Меню

Преобразователи частоты для управления двигателями постоянного тока

Что нужно знать для правильного выбора преобразователя частоты?

1. Что такое частотный преобразователь и в каких случаях он применяется

Преобразователь частоты предназначен для управления скоростью вращения трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

частотный преобразовательВнешний вид частотных преобразователей

Частотные преобразователи применяются в следующих случаях:

  • при необходимости изменения скорости вращения электродвигателя;
  • при необходимости поддержания значения технологического параметра (например, давления) посредством изменения скорости вращения электродвигателя;
  • отсутствует питание 380В. Частотные преобразователи с питанием 220В поставляются на мощность до 2,2кВт включительно. Мощность двигателя при этом не теряется (Если двигатель имеет возможность переключения «звезда-треугольник» 380/220, то он может быть включен от однофазной сети 220В);
  • требуется подключение к промышленной сети двигателей с «нестандартным» напряжением питания и частотой.

Кроме основных функций, ПЧ обеспечивает

  • возможность включения реверса без дополнительного оборудования;
  • ограничение пускового тока двигателя;
  • контроль тока двигателя;
  • плавный разгон и торможение (настраиваемые по времени);
  • дополнительную защиту двигателя;
  • возможность пропуска резонансных частот;
  • стабилизацию момента двигателя даже при колебаниях входного напряжения;
  • возможность остановки с замедлением;
  • возможность экономии электроэнергии при частично загруженном двигателе (даже без датчика обратной связи);
  • работу со встроенным таймером и счетчиком;
  • переход в «спящий режим» с отключением насоса при отсутствии водопотребления;
  • возможность автоматического перезапуска при восстановлении питания.

Все перечисленные параметры (функционал) поддерживают преобразователи частоты ELHART серии EMD-MINI и EMD-PUMP.

2. Подбор частотного преобразователя

Преобразователь частоты для однофазного двигателя

Стоит обратить внимание, что стандартные частотные преобразователи не предназначены для работы с однофазными двигателями. Почти все представленные на рынке частотные преобразователи предназначены для управления скоростью вращения трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Чаще, когда говорят «однофазный преобразователь частоты», имеют ввиду частотный преобразователь с питанием от однофазный сети напряжением 220В. Такой преобразователь имеет на выходе 3 фазы по 220В и также предназначен для управления трехфазным асинхронным двигателем.

Тем не менее, преобразователи частоты для однофазных двигателей существуют, но встречаются крайне редко.

Рисунок 1 — ПЧ для трехфазного двигателя

Подбор частотного преобразователя по мощности

При подборе преобразователя в первую очередь нужно ориентироваться на ток и напряжение питания электродвигателя. Эта информация указывается на шильдике двигателя.

Шильдик двигателяРисунок 2 — Шильдик двигателя

  1. Напряжение на обмотках. Двигатель, шильдик которого показан рисунке 2, способен работать при трехфазном напряжении 220В (обмотки должны быть соединены в схему «треугольник») и при трехфазном напряжении 380В (соединение «звезда»). Если на шильдике указано 380/660, то такой двигатель может быть подключен к ПЧ с питанием 220В, но в таком случае не будут обеспечены номинальные характеристики двигателя.
  2. Номинальный линейный ток двигателя. Данный двигатель потребляет 1,44А при подключении треугольником (питание 220В) и 0,83А при подключении звездой (питание 380В).

Остальная информация, приведенная на шильдике электродвигателя, не влияет на выбор ПЧ.

Несмотря на указанный на шильдике двигателя ток, наиболее правильным методом определения рабочего тока является его непосредственное измерение при работе двигателя. Это позволит избежать проблем в случае работы двигателя при повышенном токе. Фактический длительный рабочий ток двигателя не должен превышать номинальный выходной ток преобразователя.

Купить частотный преобразователь подобрав его по мощности двигателя не правильно, так как мощность двигателя зависит от КПД и коэффициента мощности (cosφ), а указанная на электродвигателе мощность относится к механической мощности двигателя на валу, а не к потребляемой от источника питания активной мощности, как это принято для других потребителей электроэнергии.

Таблица 1 – Электрические характеристики двигателей

Двигатель Мощность, кВт Об/мин Ток при Δ220/Y380 В КПД, % Коэф. Мощн. IП/IН
АИР 80 А2 1,5 3000 6,2 / 3,6 78,5 0,85 6,5
АИР 80 В4 1500 6,8 / 3,9 78,5 0,80 5,3
АИР 90 L6 1000 7,3 / 4,2 76 0,70 5,0

Двигатель АИР 90 L6 (1000 об/мин) при одинаковой с частотным преобразователем мощности потребляет в номинальном режиме ток 4,2 А при питании 380 В, а преобразователь имеет номинальный выходной ток 4,0 А.

При соединении этого же двигателя в «треугольник» с питанием 220 В номинальный ток составит 7,3А, а преобразователь частоты рассчитан на 7,0А. Следовательно, как при питании 380В, так и при 220В указанный двигатель необходимо подключать к частотному преобразователю мощностью на ступень выше (2,2кВт):

Благодаря частотному преобразователю есть возможность подключать двигатели с «нестандартным» питанием к промышленной сети 220 или 380В. При этом главное, чтобы номинальное напряжение питания двигателя не превышало питание ПЧ, а номинальная частота поддерживалась ПЧ.

Например, машинка для стрижки овец МСУ-200 питается от переменного напряжения 36В частотой 200Гц. Для работы с такой машинкой в настройках преобразователя частоты задается номинальное напряжение питания двигателя — 36В и номинальная частота двигателя — 200Гц.

Несмотря на мощность электродвигателя 115Вт, рабочий ток составляет около 3А. Кроме номинального тока двигателя необходимо учитывать амплитуду, частоту и длительность возможных перегрузок. В моменты перегрузок ток указанной машинки может доходить до 7А.

Частотный преобразователь ELHART EMD-MINI выдерживает перегрузку 150% от номинального тока в течение 60 секунд; EMD-PUMP – 120% в течение 60 секунд.

Следовательно, номинальный ток ПЧ должен быть не менее 7 ÷ 150% = 4,7А. Для подключения к сети 220В выбираем преобразователь частоты ELHART EMD-MINI – 007S (0,75кВт, 5А, 220В). Для подключения к сети 380В выбираем ПЧ ELHART EMD-MINI – 022T (2,2кВт, 5А, 380В).

Обратите внимание: при небольшом запасе по току в данном примере, мощности ПЧ в 6 и 20 раз больше мощности соответствующего двигателя!

Выбор между векторным и вольт-частотным режимом управления

По режиму управления частотные преобразователи можно разделить на вольт-частотные и векторные. Рассмотрим особенности работы этих режимов.

Вольт-частотный (или скалярный) режим управления ПЧ

  • Поддерживает постоянной величину магнитного поля статора при заданной частоте (отношение напряжения питания к частоте постоянно). Это значит, что при различных скоростях номинальный момент на валу двигателя останется неизменным. Есть особенности работы на низких частотах. Подробности расписаны в разделе «Возможный диапазон регулировки частоты вращения двигателя с помощью ПЧ»;
  • Скорость вращения двигателя зависит от приложенной нагрузки: при увеличении нагрузки двигатель замедляется, при уменьшении — ускоряется. При постоянной нагрузке скорость вращения не изменяется;
  • Позволяет работать с несколькими двигателями одновременно (для работы с несколькими двигателями необходимо обеспечить дополнительную защиту по току для каждого двигателя).

Векторный режим управления ПЧ:

  • поддерживает постоянную скорость вращения при изменяющихся нагрузках (за счет автоматической регулировки выходного напряжения);
  • более стабильно работает при низких частотах (за счет компенсации падения напряжения в обмотках двигателя).

Особенности работы векторного режима:

— возможно изменение скорости вращения при постоянной нагрузке в пределах 2Гц (вследствие поиска оптимального напряжения). Это нормально и не является неисправностью;
— возможна работа только с одним двигателем (не поддерживает многодвигательный режим);
— работает корректно, если правильно введены паспортные данные двигателя и успешно прошло его автотестирование.

И вольт-частотный и векторный режимы управления при наличии встроенного ПИД-регулятора способны точно поддерживать технологический параметр по датчику обратной связи (скорость, давление, влажность, температуру и другие).

Как правило, для большинства применений достаточно использования вольт-частотного режима. Такими применениями являются насосы, вентиляторы, конвейеры, деревообрабатывающие станки, высокоскоростные шпиндели фрезерных станков, простые куттеры, прессы, упаковочные станки, фасовочные аппараты, дозаторы, компрессоры и другое оборудование.

Векторный режим обычно применяется при работе с подъемно-транспортными механизмами, на дробилках, буровом оборудовании и другими нагрузками, где требуется высокий момент в области низких частот и при запуске, а также нет четкой зависимости момента нагрузки от скорости вращения.

Поддерживаемые способы управления преобразователем частоты

Так как преобразователь частоты обычно устанавливается в шкаф управления, то для доступа к встроенной панели необходимо каждый раз открывать дверь шкафа (в случае работы в пыльном производстве — мука, пыль, цемент — частое открытие двери недопустимо). Кроме того, часто преобразователь устанавливается рядом с двигателем, а пульт оператора находится в стороне.

С помощью выносного пульта управления EMD-Mini — RCP (не входит в комплект поставки) можно реализовать дистанционное управление преобразователем частоты EMD-Mini на расстоянии до 2 метров. Выносной пульт имеет абсолютно те же функции и возможности, что и панель управления на самом частотном преобразователе.

В частотных преобразователях ELHART серии EMD-PUMP встроенный пульт является съемным и имеет возможность выноса с помощью входящего в комплект двухметрового кабеля.

Для дистанционного управления пуском и остановом двигателя с помощью кнопок и переключателей необходимы дискретные входы.

Наличие аналогового входа позволяет дистанционно осуществлять плавную регулировку оборотов с помощью потенциометра или аналогового сигнала 0. 10В/4. 20мА. Совместно со встроенным ПИД-регулятором аналоговый вход позволяет непрерывно поддерживать значение технологического параметра (давление, расход, температура и т. д.)

Наличие интерфейса RS-485 либо RS-232 позволяет подключиться к верхнему уровню АСУТП.

Программный режим позволяет изменять скорость и направление вращения по заранее заданной программе.

Подбор частотного преобразователя для насоса

Отдельное внимание стоит уделить частотным преобразователям насосной серии. От остальных преобразователей их отличает заложенный алгоритм работы с несколькими двигателями. А именно: чередование двигателей и каскадный режим. Режим чередования применяется для равномерного износа двигателей. Каскадный режим применяется, когда необходимо с помощью одного частотного регулятора управлять несколькими насосами. Особенность каскадного режима заключается в том, что частотный преобразователь небольшой мощности способен регулировать производительность или давление в широком диапазоне, включая в работу минимально необходимое количество насосов. Преобразователи частоты ELHART EMD-PUMP могут управлять группой от 2 до 7 насосов. Возможна работа с насосами разной мощности, в таком случае мощность ПЧ определяется наиболее мощным насосом.

Дополнительное оборудование

В некоторых случаях при использовании преобразователя частоты может потребоваться установка дополнительного оборудования:

  • Тормозной резистор необходим для рассеивания энергии, поступающей в ПЧ от двигателя, который работает в генераторном режиме. Тормозной резистор используется для обеспечения быстрой остановки или замедления двигателя (особенно с высокоинерционными нагрузками), при работе с подъемно-транспортными механизмами (краны, лифты, наклонные транспортеры, подъемники), высокоинерционными применениями (дымососы, центрифуги, рольганги, тягодутьевые механизмы, транспортные тележки), в применениях, где важна точность позиционирования.
  • Моторный дроссель устанавливается при расстоянии между двигателем и преобразователем более 30м; защищает двигатель от импульсных токов, уменьшает помехи, ограничивает амплитуды тока короткого замыкания, снижает скорость нарастания тока КЗ и, как следствие, улучшает защиту преобразователя от КЗ.
  • Сетевой дроссель подключается ко входу преобразователя и является двухсторонним буфером между сетью электроснабжения и преобразователем частоты. Защищает от пиковых скачков напряжения в сети. Установка сетевого дросселя рекомендуется при нестабильных параметрах сети (пульсация, провалы напряжения), при перекосе фаз более 3%, если мощность источника питания (распределительного трансформатора) более 500 кВА и превышает в шесть и более раз мощность преобразователя или если длина кабеля между источником питания и ПЧ менее 10м. Использование сетевых дросселей значительно повышает срок службы и надежность работы частотных преобразователей.

3. Диапазон регулирования скорости вращения двигателя при использовании преобразователя частоты

Использование ПЧ для уменьшения скорости вращения двигателя

Для работы на низких частотах (ниже 10-15 Гц) необходимо особое внимание уделить охлаждению двигателя и моменту на валу.

Электродвигатель закрытого типа с вентиляторным охлаждением (TEFC) имеет охлаждение только за счет встроенного вентилятора. Производительность вентилятора охлаждения уменьшается пропорционально скорости вращения двигателя. При занижении оборотов двигателя эффективность охлаждения снижается, что приводит к перегреву двигателя и возможному выходу из строя.

Существует несколько вариантов охлаждения электродвигателя при работе на низких частотах:

  • сократить период непрерывной работы двигателя на низкой частоте
  • организовать дополнительное охлаждение;
  • уменьшить нагрузку на валу двигателя;
  • установить понижающий редуктор, что позволит повысить обороты двигателя;
  • использовать двигатель большего типоразмера.

Вольт-частотный метод регулирования позволяет сохранять постоянный момент на валу двигателя при различных скоростях. При работе на низких частотах (ниже 5-10 Гц) момент на валу будет зависеть от характеристики конкретного двигателя (активного сопротивления обмоток). Для сохранения момента на частотах ниже 5-10 Гц может потребоваться корректировка минимального напряжения кривой U / f. Увеличение значения напряжения вызовет увеличение пускового момента, но также приведет к увеличению потребляемого тока, а пропорционально увеличению протекающего тока усиливается нагрев. Рекомендуемый диапазон регулирования частоты при вольт-частотном управлении: 5-50 Гц. Преобразователь частоты ELHART EMD-MINI поддерживает регулировку частоты от 0,5 до 999,9 Гц.

Векторный метод регулирования способен более точно поддерживать момент при низких частотах (особенно при изменяющейся нагрузке). Диапазон возможной регулировки шире, чем у вольт-частотного режима и зависит от конкретной модели (фирмы, серии) ПЧ. Для векторного управления рекомендовано использовать преобразователи частоты Delta Electronics серии VFD-E и VFD-C.

Для увеличения пускового момента рекомендуется использовать частотный преобразователь большей мощности (так как преобразователь может обеспечить двигатель только полуторократным током (номинальный ток × перегрузочную способность ПЧ).

Использование ПЧ для увеличения скорости вращения двигателя

Преобразователь частоты можно использовать для увеличения скорости вращения двигателя выше номинальной. При этом важно учесть, что при увеличении частоты выше номинальной, момент (Т) уменьшается пропорционально квадрату отношения напряжение/частота. При частоте f = 70 Гц момент на валу уменьшается в 2 раза T = 0,5 × Tном; при частоте f = 100 Гц момент уменьшается в 4 раза T = 0,25 × Tном. Следовательно, увеличивается риск перегрузки двигателя. Кроме того, увеличивается нагрузка на подшипники.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Рыбчинский М.Ю.

Источник

Преобразователи частоты

В данной статье мы рассмотрим что такое частотный преобразователь, сферы применения преобразователей частоты, их плюсы и минусы, а также схемы частотников.

  1. Виды преобразователей частоты
  2. Способы управления преобразователем
  3. Режимы управления частотными преобразователями
  4. Преимущества частотных преобразователей
  5. Сферы применения

Преобразователи частоты (или частотники) – электротехническое оборудование для регулирования частоты переменного напряжения. Основная сфера применения этих устройств – изменение частоты вращения и крутящего момента электрических машин асинхронного типа. Принцип действия управления и регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты питающего напряжения.

Асинхронные электродвигатели широко используются в качестве приводов промышленного оборудования, насосных агрегатов, регулирующей арматуры и других устройств. Основным недостатком этих электрических машин являются постоянная скорость вращения, большие пусковые токи. При помощи частотных преобразователей возможно устранить эти недостатки и существенно расширить сферу применения электродвигателей переменного тока.

Виды преобразователей частоты

Частотные преобразователи различаются по конструкции, принципу действия, способу управления. По конструктивному исполнению преобразователи частоты разделяют на две большие группы:

Электромашинные частотники.

Электромашинные или индукционные преобразователи частоты представляют собой двигатели переменного тока, включенные в режим генератора. Применяются такие электротехнические устройства относительного редко, в условиях, где затруднено или невозможно применение электронных частотных преобразователей.

Электронные преобразователи.

Полупроводниковые ЧП состоят из силовой части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления на базе микроконтроллеров. Это электротехническое оборудование пригодно для трехфазных и однофазных приводов любого назначения. Различают ЧП с непосредственной связью с питающей сетью и устройства с промежуточным звеном постоянного тока.

Непосредственные преобразователи частоты

Такие частотники построены на базе быстродействующих тиристорных преобразователей, включенных по мостовым, перекрестным, нулевым и встречно-параллельным схемам.

Устройства такого типа включаются непосредственно в питающую сеть.

Плюсы непосредственных преобразователей частоты:

  • Возможностью рекуперации электроэнергии в сеть при работе в режиме торможения двигателя. Непосредственное включение обеспечивает двусторонний обмен электричеством.
  • Высоким к.п.д. за счет однократного преобразования частоты.
  • Возможностью наращивания мощности за счет присоединения дополнительных преобразователей.
  • Широким диапазоном низких частот. Непосредственные преобразователи обеспечивают стабильную работу привода на малых скоростях.

Минусы непосредственных преобразователей частоты:

  • Аппроксимированная форма выходного напряжения с наличием постоянных составляющих и субгармоник. Такая форма переменного напряжения на выходе устройства вызывает дополнительный нагрев двигателя, снижает момент, создает помехи.
  • Частота напряжения на выходе преобразователя не превышает аналогичную характеристику сетевого напряжения. Таким образом, при помощи этих устройств можно только снижать скорость вращения двигателей.
  • Основная сфера непосредственных преобразователей – электроприводы на базе асинхронных и синхронных двигателей большой и средней мощности.

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Частотные преобразователи этого типа выполнены на базе схемы двойного преобразования. Питающее сетевое напряжение преобразуется в постоянное, затем сглаживается и инвертируется в переменное выходное напряжение заданной частоты.

Плюсы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

  • Возможностью получения выходного напряжения с частотой как выше, так и ниже аналогичного параметра сети питания. Частотники на базе схемы двойного преобразования используют для высоко- средне- и низкоскоростных электроприводов.
  • Чистой синусоидальной формой напряжения на выходе. Схема преобразователя позволяет получать переменное напряжение с минимальным отклонением от синусоидальной формы.
  • Возможностью построения простых и сложных силовых и управляющих схем для приводов с различными требованиями к скорости реагирования, диапазону скоростей.
  • Возможностью адаптации к сетям постоянного тока. Преобразователи данного типа можно приспособить для питания от резервных и аварийных источников постоянного тока без дополнительных устройств. Это позволяет применять такие частотники в приводах ответственного оборудования с резервными источниками электроэнергии.
  • Разнообразием алгоритмов управления. Преобразователи со звеном постоянного тока можно запрограммировать и адаптировать практически ко всем электроприводам, в том числе и претенциозным, где требуется особо точное регулирование скорости и момента.

Минусы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

  • Относительно большую массу и габариты, что обусловлено наличием выпрямительного, фильтрующего и инверторного блоков.
  • Повышенные потери мощности. Схема двойного преобразования несколько уменьшает общий к.п.д.

Устройство преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока

Состоят такие преобразователи из нескольких основных блоков:

  • Выпрямителя. Для ЧП используются диодные и тиристорные преобразователи постоянного тока. Первые отличаются высоким качеством постоянного напряжения практически с полным отсутствием пульсации, низкой стоимостью и надежностью. Однако диодные выпрямители не позволяют реализовать возможность рекуперации электроэнергии в сеть при торможении двигателя. Выпрямители на тиристорах обеспечивают возможность протекания тока в обоих направлениях и позволяют отключать преобразователь от сети без дополнительной коммутирующей аппаратуры.
  • Фильтра. Выходное напряжение тиристорных управляемых выпрямителей имеет значительную пульсацию. Для ее сглаживания используют реакторы, емкостные или индуктивно-емкостные фильтры.
  • Инвертора. В ЧП используют инверторы напряжения и тока. Последние обеспечивают рекуперацию электроэнергии в сеть и применяются для управления электрическими машинами с частым пуском, реверсом и остановкой, например, крановыми двигателями.
  • Частотники на базе инверторов напряжения выдают на выходе напряжение формы “чистый синус”. Благодаря этому преобразователи такого типа получили наиболее широкое распространение.
  • Микропроцессора. Этот блок осуществляет управление входным выпрямителем, прием и обработку сигналов с датчиков, взаимодействие с автоматизированной системой высшего уровня, запись и хранение информации о событиях, формирует выходное напряжения ЧП соответствующей частоты. А также выполняет функции защиты от перегрузок, обрыва фазы и других аварийных и ненормальных режимов работы.

Способы управления преобразователем

По принципу управления различают 2 основных вида частотных преобразователей:

ЧП со скалярным управлением

Частотники этого типа выдают на выходе напряжение определенной частоты и амплитуды для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Частотники с таким принципом регулирования отличаются относительно низкой стоимостью, простотой конструкции. Нижний предел регулировки скорости составляет около 10 % от номинальной частоты вращения. Их можно использовать для управления сразу несколькими двигателями. Скалярные ЧП используют для приводов насосных агрегатов, вентиляторов и других устройств и оборудования, где не требуется поддерживать скорость вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

ЧП с векторным управлением

Микропроцессорные устройства преобразователей с векторным управлением автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора. ЧП такого типа обеспечивают постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Они используются для оборудования, где необходимо поддерживать необходимый момент силы при низких скоростях, высокое быстродействие и точность регулирования. Применение векторных ЧП позволяет регулировать частоту вращения, задавать требуемый момент на валу.

ЧП с векторным управлением делятся на преобразователи бездатчикового типа и устройства с обратной связью по скорости. Последние используются для приводов с широким диапазоном регулирования скорости до 1:1000, необходимости позиционирования точного положения вала, регулирования момента при низких скоростях, точного поддержания частоты вращения, пуска двигателя с номинальным моментом. Преобразователи без датчика скорости применяют для приводов с более низкими требованиями.

Режимы управления частотными преобразователями

В большинстве моделей современных частотных преобразователей реализована возможность управления в нескольких режимах:

1) Ручное управление.

2) Внешнее управление.

3) Управление по дискретным входам или “сухим контактам”.

4) Управление по событиям.

Преимущества частотных преобразователей.

1) Экономия электроэнергии.

2) Увеличение срока службы промышленного оборудования.

3) Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.

4) Возможность удаленного управления и контроля параметров оборудования с электроприводом.

5) Широкий диапазон мощности двигателей.

6) Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.

7) Снижение уровня шума работающего двигателя.

Сферы применения

Частотно-регулируемые приводы применяют:

  • Для кранов и грузоподъемных машин . Крановые двигатели работают в режиме частых пусков, остановок, изменяющейся нагрузки. ЧП обеспечивают отсутствие рывков и раскачивания груза при пусках и остановках, остановку крана точно в требуемом месте, снижают нагрев электродвигателей и максимальный пусковой момент.
  • Для привода нагнетательных вентиляторов в котельных и дымососов. Общее управление с плавной регулировкой дутьевых и вытяжных вентиляторов позволяет автоматизировать процесс горения и обеспечить максимальный к.п.д . котельных агрегатов.
  • Для транспортеров, прокатных станов, конвейеров, лифтов. ЧП регулирует скорость перемещения транспортного оборудования без рывков и ударов, что увеличивает срок службы механических узлов. Для насосных агрегатов. ЧП позволяют обойтись без задвижек и вентилей, регулирующих давление и производительность, и существенно увеличить общий к.п.д системы водоподачи.
  • Для электродвигателей станков. Использование преобразователя частоты вместо коробки передач позволяет плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения рабочего органа станка, осуществлять реверс. ЧП широко используются для станков с ЧПУ и высокоточного промышленного оборудования.

Внедрение частотно-регулируемых приводов дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и ТО двигателей и оборудования, возможности использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до трех лет.

Источник

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

В различных ситуациях может возникнуть необходимость преобразования частоты исходного тока в ток с напряжением регулируемой частоты. Это требуется, например, при работе асинхронных двигателей для изменения их скорости вращения. В этой статье будет рассмотрены назначение и принцип работы частотного преобразователя.

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Что такое частотный преобразователь

Частотный преобразователь (ПЧ) – это электротехническое устройство, которое преобразовывает и плавно регулирует однофазный или трехфазный переменный ток с частотой 50 Гц в аналогичный по типу ток с частотой от 1 до 800 Гц. Такие устройства широко применяются для управления работой различных электрических машин асинхронного типа, например, для изменения частоты их вращения. Также существуют аппараты для использования в промышленных высоковольтных сетях.

Простые преобразователи регулируют частоту и напряжение в соответствии с характеристикой V/f, сложные приборы используют векторное управление.

Частотный преобразователь является технически сложным устройством и состоит не только из преобразователя частоты, но и имеет защиту от перегрузок по току, от перенапряжения и короткого замыкания. Также такое оборудование может иметь дроссель для улучшения формы сигнала и фильтры для уменьшения различных электромагнитных помех. Различают электронные преобразователи, а также электромашинные устройства.

Принцип работы частотного преобразователя

Электронный преобразователь состоит из нескольких основных компонентов: выпрямителя, фильтра, микропроцессора и инвертора.

Выпрямитель имеет связку из диодов или тиристоров, которые выпрямляют исходный ток на входе в преобразователь. Диодные ПЧ характеризуются полным отсутствием пульсаций, являются недорогими, но при этом надежными приборами. Преобразователи на основе тиристоров создают возможность для протекания тока в обоих направлениях и позволяют возвращать электрическую энергию в сеть при торможении двигателя.

Фильтр используется в тиристорных устройствах для снижения или исключения пульсаций напряжения. Сглаживание производится с помощью ёмкостных или индуктивно-ёмкостных фильтров.

Микропроцессор – является управляющим и анализирующим звеном преобразователя. Он принимает и обрабатывает сигналы с датчиков, что позволяет регулировать выходной сигнал с преобразователя частоты встроенным ПИД-регулятором. Также данный компонент системы записывает и хранит данные о событиях, регистрирует и защищает аппарат от перегрузок, короткого замыкания, анализирует режим работы и отключает устройство при аварийной работе.

Инвертор напряжения и тока используется для управления электрическими машинами, то есть для плавного регулирования частоты тока. Такое устройство выдает на выходе «чистый синус», что позволяет использовать его во многих сферах промышленности.

Принцип работы электронного частотного преобразователя (инвертора) заключается в следующих этапах работы:

  1. Входной синусоидальный переменный однофазный или трехфазный ток выпрямляется диодным мостом или тиристорами;
  2. При помощи специальных фильтров (конденсаторов) происходит фильтрация сигнала для снижения или исключения пульсаций напряжения;
  3. Напряжение преобразуется в трехфазную волну с определенными параметрами с помощью микросхемы и транзисторного моста;
  4. На выходе из инвертора прямоугольные импульсы преобразовываются в синусоидальное напряжение с заданными параметрами.

Виды преобразователей частоты

Существует несколько типов частотников, которые на данный момент являются самыми распространенными для производства и использования:

Электромашинные (электроиндукционные) преобразователи: используются в тех случаях, когда невозможно или нецелесообразно применение электронных ПЧ. Конструктивно такие устройства являются асинхронными двигателями с фазным ротором, которые работают в режиме генератора-преобразователя.

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Данные устройства являются преобразователями со скалярным управлением. На выходе из данного аппарата создается напряжение заданной амплитуды и частоты для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Они применяются в тех случаях, когда не требуется поддерживать скорость вращения ротора в зависимости от нагрузки (насосы, вентиляторы и прочее оборудование).

Электронные преобразователи: широко применяется в любых условиях работы для различного оборудования. Такие устройства являются векторными, они автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора и обеспечивают постоянное значение частоты вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

  1. Циклоконверторы;
  2. Циклоинверторы;
  3. ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока:
  • Частотный преобразователь источника тока;
  • Частотный преобразователь источника напряжения (с амплитудно- или широтно- импульсной модуляцией).

По сфере применения оборудование может быть:

  • для оборудования мощностью до 315 кВт;
  • векторные преобразователи для мощности до 500 кВт;
  • взрывозащищённые устройства для применения во взрывоопасных и запыленных условиях;
  • частотные преобразователи, монтируемые на электродвигатели;

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Каждый тип частотного преобразователя имеет определенные преимущества и недостатки и применим для различного оборудования и нагрузок, а также условий работы.

Управление частотным преобразователем может быть ручным или внешним. Ручное управление осуществляется с пульта управления ПЧ, которым можно отрегулировать частоту вращения или остановить работу. Внешнее управление выполняется при помощи автоматических систем управления (АСУТП), которые могут контролировать все параметры устройства и позволяют переключать схему или режим работы (через ПЧ или байпас). Также внешнее управление позволяет программировать работу преобразователя в зависимости от условий работы, нагрузки, времени, что позволяет работать в автоматическом режиме.

Для чего может быть нужен электродвигателю частотный преобразователь

Применение частотных преобразователей позволяет снизить затраты на электроэнергию, расходы на амортизацию двигателей и оборудования. Их возможно использовать для дешевых двигателей с короткозамкнутым ротором, что снижает издержки производства.

Многие электродвигатели работают в условиях частой смены режимов работы (частые пуски и остановки, изменяющуюся нагрузку). Частотные преобразователи позволяют плавно запускать электродвигатель и снижают максимальный пусковой момент и нагрев оборудования. Это важно, например, в грузоподъемных машинах и позволяет снизить негативное влияние резких пусков, а также исключить раскачивание груза и рывки при остановке.

При помощи ПЧ можно плавно регулировать работу нагнетательных вентиляторов, насосов и позволяет автоматизировать технологические процессы (применяются в котельных, на горнодобывающих производствах, в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей сферах, на водопроводных станциях и других предприятиях).

Использование частотных преобразователей в транспортерах, конвейерах, лифтах позволяет увеличить срок службы их узлов, так как снижает рывки, удары и другие негативные факторы при пусках и остановке оборудования. Они могут плавно увеличивать и уменьшать частоту вращения двигателя, осуществлять реверсивное движение, что важно для большого количества высокоточного промышленного оборудования.

Преимущества частотных преобразователей:

  1. Снижение затрат на электроэнергию: за счет снижения пусковых токов и регулирования мощности двигателя исходя из нагрузки;
  2. Увеличение надежности и долговечности оборудования: позволяет продлить срок эксплуатации и увеличить срок от одного технического облуживания до другого;
  3. Позволяет внедрить внешний контроль и управление оборудованием с удаленных компьютерных устройств и способность встраивания в системы автоматизации;
  4. Частотные преобразователи могут работать с любой мощностью нагрузки (от одного киловатта до десятков мегаватт);
  5. Наличие специальных компонентов в составе частотных преобразователей позволяет защитить от перегрузок, обрыва фазы и короткого замыкания, а также обеспечить безопасную работу и отключение оборудования при возникновении аварийной ситуации.

Конечно, глядя на такой список достоинств можно задаться вопросом, почему бы их не использовать для всех двигателей на предприятии? Ответ тут очевиден, увы, но это высокая стоимость частотников, их монтаж и наладка. Не каждое предприятие может позволить себе эти расходы.

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Особенности и схема подключения частотного преобразователя к разным типам электродвигателей

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Схема работы устройства плавного пуска, его назначение и конструкция

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Проверка электродвигателей разного вида с помощью мультиметра

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Что такое импульсный блок питания и где применяется

Источник



Частотный преобразователь

  • Методы управления
  • Методы модуляции
  • Топология силовой части электрических преобразователей
    • Инверторы напряжения
    • Инверторы тока
    • Прямые преобразователи

Согласно ГОСТ 23414-84 полупроводниковый преобразователь частоты — полупроводниковый преобразователь переменного тока, осуществляющий преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты

Частотный преобразователь — это устройство, используемое для того чтобы обеспечить непрерывное управление процессом. Обычно частотный преобразователь способен управлять скоростью и моментом асинхронных и/или синхронных двигателей.

Частотный преобразовател небольшой мощности

Высоковольтный преобразователь

Преобразователи частоты находят все более широкое применение в различных приложениях промышленности и транспорта. Благодаря развитию силовых полупроводниковых элементов, инверторы напряжения и инверторы тока с ШИМ управлением получают все более широкое распространение. Устройства, которые преобразуют постоянный сигнал в переменный, с желаемым напряжением и частотой, называются инверторами. Такое преобразование может быть осуществлено с помощью электронных ключей (BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO) и тиристоров в зависимости от задачи.

На данный момент основная часть всей производимой электрической энергии в мире используется для работы электрических двигателей. Преобразование электрической мощности в механическую мощность осуществляется с помощью электродвигателей мощностью от меньше ватта до нескольких десятков мегаватт.

    Современные электроприводы должны отвечать различным требованиям таким как:
  • максимальный КПД;
  • широкий диапазон плавной установки скорости вращения, момента, ускорения, угла и линейного положения;
  • быстрое удаление ошибок при изменении управляющих сигналов и/или помех;
  • максимальное использование мощности двигателя во время сниженного напряжения или тока;
  • надежность, интуитивное управление.

Конструкция частотного преобразователя

Основными элементами частотного преобразователя являются силовая часть (преобразователь электрической энергии) и управляющее устройство (контроллер). Современные частотные преобразователи обычно имеют модульную архитектуру, что позволяет расширять возможности устройства. Также зачастую имеется возможность установки дополнительных интерфейсных модулей и модулей расширения каналов ввода/вывода.

Функциональная схема частотного преобразователя Обозначения блоков на функциональной схеме ЧП

Методы управления

Инвертор напряжения

Инвертор напряжения наиболее распространен среди силовых преобразователей.

Двухуровневый инвертор напряжения

Двухуровневый инвертор напряжения (two-level voltage-source inverter) – наиболее широко применяемая топология преобразователя энергии. Он состоит из конденсатора и двух силовых полупроводниковых ключей на фазу. Управляющий сигнал для верхнего и нижнего силовых ключей связан и генерирует только два возможных состояния выходного напряжения (нагрузка соединяется с положительной или отрицательной шиной источника постоянного напряжения).

Схема двухуровневого инвертора напряжения

Осциллограмма двухуровневого инвертора напряжения

Используя методы модуляции для генерирования управляющих импульсов возможно синтезировать выходное напряжение с желаемыми параметрами (формой, частотой, амплитудой). Из-за содержания высоких гармоник в выходном сигнале для генерирования синусоидальных токов выходной сигнал необходимо фильтровать, но так как данные преобразователи обычно имеют индуктивную нагрузку (электродвигатели) дополнительные фильтры используются только при необходимости.

Максимальное выходное напряжение определяется значением постоянного напряжения звена постоянного тока. Для эффективного управления мощной нагрузкой требуется высокое постоянное напряжение звена постоянного тока, но на практике это напряжение ограничено максимальным рабочим напряжением полупроводников. Для примера низковольтные IGBT транзисторы обеспечивают выходное напряжение до 690 В. Для того чтобы обойти данное ограничение по напряжению в последние десятилетия были разработаны схемы многоуровневых преобразователей. Данные преобразователи сложнее, чем двухуровневые в плане топологии, модуляции и управления, но при этом имеют лучшие показатели по мощности, надежности, габаритам, производительности и эффективности.

Трехуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой

В трехуровневом преобразователе с фиксированной нейтральной точкой (three-level neutral point clamped converter) постоянное напряжение делится поровну посредством двух конденсаторов, поэтому фаза может быть подключена к линии положительного напряжения (посредством включения двух верхних ключей), к средней точке (посредством включения двух центральных ключей) или к линии отрицательного напряжения (посредством включения двух нижних ключей). Каждому ключу в данном случае требуется блокировать только половину напряжения звена постоянного тока, тем самым позволяя увеличить мощность устройства, используя те же самые полупроводниковые ключи, как и в обычном двухуровневом преобразователе. В данном преобразователе обычно используются высоковольтные IGBT транзисторы и IGCT тиристоры.

Схема трехуровневого преобразователя с фиксированной нейтральной точкой

    Недостатками данных преобразователей являются:
  • Дисбаланс конденсаторов, создающий асимметрию в преобразователе. Данную проблему предлагается решать путем изменения метода модуляции.
  • Неравное распределение потерь из-за того, что потери на переключение внешних и центральных ключей отличаются в зависимости от режима работы. Данная проблема не может быть решена с использованием обычной схемы, поэтому была предложена измененная топология – активный преобразователь со связанной нейтральной точкой (active NPC). В этой схеме диоды заменены управляемыми ключами. Таким образом, выбирая соответствующую комбинацию ключей, возможно уменьшить и равномерно распределить потери.

Фазное напряжение трехуровневого преобразователя с фиксированной нейтральной точкой

Преобразователь с фиксированной нейтральной точкой может масштабироваться для достижения больше чем трех уровней выходного сигнала путем деления напряжения звена постоянного тока более чем на два значения посредством конденсаторов. Каждое из этих деленных напряжений может быть подключено к нагрузке с использованием расширенного набора ключей и ограничительных диодов. Вместе с увеличением мощности преимуществами многоуровневого преобразователя является лучшее качество электроэнергии, меньшее значение скорости нарастания напряжения (dv/dt) и связанных электромагнитных помех. Однако, когда преобразователь со связанной нейтральной точкой имеет более трех уровней, появляются другие проблемы. С точки зрения схемотехники в таком случае ограничительные диоды требуют более высокое максимальное рабочее напряжение чем основные ключи, что требует использования различных технологий или нескольких ограничительных диодов соединенных последовательно. В дополнение становится критическим неравномерное использование силовых элементов в схеме. В итоге из-за увеличения количества элементов снижается надежность. Приведенные недостатки ограничивают использование преобразователей с фиксированной нейтральной точкой с более чем тремя уровнями в промышленных приложениях.

Многоуровневые преобразователи

Каскадные преобразователи основанные на модульных силовых ячейках со схемой H-мост (cascaded H-bridge — CHB) и преобразователи с плавающими конденсаторами (flying capacitor converter) были предложены для обеспечения большего количества уровней выходного напряжения в сравнении с преобразователями с фиксированной нейтральной точкой.

Каскадный Н-мостовой преобразователь

Каскадный преобразователь — высоко модульный преобразователь, состоящий из нескольких однофазных инверторов, обычно называемыми силовыми ячейками, соединенными последовательно для формирования фазы. Каждая силовая ячейка выполнена на стандартных низковольтных компонентах, что обеспечивает их легкую и дешевую замену в случае выхода из строя.

Схема каскадного преобразователя

Основным преимуществом данного преобразователя является использование только низковольтных компонентов, при этом он дает возможность управлять мощной нагрузкой среднего диапазона напряжения. Несмотря на то что частота коммутации в каждой ячейке низкая, эквивалентная частота коммутации приложенная к нагрузке – высокая, что уменьшает потери на переключение ключей, дает низкую скорость нарастания напряжения (dv/dt) и помогает избежать резонансов.

Фазное напряжение каскадного преобразователя

Преобразователь с плавающими конденсаторами

Выходное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами получается путем прямого соединения выхода фазы с положительной, отрицательной шиной или подключением через конденсаторы. Количество уровней выходных напряжений зависит от количества навесных конденсаторов и отношения между различными напряжениями.

Схема преобразователя с плавающими конденсаторами

Этот преобразователь, как и в случае каскадного преобразователя, также имеет модульную топологию, где каждая ячейка состоит из конденсатора и двух связанных ключей. Однако, в отличие от каскадного преобразователя добавление дополнительных силовых ключей к конденсаторному преобразователю не увеличивает номинальную мощность преобразователя, а только уменьшает скорость нарастания напряжения (dv/dt), улучшая коэффициент гармоник выходного сигнала. Как и у каскадного преобразователя, модульность уменьшает стоимость замены элементов, облегчает поддержку и позволяет реализовать отказоустойчивую работу.

Фазное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами

Конденсаторный преобразователь требует только один источник постоянного тока для питания всех ячеек и фаз. Поэтому, можно обойтись без входного трансформатора, а количество ячеек может быть произвольно увеличено в зависимости от требуемой выходной мощности. Подобно преобразователю с фиксированной нейтральной точкой, этому преобразователю требуется специальный алгоритм управления для регулирования напряжения на конденсаторах.

Инвертор тока

Для работы инвертору тока всегда требуется управляемый выпрямитель, чтобы обеспечить постоянный ток в звене постоянного тока. В стандартной топологии обычно используются тиристорные выпрямители. Чтобы уменьшить помехи в нагрузке, в звене постоянного тока используется расщепленная индуктивность. Инвертор тока имеет схему силовых ключей наподобие инвертора напряжения, но в качестве силовых ключей используются тиристоры с интегрированным управлением (IGCT). Выходной ток имеет форму ШИМ и не может быть напрямую приложен к индуктивной нагрузке (электродвигателю), поэтому инвертор тока обязательно включает выходной емкостной фильтр, который сглаживает ток и выдает гладкое напряжение на нагрузку. Этот преобразователь может быть реализован для работы на средних напряжениях и более того он по природе имеет возможность рекуперации энергии.

Схема инвертора тока с выпрямителем

Прямые преобразователи

Прямые преобразователи передают энергию прямо от входа к выходу без использования элементов накопления энергии. Основным преимуществом таких преобразователей является меньшие габариты. Недостатком – необходимость более сложной схемы управления.

Циклоконвертер относится к категории прямых преобразователей. Данный преобразователь широко использовался в приложениях требующих высокую мощность. Этот конвертер состоит из двойных тиристорных преобразователей на фазу, который может генерировать изменяемое постоянное напряжение, контролируемое таким образом, чтобы следовать опорному синусоидальному сигналу. Вход каждого преобразователя питается от фозосмещающего трансформатора, где устраняются гармоники входного тока низкого порядка. Выходное напряжение является результатом комбинации сегментов входного напряжения в котором основная гармоника следует за опорным сигналом. По своей природе данный преобразователь хорошо подходит для управления низкочастотными мощными нагрузками.

Схема циклоконвертера

Матричный преобразователь в его прямой и непрямой версии также принадлежит к категории прямых преобразователей. Основной принцип работы прямого матричного преобразователя (direct matrix converter) — возможность соединения выходной фазы к любому из входных напряжений. Преобразователь состоит из девяти двунаправленных ключей, которые могут соединить любую входную фазу с любой выходной фазой, позволяя току течь в обоих направлениях. Для улучшения входного тока требуется индуктивно-емкостной фильтр второго порядка. Выход напрямую соединяется с индуктивной нагрузкой. Не все доступные комбинации ключей возможны, они ограничены только 27 правильными состояниями коммутации. Как говорилось ранее, основное преимущество матричных преобразователей — меньшие габариты, что важно для автомобильных и авиационных приложений.

Схема прямого матричного преобразователя

Непрямой матричный преобразователь (indirect matrix converter) состоит из двунаправленного трехфазного выпрямителя, виртуального звена постоянного тока и трехфазного инвертора. Количество силовых полупроводников такое же как у прямых матричных преобразователей (если двунаправленный ключ рассматривается как два однонаправленных ключа), но количество возможных состояний включения отличается. Используя ту же самую конфигурацию непрямого матричного преобразователя, возможно упростить его топологию и уменьшить количество элементов ограничив его работу от положительного напряжения в виртуальном звене постоянного тока. Уменьшенная топология называется разреженный матричный преобразователь (sparse matrix converter).

Источник

Читайте также:  Источники тока превращение энергии аккумулятор