в документации.

Подключение частотного преобразователя к электродвигателю

• Для однофазной проводки (220 В) , то есть для использования в домашних условиях, подключение должно осуществляться пользователем путём выполнения схемы «треугольник». Ток на выходе ни в коем случае не должен превышать 50% от номинального! Это очень важно!
• Для промышленного использования (трёхфазная проводка на 380В) рекомендуется осуществление подключения частотного преобразователя к двигателю по схеме «звезда».

Клеммы

Частотный преобразователь имеет определённое количество клемм, которые обозначены разными буквами, и которые нужны для разных подключений:

Для того чтобы продлить срок эксплуатации преобразователя, следует выполнять ряд требований и следовать советам, которые помогут продлить жизнь устройству:

Управление асинхронным двигателем - процесс совсем не лёгкий. Требуется обладать определёнными знаниями, чтобы успешно осуществлять все манипуляции, предполагающие как подключения, так и мероприятия по эксплуатации.

Преобразователи, которые были произведены кустарно, вполне могут быть использованы в домашних условиях и в бытовых целях. К тому же стоят такие частотники существенно меньше, чем промышленные аналоги. Но на для работы на производстве крайне не рекомендуется использовать такие преобразователи. Для таких условий следует выбирать частотники, которые были собраны на заводах. Работу на таких устройствах и их обслуживание следует доверить персоналу, который хорошо разбирается в данных устройствах и обладает достаточными знаниями для того, чтобы работать с частотниками.

Выводы

Асинхронные электродвигатели по многим параметрам превосходят двигатели постоянного тока. Превосходство это касается и устройства и надёжности. Поэтому во многих случаях пользователи выбирают именно асинхронные двигатели, руководствуясь именно соображениями насчёт их превосходства над другими устройствами.

Механическое управление током вызывает некоторые негативные последствия, так как при использовании этого варианта управления нельзя быть уверенным в стопроцентной и качественной работе оборудования. Использование частотных преобразователей для асинхронных двигателей имеет свои очень важные преимущества, которые немаловажны во многих аспектах работы с двигателями. Одним из самых главных плюсов использования электронного управления и частотников является тот факт, что эти устройства позволяют экономить расход потребляемой электроэнергии. К тому же и мощность будет больше.

Частотники следует выбирать, беря во внимание множество характеристик, которые прописываются в документации, приложенной к устройству. Частотные преобразователи, сделанные кустарно, могут пригодиться в бытовых условиях, но на производстве их использовать не стоит.

Эксплуатация преобразователей должна проводиться грамотно, в соответствии со всеми рекомендациями и правилами. Это позволит улучшить качество работы оборудования. К тому же многие советы позволят продлить работу двигателю и преобразователю. Крайне рекомендуется следить за напряжением. В случае критического повышения напряжения могут взорваться конденсаторы. Частотники должны быть использованы с оглядкой на все основные правила безопасности. Рекомендуется не браться за работу с ними в отсутствие всех необходимых знаний в этой области.

← Вернуться