Avtosfera76.ru

Авто Сфера №76
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Частотный преобразователь для двигателя что это

Зачем нужен преобразователь частоты?

Что такое преобразователь частоты?

Преобразователь частоты — это устройство преобразования энергии. Преобразователь частоты преобразует переменный ток с фиксированной частотой и фиксированным напряжением в энергию с переменной частотой и переменным напряжением, используемую для управления скоростью вращения асинхронных двигателей.

Зачем использовать преобразователь частоты?

Одной из основных функций преобразователя частоты в водных системах заключается в обеспечении экономии энергии. Благодаря контролю скорости насоса, а не регулированию потока с помощью дроссельных клапанов, экономия энергии может быть значительной. Например, снижение скорости на 20% может привести к экономии энергии на 50%. Помимо экономии энергии, значительно улучшается срок службы крыльчатки, уплотнителей и подшипников. Существуют различные виды преобразователей частоты с питание 220 В и 380 В. Более подробную информацию о работе однофазных частотных преобразователях можно прочитать в нашей статье .

Преимущества частотных преобразователей

В дополнение к энергосбережению и лучшему управлению процессом, они могут обеспечить другие преимущества:

• Преобразователь частоты может использоваться для контроля температуры процесса, давления или расхода без использования отдельного контроллера. Подходящие датчики и электроника используются для сопряжения приводимого оборудования с преобразователем частоты.

• Расходы на техническое обслуживание могут быть снижены, поскольку более низкие рабочие скорости приводят к увеличению срока службы подшипников и двигателей.

• Устранение дроссельных клапанов и демпферов также отменяет обслуживание этих устройств и всех связанных с ними средств управления.

• Устройство плавного пуска двигателя больше не требуется.

• Контролируемая скорость разгона в жидкостной системе может устранить проблемы гидравлического удара.

• Способность преобразователя частоты ограничивать крутящий момент до выбранного пользователем уровня может защитить приводное оборудование, которое не может выдерживать чрезмерный крутящий момент.

Анализ системы в целом

Поскольку процесс преобразования входящей мощности с одной частоты на другую приведет к некоторым потерям, экономия энергии всегда должна обеспечиваться за счет оптимизации производительности всей системы. Первым шагом в определении потенциала энергосбережения системы является тщательный анализ работы всей системы. Для обеспечения экономии энергии необходимы подробные знания о работе оборудования и требованиях к процессу. Кроме того, следует учитывать тип преобразователя частоты, предлагаемые функции и общую пригодность для применения.

Внутренняя конфигурация преобразователя частоты

Преобразователи частоты содержат три основных раздела:

  1. Цепь выпрямителя — состоит из диодов, SCR или биполярных транзисторов с изолированным затвором. Эти устройства преобразуют мощность линии переменного тока в постоянный ток.
  2. Шина постоянного тока — состоит из конденсаторов, которые фильтруют и хранят заряд постоянного тока.
  3. Инвертор — состоит из высоковольтных мощных транзисторов, которые преобразуют энергию постоянного тока в переменный выход переменного напряжения переменного тока, подаваемый на нагрузку.

Частотные преобразователи Danfoss также содержат мощный микропроцессор, который управляет схемой инвертора для получения почти чистого синусоидального напряжения переменной частоты, подаваемого на нагрузку. Микропроцессор также управляет конфигурациями ввода / вывода, настройками преобразователя частоты, состояниями неисправности и протоколами связи.

Рекомендации по выбору длин кабелей, соединяющих частотный преобразователь и электрический двигатель

В связи с большим количеством вопросов связанных с выбором длин кабелей между частотными преобразователями и асинхронными, и синхронными электродвигателями, сотрудники ООО «КоСПА» (сервисного центра YASKAWA), подготовили статью, затрагивающую как теоретические, так и практические аспекты, связанные с данным вопросом. При написании статьи были использованы материалы www.yaskawa.com.


Выбор длины кабеля между ПЧ и двигателем

Общая теория частотного регулирования

Преимущества использования частотных преобразователей (преобразователей частоты, ПЧ, частотников, инверторов) включают в себя: увеличение экономии энергии при использовании в высоковольтном сегменте, превосходное управление скоростью и моментом, а также более современное обеспечение защиты двигателя. Преобразователи частоты эволюционировали от схем, состоящих из Дарлингтоновых пар транзисторов (усилители на биполярных транзисторах), до современных IGBT-транзисторных модулей. Уникальные особенности IGBT-транзисторов, такие как снижение энергозатрат на переключение, значительно увеличили производительность и сделали возможным уменьшение габаритных размеров преобразователей частоты.

Однако было замечено, что двигатели, которые безотказно работали в течение длительного времени от сети, внезапно выходили из строя спустя несколько недель после установки частотного преобразователя. Такой вид аварии, обычно обуславливается выходом из строя обмотки двигателя из-за перенапряжения. Точнее, авария происходит и из-за короткого замыкания фаз между собой, и из-за замыкания фазы на корпус. Исследования показали, что возможность быстрого переключения IGBT-транзисторов, в совокупности с чрезмерной длиной кабеля между двигателем и преобразователем частоты способны значительно снизить срок жизни двигателя.

Чтобы понять, почему преобразователь частоты может стать причиной более быстрого выхода из строя двигателя, необходимо рассмотреть два явления. Первым является отраженная волна, по -другому явление стоячей волны, вторым – перенапряжение (перерегулирование напряжения при коммутациях), также известное как условие резонансного контура. Теоретически эти два явления могут быть рассмотрены по-разному, но на практике решение по их устранению одинаково.

Отраженная волна. При рассмотрении длины кабеля в качестве линии электропередач, следующая формула может быть применена при расчете критической длины, или длинной линии, где имеет место отражение волны напряжения. Критическая длина кабеля определяется формулой:

где, -скорость нарастания волны (мc), м/c –скорость света в вакууме, -приблизительная распределенная индуктивность кабеля, -время нарастания импульса напряжения, -длина кабеля.

Следующее уравнение соотносит время включение IGBT- транзистора и максимальную длину проводящей линии (кабеля):

При превышении этого значения длины возможно возникновение явления стоячей волны. При увеличении периода ШИМ преобразователя частоты с 0,1 мс до 0,3 мс, минимальная длина необходимая для перенапряжения, возрастет с 16 до 48 м.

Перенапряжение (перерегулирование напряжения). Более точное описание того, что происходит в двигателе, выглядит следующим образом. Перенапряжение (дребезг) это функция энергии, запасенной в проводнике, в течение времени нарастания каждой выходной пульсации напряжения (ШИМ). В то время, как распределенная индуктивность – особенность длинного проводника, лежащего между двигателем и преобразователем. Индуктивность увеличивает время, необходимое для зарядки емкости двигателя, что в свою очередь приводит к увеличению запаса энергии в линии. Когда двигатель все же заряжается до необходимого потенциала, оставшаяся энергия линии продолжает подзаряжать двигатель, увеличивая значения потенциала обмоток, способствуя возникновению перенапряжения. Фактически, при достаточно большой длине проводника (кабеля), к обмотке двигателя может быть приложено двойной напряжение звена постоянного тока частотного преобразователя. Т.е. чем больше расстояние между двигателем и преобразователем, тем больше перенапряжение. Однако, некорректно утверждать, что перенапряжение пропорционально длине кабеля. Максимальное значение перенапряжения можно рассчитать:

где, Vmax-максимальное напряжение сети, — максимальное напряжение звена постоянного тока, — максимальное значение перенапряжения.

В типовых системах на 460В, максимальное перенапряжение на клеммах двигателя может достигать 1500 В. Почти 80% этого напряжения распределяется по первичной обмотке двигателя.

Время включения IGBT-транзисторов разработано с целью возможности влияния на перенапряжение. Если ключи переключаются достаточно медленно, емкость двигателя имеет возможность зарядиться, а после этого разрядиться в линию. Однако, при увеличении скорости переключения, напряжение, прикладываемое к линии, увеличивается, значении запасенной энергии возрастает, и, как следствие возрастает перенапряжение.

Это объясняет, почему 6-ступенчатые, медленные по сравнению с современными, преобразователи, использующие технологию Дарлингтона (усилитель) редко встречались с проблемой перенапряжения при той же длине кабеля. Также важно отметить, трехфазные двигатели на 230В в достаточной мере защищены от пробоя в следствие перенапряжения, благодаря существующему стандарту изоляции.

5-е поколение IGBT ПЧ

4-е поколение IGBT ПЧ

3-е поколение IGBT ПЧ

1-е поколение IGBT ПЧ

Запираемый тиристор (GTO)

Возникающие проблемы

Явление коронного разряда

Для того, чтобы понять, почему перенапряжение столь губительно для двигателя, необходимо рассмотреть явление коронного разряда. Представим, что между проводниками с током существует относительный потенциал, который создает электрическое поле. Напряженность электрического поля вокруг проводников может быть достаточной для осуществления пробоя воздуха. Так как энергии электрического поля достаточно для ионизации кислорода (O2), чтобы осуществить его перехода в озон (O3), происходит пробой. Озон представляет собой высокоактивный элемент, поэтому он незамедлительно вступает в реакцию с органическими компонентами изоляции. А примеси кислорода в этой системе способствуют разрушению изоляции. Явление коронного заряда происходит, когда потенциал проводников достигает некоторого порогового значения, называемого начальным напряжением коронного заряда. Начальное напряжение коронного заряда зависит от расположения проводников, типа изоляции, температуры, особенностей поверхности и влажности.

Если у двигателя нет соответствующей изоляции, он может выйти из строя раньше срока. Предполагается, что двигатель, управляемый с помощью частотного преобразователя, произведён с изоляцией класса F или выше, а также имеет фазовую изоляцию.

Читать еще:  16v двигатель что это означает

Генерация радиочастотных и электромагнитных помех

Значение электрического шума, вырабатываемого проводниками на выходе преобразователя частоты, также зависит от длины используемого кабеля. Во избежание возникновения помех, необходимо экранировать кабель при установке соединения. Если осуществить это не получается, необходимо использовать фильтрующие устройства для снижения индуктивных помех.

Защитное отключение двигателя

В некоторых ситуациях возможно создать условия, при которых преобразователь частоты защитит себя от Замыкания на Землю (Ground Fault) или от перегрузки по току (Over Current). Эти аварии происходит в ситуациях, когда множество кабелей прокладывают в непосредственной близости друг к другу, без соответствующей изоляции. Используя основные законы физики, можем доказать, что ток, протекающий по одному проводу, наводит напряжение на другой, так же, как и ток протекающий по другому проводу наводит напряжение на этот провод. Имея множество проводников в непосредственной близости, могут возникнуть условия, когда неравные потенциалы и токи могут навестись в разных фазах привода, результатом может стать замыкание на землю.

Также известно, что емкость между фазами и емкость между фазой и землей возрастает при увеличении длины проводника. Поэтому возможно возникновение ошибки перегрузки по току в течение времени заряда фазных емкостей и емкостей фазы относительно земли.

Если виды этих защитных отключений встречаются довольно редко, то эти ситуации можно обойти, правильно установив оборудование. Если это уже сделано, возможно улучшить ситуацию, применив фильтрующие устройства.

Решение проблем

Снижение длины проводника

Для снижения вероятности возникновения чрезмерного перенапряжения на клеммах двигателя, необходимо, чтобы длина кабеля, соединяющего преобразователь с двигателем была меньше 45 м. Также хорошим вариантом будет снизить несущую частоту ШИМ преобразователя, что, в свою очередь непременно скажется на шуме двигателя, но снизит число выходных импульсов напряжения в секунду, увеличив срок жизни двигателя и уменьшив нагрев IGBT-транзисторов.

Специальный двигатель для частотного регулирования

Простейшим и наиболее выгодным решением является использование специального двигателя для частотного регулирования. Стандарт NEMA Standart MG-1, устанавливает, что такие двигатели должны быть способны выдержать 1600 В импульсного напряжения, продолжительностью 0.1 мс или более, для двигателей класса напряжения 600В и менее. Если двигатель правильно спроектирован и соответствует этому стандарту, то можно расчитывать на безотказную работу в течение длительного времени при любой длине кабеля.

Трехфазный выходной реактор (дроссель)

Реактор расположенный на выходе преобразователя, снижает градиент напряжения, прикладываемый к обмоткам двигателя. Время нарастания импульса снижается до 1,1 мс, таким образом снижая dV/dt до 540В/мс. Это в свою очередь эквивалентно времени переключения Дарлингтоновской схемы, используемой в прошлом, а, следовательно, очень эффективно для продления жизни двигателя. Выходной реактор решает приблизительно 75% проблем, связанных с преждевременным выходом из строя двигателя, из-за большой протяженности кабеля. Обычно используются реакторы с 3% и 5% импедансом (входным сопротивлением). При полной нагрузке приблизительно от 3 до 5 % выходного напряжения спадет на реакторе. Однако, если возникает сомнения относительно развиваемого момента электродвигателем, его необходимо проверить при максимальной скорости.

При наличии возможности разместите выходной реактор максимально близко к электродвигателю. Это позволяет увеличить длину кабеля до 198 м без влияния на производительность двигателя. В этом случае реактор может начать изнашиваться, но выход из строя дросселя займет значительно большее время, чем двигателя при тех же условиях. Однако это может стать одним из наиболее эффективных и бюджетных решений, особенно если речь идет о электродвигателях с плохой изоляцией, которые зачастую встречаются в погружных насосах.

Для обеспечения безотказной работы при длине до 610м при недостаточном классе изоляции двигателя, необходимо использовать специально разработанные выходные фильтры. Эти фильтры разработаны для устранения высших гармоник, возникающих из – за ШИМ, а также для снижения времени импульса до 1,2 мс. Это обеспечивает чистый ШИМ- сигнал на клеммах двигателя.

Частотный преобразователь, он же преобразователь частоты (частотник) — это высокотехнологичные устройства, которые состоят из элементов на основе полупроводников.

Преобразователь частоты служит для преобразования сетевого трёхфазного или однофазного переменного тока частотой 50 (60) Гц в трёхфазный или однофазный ток, частотой от 1 Гц до 800 Гц. В простейших случаях регулирование частоты и напряжения происходит в соответствии с заданной характеристикой V/f, в наиболее совершенных преобразователях реализовано так называемое векторное управление.

Кроме того, имеется электронная система управления, построенная на микроконтроллере. С ее помощью производится управление всеми важнейшими параметрами электродвигателя. В частности при помощи преобразователя частоты можно изменять скорость вращения электрического двигателя, а следовательно всех узлов и механизмов которые он вращает.

Любой преобразователь частоты состоит из четырех основных модулей:

  • Блока выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный;
  • Устройства фильтрации постоянного напряжения;
  • Инверторного узла (Преобразователя);
  • Выходные транзисторы (IGBT модули) обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя;
  • Микропроцессорная системы управления. (с программируемым логическим контроллером).

Для улучшения формы выходного напряжения между преобразователем и двигателем иногда ставят дроссель (особенно, когда расстояние от частотного преобразователя до электродвигателя, более 25м). А для уменьшения электромагнитных помех используют EMC-фильтр.

Стоит отметить, что в состав устройства входит несколько степеней защиты, которые также управляются микроконтроллерным устройством. В частности производится контроль температуры силовых полупроводниковых элементов. Кроме того, имеется функция защиты от короткого замыкания и превышения тока. Частотный преобразователь необходимо подключать к питающей сети посредством защитных устройств. Необходимость в магнитном пускателе отпадает.

Выпрямитель преобразователя частоты

Это самый первый модуль, через который протекает ток. С его помощью производится выпрямление переменного тока – преобразование в постоянный. Происходит это благодаря использованию таких элементов, как полупроводниковые диоды.

Устройства фильтрации постоянного напряжения

На выходе выпрямителя вы имеете постоянное напряжение, но оно обладает большими пульсациями, все еще проскакивает переменная составляющая. Чтобы сгладить все эти «неровности» тока, требуется применять как минимум два элемента – катушку индуктивности и электролитический конденсатор.

Инверторный узел (преобразователь)

Инверторный узел, наиболее важный во всей конструкции. С его помощью производится изменение параметров выходного тока. В частности его частоты, напряжения и т. д. Состоит инвертор из шести управляемых транзисторов. Для каждой фазы два полупроводниковых элемента. Стоит отметить, что в инверторном каскаде используются современные сборки из IGBT-транзисторов.

IGBT транзисторы (insulated gate bipolar transistor), произносящимся на слух как «ай-джи-би-ти». Используется igbt транзистор в системах управления электрическими приводами в сетях свыше 500в, до 10 Кв, и токами до 1200 ампер.

Ведущие мировые производители IGBT модулей: Fuji electric, Hitachi, Toshiba, Mitsubishi Electric, SEMIKRON(Siemens AG), Infineon Technologies.

Из-за особенностей частотных преобразователей, их выходное напряжение и ток имеют искаженную, несинусоидальную форму с большим количеством гармоник (помех). Инвертор преобразователя частоты генерирует широкий спектр высших гармоник с частотой 150 кГц-30 МГц. Питание обмоток двигателя таким искаженным несинусоидальным током приводит к появлению таких негативных последствий как тепловой и электрический пробой изоляции обмоток двигателя, увеличение скорости старения изоляции, увеличение уровня акустических шумов работающего двигателя, эрозии подшипников. Кроме того, чатотники могут являться мощным источником помех в электрической сети питания, оказывая негативное влияние на другое электрическое оборудование, подключенное к этой сети. Для ослабления отрицательного воздействия гармонических искажений, генерируемых в частотном преобразователе в процессе работы, на электрическую сеть, электродвигатель и собственно сам преобразователь частоты применяют различные фильтры, такие как сетевой (входной) и моторный (выходной) дросселя, а так же ЭМИ-фильтры.

Сетевые (входные) дроссели

Сетевой дроссель является двухсторонним буфером между сетью электроснабжения и преобразователем частоты и защищает сеть от высших гармоник 5, 7, 11 порядка с частотой 250Гц, 350 Гц, 550 Гц и т.д. Кроме того, сетевые дроссели позволяют защитить преобразователь частоты от повышенного напряжения сети питания и бросков тока при переходных процессах в питающей сети и нагрузке ПЧ, особенно при резком скачке сетевого напряжения, который бывает, например, при отключении мощных асинхронных двигателей.

Сетевые (входные) дроссели рекомендуют применять:

  • при наличии в сети электропитания значительных помех от другого оборудования;
  • при асимметрии напряжения питания между фазами более 1,8 % от номинальной величины напряжения;
  • при присоединении преобразователя частоты к питающей сети с очень низким полным сопротивлением (например, при запитке ПЧ от рядом расположенного трансформатора, мощность которого более чем в 6-10 раз больше мощности ПЧ);
  • при присоединении большого количества преобразователей частоты к одной линии электропитания;
  • при питании от сети, к которой подключены другие нелинейные элементы, создающие существенные искажения;
  • при наличии в схеме электроснабжения батарей конденсаторов (компенсаторов реактивной мощности), повышающих коэффициент мощности сети.
Читать еще:  Что такое кпд газотурбинного двигателя

Преимущества применения входных (сетевых) дросселей:

  • Защищают преобразователь частоты от импульсных всплесков напряжения в сети;
  • Защищают преобразователь частоты от перекосов фаз питающего напряжения;
  • Уменьшают скорость нарастания токов короткого замыкания в выходных цепях преобразователя частоты;
  • Повышают срок службы конденсатора в звене постоянного тока ПЧ.

Выходные (моторные) дроссели

Выходные дроссели должны обязательно использоваться в случаях, если длина силового кабеля, соединяющего преобразователь и двигатель, превышает 30 м.

Так же, выходные моторные дроссели снижают скорость нарастания аварийных токов короткого замыкания и задерживают момент достижения максимума тока короткого замыкания, тем самым обеспечивают необходимое время для срабатывания цепей электронной защиты ПЧ;

Моторные дроссели компенсируют емкостные токи длинных моторных кабелей, то есть не дают развиваться большим емкостным токам и соответственно препятствуют ложным срабатываниям защиты ПЧ от сверхтоков;

Снижают выбросы напряжения на обмотках двигателя. При питании асинхронного двигателя от преобразователя частоты к обмоткам двигателя прикладывается импульсное напряжение со значительными пиками перенапряжений, суммарная величина которых, превышает амплитуду номинального напряжения питания асинхронного двигателя. Это может вызвать пробой изоляции обмоток двигателя, особенно при его длительной эксплуатации, когда изоляция обмоточных проводов и обмоток теряет свои первоначальные изоляционные свойства. Ниже приведена таблица рекомендуемых моторных дросселей для различных типономиналов преобразователей.

В качестве моторных дросселей, можно использовать дроссели, применяющиеся с другими моделями ПЧ, выпускаемыми другими изготовителями, не обязательно, чтобы они совпадали с производителем частотного преобразователя.

Вообще применение частотных преобразователей в настоящее время дает, только плюсы.

Частотный преобразователь с широтно–импульсным управлением (ЧП с ШИМ) снижает пусковые токи в 4-5 раз. Он обеспечивает плавный пуск асинхронного двигателя и осуществляет управление приводом по заданной формуле соотношения напряжение / частота. Защищает двигатель от перегрузок, потери фаз, перегрева и пр.

Дает экономию по потреблению энергии до 50%. Появляется возможность включения обратных связей между смежными приводами, т.е. самонастройки оборудования под поставленную задачу и изменение условий работы всей системы.

В комплекте с асинхронным электродвигателем позволяет заменить электропривод постоянного тока.

На современных устройствах плавного пуска встроенный контроллер позволяет запрограммировать до 25 различных программ управления.

Различают частотные преобразователи по типу управления: скалярное или векторное управление.

Скалярный тип управления. При скалярном управлении формируются гармонические токи фаз двигателя это означает что управление чаще всего поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность двигателя. При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.

Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей.

Скалярный способ управления позволяет осуществлять легкую регулировку, даже при использовании заводских настроек.

Векторный тип управления. Векторное управление — метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора (моментом на валу двигателя). Векторное управление применяется в случае, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах, например, 0…50 Гц для момента 100% или даже кратковременно 150-200% от Мном, это позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя. Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле.

На базе частотного преобразователя могут быть реализованы системы регулирования скорости и автоматизации следующих объектов:

  1. Насосов горячей и холодной воды в системах водо- и теплоснабжения, вспомогательного оборудования котельных, ТЭС, ТЭЦ и котлоагрегатов;
  2. Песковые и пульповые насосы в технологических линиях обогатительных фабрик;
  3. Рольганги, конвейеры, транспортеры и другие транспортные средства;
  4. Дозаторы и питатели;
  5. Лифтовое оборудование;
  6. Дробилки, мельницы, мешалки, экструдеры;
  7. Центрифуги различных типов;
  8. Линии производства пленки, картона и других ленточных материалов;
  9. Оборудование прокатных станов и других металлургических агрегатов;
  10. Приводы буровых станков, электробуров, бурового оборудования;
  11. Высокооборотные механизмы (шпиндели шлифовальных станков и т.д.);
  12. Экскаваторное оборудование;
  13. Крановое оборудование;
  14. Механизмы силовых манипуляторов.

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.

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.

Читать еще:  Что дороже двигатель или акпп
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.

  • Количество фаз на входе – возможны однофазные и трехфазные варианты
  • Исполнение по номинальному напряжению – существуют общепромышленные ПЧ для сетей до 500В, а также высоковольтные на U до 6000В
  • Исполнение по степени защиты IP
  • Типу управления — векторное или скалярное
  • Области применения – существуют общепромышленные, лифтовые, для нососно-вентиляторной нагрузки

Мощность преобразователя частоты. Мощность электропривода является, пожалуй, одним из основных его параметров. В зависимости от номинальной мощности двигателя выбирается частотный преобразователь. Рекомендуется выбирать по максимальному значению тока потребляемого двигателем от частотного преобразователя с учетом перегрузочной способности ПЧ. Если требуется большой пусковой момент или короткое время разгона/замедления, выбирается преобразователь на ступень выше стандартного.

При выборе преобразователя для работы со специальными двигателями (двигатели с тормозами, погружные двигатели, с втяжным ротором, синхронные двигатели, высокоскоростные и т.д.) следует руководствоваться, прежде всего, номинальным током преобразователя, который должен быть больше номинального тока двигателя, а также особенностями настройки параметров преобразователя.

Диапазон регулирования. Если скорость не будет падать ниже 20% от номинальной, то подойдет практически любой ПЧ, но если нужно снижать скорость и далее, обеспечивая при этом номинальный момент на валу, нужно убедиться в способности частотного преобразователя обеспечить работу электродвигателя на частотах, близких к нулю. Кроме того, с диапазоном регулирования скорости связан еще один вопрос, который требует решения, – охлаждение электродвигателя. Обычно асинхронный двигатель (с самовентиляцией) охлаждается вентилятором, закрепленным на его валу, поэтому при снижении скорости эффективность охлаждения резко падает. Некоторые ПЧ снабжены функцией контроля теплового режима с помощью обратной связи через датчик температуры установленного на самом электродвигателе. Существуют и другие варианты решения данного вопроса, но уже без использования ПЧ

Способы управления заданием. Некоторые механизмы должны управляться от задания, плавно изменяя обороты электродвигателя с вращением ручки потенциометра, а в некоторых случаях требуется работа на фиксированных скоростях. Причем, и в том и другом случае может быть возможным управление, как с самой панели ПЧ, так и по аналоговым входам с помощью 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…20мА, 4…20мА и 0…10В соответственно. Если управление частотного преобразователя происходит по сети, то необходимо наличие соответствующих интерфейса с протоколом передачи данных. Управление двигателем может проходить автоматически, для этого необходимо наличие ПИД-регулятора и возможность организовать обратную связь от датчика контролируемого параметра.

Принцип работы устройства

В основе работы данного устройства лежит принцип двойного преобразования напряжения, подающегося на вход. Конструкция представлена силовым механизмом на базе тиристоров/транзисторов и управляющего механизма (микропроцессор).

Обязательно последовательное исполнение 3 этапов:

  • Выпрямление с помощью диодного блока.
  • Фильтрация через конденсаторы.
  • Инвертирование. Изменение характеристик тока с целью его преобразования из постоянного в переменный, и последующей возможности регулирования скорости вращения ротора двигателя.

В процессе преобразования принимает участие и сам двигатель, его индуктивность также влияет на кривую (сглаживание).

Схема подключения частотного преобразователя

Схема подключения

В реальности же, чтобы получить из частотного преобразователя 380В выход 3 фазы, нужно подключить на вход 3 фазы 380В:

Подключение частотника к одной фазе аналогично, за исключением подключения питающих проводов:

Однофазный преобразователь частоты для двигателя с конденсатором (насоса или вентилятора малой мощности) подключается по такой схеме:

Как вы могли видеть на схемах, кроме питающих проводов и проводов к двигателю у частотника есть и другие клеммы, к ним подключаются датчики, кнопки выносного пульта управления, шины для подключения к компьютеру (чаще стандарта RS-485) и прочее. Это даёт возможность управления двигателем по тонким сигнальным проводам, что позволяет убрать частотный преобразователь в электрощит.

Частотники – это универсальные устройства, назначение которых не только регулировка оборотов, но и защита электродвигателя от неправильных режимов работы и электропитания, а также от перегрузки. Кроме основной функции в устройствах реализуется плавный пуск приводов, что снижает износ оборудования и нагрузки на электросеть. Принцип работы и глубина настройки параметров большинства частотных преобразователей позволяет экономить электроэнергию при управлении насосами (ранее управление осуществлялось не за счет производительности насоса, а с помощью задвижек) и другим оборудованием.

На этом мы и заканчиваем рассмотрение вопроса. Надеемся, после прочтения статья вам стало понятно, что такое частотный преобразователь и для чего он нужен. Напоследок рекомендуем просмотреть полезно видео по теме:

Наверняка вы не знаете:

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector