Частотные преобразователи

Назначение.

Преобразователи частоты представляют собой устройства силовой промышленной электроники и предназначены для преобразования однофазного или трехфазного напряжения сети переменного тока постоянной частоты в трехфазное напряжение регулируемой частоты. Возможность регулирования частоты выходного напряжения позволяет применять частотные преобразователи для изменения скорости вращения электродвигателей, одновременно обеспечивая умную защиту подключенной нагрузки. Кроме основной защиты от перегрузки по току, большая часть современных преобразователей частоты оснащена функциями защиты от понижения напряжения источника питания (защита ЗМН), перенапряжения, однофазного короткого замыкания на землю и других неисправностей. Наличие этих опций значительно увеличивает срок безаварийной эксплуатации электродвигателей. Регулирование частоты осуществляется по закону V/f или используется векторное управление. Системы под управлением частотных преобразователей обладают высоким коэффициентом полезного действия. За счет этого, а также благодаря возможности динамического изменения скорости вращения электродвигателя в зависимости от входных сигналов с датчиков или по заданной оператором программе, применение частотных преобразователей дает возможность снизить затраты на потребляемую электроэнергию до 30%. Окупаемость использования систем управления с преобразователями частоты в среднем достигается в первые 1-2 года после внедрения.

Устройство.

Частотный преобразователь состоит из нескольких основных электронных узлов.

1. Однофазный или трехфазный выпрямительный мост на основе диодов, тиристоров соединенных чаще всего по схеме Ларионова для трехфазных цепей.
2. ЭМС фильтр содержит дроссель на ферритовом сердечнике и неполярные конденсаторы.
3. Емкостная часть цепи постоянного тока состоит из сборки конденсаторов включенных последовательно для увеличения общего номинального напряжения и параллельно для увеличения общей емкости.
4. Схема управления собрана на основе микропроцессора, драйвера, опторазвязки.
5. Источник питания чаще всего состоит из многоканального импульсного блока питания с выходными каналами +5В, +12В, -12В, +24В. В редких случаях используются источники питания на основе низкочастотных понижающих трансформаторов.
6. Силовая часть частотных преобразователей обычно состоит из шести IGBT транзисторов, объединенных в IGBT модули.
7. Схема измерения основана на датчиках тока Холла.
8. Схема ввода-вывода представлена чаще всего в виде отдельной платы с АЦП, ЦАП, оптической развязкой, интерфейсом связи RS-485.
9. Узел ограничения зарядного тока конденсаторов цепи постоянного тока содержит термистор для устройств небольшой мощности или ограничительный резистор, шунтирующий нормально открытые контакты реле (контактора) для мощных частотных преобразователей.
10. Цепь торможения — тормозной резистор применяется для динамического торможения электродвигателей средней и большой мощности и может быть как встроенным, так и внешним по отношению к преобразователю частоты.
11. Система охлаждения может содержать радиатор и вентиляторы.
12. Панель управления с цифровым дисплеем — может являться как обязательной частью частотного преобразователя, так и независимым устройством для считывания и записи настроек.

Принцип действия.

Выпрямленное напряжение от шины постоянного тока поступает на IGBT транзисторы, которые управляются через оптическую развязку от драйвера ШИМ. На драйвер сигналы управления через схему согласования уровней передаются от микропроцессора, содержащего алгоритм управления. По этому алгоритму происходит управление работой драйвера и далее взаимозависимое открытие-закрытие соответствующих выходных транзисторов. В результате на выходе каждого из трех каналов будут получены сигналы синусоидальной формы со смещением друг относительно друга. Чем выше частота переключения ШИМ — тем больше форма синусоиды близка к идеальной. Наиболее частыми значениями частоты работы ШИМ являются 4 кГц, 8 кГц, 16 кгц. Эти значения могут быть изменены пользователем в процессе подготовки к эксплуатации.

Время выполнения запроса: 0,0025041103363 секунд.

Частотный преобразователь: устройство, принцип работы, назначение

Так как электропривод является одним из основных способов механизации производств и бытовых задач, в ряде случаев возникает необходимость регулировки оборотов электродвигателей. В зависимости от их вида и принципа работы используются различные технические решения. Одним из них является частотный преобразователь. Что это такое и где применяется частотник, мы расскажем в этой статье.

Определение

По определению частотный преобразователь – это электронный силовой преобразователь для изменения частоты переменного тока. Но в зависимости от исполнения изменяется и уровень напряжения, и число фаз. Может быть вам не совсем понятно, для чего нужен такой прибор, но мы постараемся рассказать о нём простыми словами.

Частота вращения вала синхронных и асинхронных двигателей (АД) зависит от частоты вращения магнитного потока статора и определяется по формуле:

n=(60*F/p)*(1-S),

где n – число оборотов вала АД, p – число пар полюсов, s – скольжение, f – частота переменного тока (для РФ – 50 Гц).

Простым языком, частота вращения ротора зависит от частоты и числа пар полюсов. Число пар полюсов определяется конструкцией катушек статора, а частота тока в сети постоянна. Поэтому, чтобы регулировать обороты мы можем регулировать только частоту с помощью преобразователей.

Устройство

С учетом сказанного выше сформулируем заново ответ на вопрос, что это такое:

Частотный преобразователь — это электронное устройство для изменения частоты переменного тока, следовательно, и числа оборотов ротора асинхронной (и синхронной) электрической машины.

Условное графическое обозначение согласно ГОСТ 2.737-68 вы можете видеть ниже:

Электронным он называется потому, что в основе лежит схема на полупроводниковых ключах. В зависимости от функциональных особенностей и типа управления будут видоизменяться и принципиальная электрическая схема, и алгоритм работы.

На схеме ниже вы видите как устроен частотный преобразователь:

Принцип действия преобразователя частоты лежит в следующем:

• Сетевое напряжение подаётся на выпрямитель 1 и становится выпрямленным пульсирующим.
• В блоке 2 сглаживаются пульсации и частично компенсируется реактивная составляющая.
• Блок 3 – это группа силовых ключей, управляемых системой управления (4) методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Такая конструкция позволяет получить на выходе двухуровневое ШИМ-регулируемое напряжение, которое после сглаживания приближается к синусоидальному виду. В дорогих моделях нашла применение трёхуровневая схема, где используется больше ключей. Она позволяет добиться более близкой к синусоидальной формы сигнала. В качестве полупроводниковых ключей могут использоваться тиристоры, полевые или IGBT-транзисторы. В последнее время наиболее востребованы и популярны последние два типа из-за эффективности, малых потерь и удобства управления.
• С помощью ШИМ формируется нужный уровень напряжения, простыми словами – так модулируют синусоиду, поочередно включая пары ключей, формируя линейное напряжение.

Так мы кратко рассказали, как работает и из чего состоит частотный преобразователь для электродвигателя. Он используется в качестве вторичного источника электропитания и не просто управляет формой тока питающей сети, а преобразует его величину и частоту в соответствии с заданными параметрами.

Виды частотников и сфера применения

Способы управления

Регулировка оборотов может осуществляться разными способами, как по способу установки требуемой частоты, так и по способу регулирования. Частотники по способу управления делят на два типа:

1. Со скалярным управлением.
2. С векторным управлением.

Устройства первого типа регулируют частоту по заданной функции U/F, то есть вместе с частотой изменяется и напряжение. Пример такой зависимости напряжения от частоты вы можете наблюдать ниже.

Она может отличаться и программироваться под конкретную нагрузку, например, на вентиляторах она не линейная, а напоминает ветвь параболы. Такой принцип работы поддерживает магнитный поток в зазоре между ротором и статором почти постоянным.

Особенностью скалярного управления является его распространенность и относительная простота реализации. Используется чаще всего для насосов, вентиляторов и компрессоров. Такие частотники часто используют, если нужно поддерживать стабильное давление (или другой параметр), это могут быть погружные насосы для скважин, если рассматривать бытовое применение.

На производстве же сфера применения широка, например, регулировка давления в тех же трубопроводах и производительности автоматических систем вентиляции. Диапазон регулирования обычно составляет 1:10, простым языком максимальная скорость от минимальной может отличаться в 10 раз. Из-за особенностей реализации алгоритмов и схемотехники такие устройства обычно дешевле, что и является основным преимуществом.

Недостатки:

• Не слишком точная поддержка оборотов.
• Медленнее реакция на изменение режима.
• Чаще всего нет возможности контролировать момент на валу.
• С ростом скорости сверх номинальной падает момент на валу двигателя (то есть когда поднимаем частоту выше номинальных 50 Гц).

Последнее связано с тем, что напряжение на выходе зависит от частоты, при номинальной частоте напряжение равняется сетевому, а выше частотник поднимать «не умеет», на графике вы могли видеть ровную часть эпюры после 50 Гц. Следует отметить и зависимость момента от частоты, она падает по закону 1/f, на графике ниже изображена красным, а зависимость мощности от частоты синим.

Преобразователи частоты с векторным управлением имеют другой принцип работы, здесь не просто напряжение соответствует кривой U/f. Характеристики выходного напряжения изменяются в соответствии с сигналами от датчиков, так чтобы на валу поддерживался определенный момент. Но зачем нужен такой способ управления? Более точная и быстрая регулировка – отличительные черты частотного преобразователя с векторным управлением. Это важно в таких механизмах, где принцип действия связан с резким изменением нагрузки и момента на исполнительном органе.

Такая нагрузка характерна для токарных и других видов станков, в том числе ЧПУ. Точность регулирования до 1,5%, диапазон регулировки – 1:100, для большей точности с датчиками скорости и пр. – 0,2% и 1:10000 соответственно.

На форумах бытует мнение, что на сегодняшний день разница в цене между векторными и скалярными частотниками меньше чем была раньше (15-35% в зависимости от производителя), а главным отличием является в большей степени прошивка, чем схемотехника. Также отметим, что большинство векторных моделей поддерживают и скалярное управление.

Преимущества:

• большая стабильность работы и точность;
• быстрее реакция на изменения нагрузки и высокий момент на низкой скорости;
• шире диапазон регулирования.

Главный недостаток – стоит дороже, чем скалярные.

В обоих случаях частота может задаваться вручную или датчиками, например, датчиком давления или расходомером (если речь вести о насосах), потенциометром или энкодером.

Во всех или почти во всех преобразователях частоты есть функция плавного пуска двигателя, что позволяет легче пускать двигатели от аварийных генераторов практически без риска его перегрузки.

Количество фаз

Кроме способов реагирования частотники отличаются и количеством фаз на входе и выходе. Так различают частотные преобразователи с однофазным и трёхфазным входом.

При этом большинство трёхфазных моделей могут питаться от одной фазы, но при таком применении их мощность уменьшается до 30-50%. Это связано с допустимой токовой нагрузкой на диоды и другие силовые элементы схемы. Однофазные же модели выпускаются в диапазоне мощностей до 3 кВт.

Важно! Учтите, что при однофазном подключении с напряжением на вход 220В, будет выход 3 фазы по 220В, а не по 380В. То есть линейное на выходе будет именно 220В, если говорить кратко. В связи с чем распространенные двигатели с обмотками, рассчитанными на напряжения 380/220В нужно соединять в треугольник, а те что на 127/220В – в звезду.

В сети вы можете найти много предложений типа «частотный преобразователь 220 на 380» — это в большинстве случаев маркетинг, продавцы любые три фазы называют «380В».

Чтобы получить настоящие 380В из одной фазы нужно либо использовать однофазный трансформатор 220/380 (если вход преобразователя частоты рассчитан на такое напряжение), либо использовать специализированный частотный преобразователь с однофазным входом и 380В трёхфазным выходом.

Отдельным и более редким видом преобразователей частоты являются однофазные частотники с однофазным выходом 220. Они предназначены для регулировки однофазных двигателей с конденсаторным пуском. Примером таких устройств являются:

• ERMAN ER-G-220-01
• INNOVERT IDD

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:

Зачем нужен частотный преобразователь — верный ответ

Преобразователь частоты является электронным устройством, которое служит для преобразования параметров частоты электрического тока. Его использование позволяет обеспечить непрерывное управления процессом трансформации входных электрических параметров — в выходные. 

Назначение и область применения преобразователей частоты

Наибольшую актуальность частотные преобразователи приобрели в сфере управления скоростью вращения синхронных и асинхронных электродвигателей. Использование частотников в значительной мере позволяет оптимизировать производство, снизить потребление энергоресурсов, и увеличить срок службы подключённого к ним электрооборудования.

Преимущества использования преобразователей частоты:

• управление и контроль скорости вращения электродвигателя;
• защита от бросков напряжения и перегрузок;
• обеспечение плавного пуска и остановки подконтрольного электрооборудования;
• облегчение рабочего процесса при выполнении сложных технических задач;
• устойчивость к продолжительным нагрузкам и импульсным действиям;
• возможность экономии энергоресурсов вплоть до 40-50 %;
• увеличение КПД электродвигателей;
• снижение износа и улучшение механических показателей подключённого оборудования;
• осуществление непрерывного мониторинга технологических параметров и возможность оперативного вмешательства.

Благодаря возможности регулировки скоростных характеристик двигателей, инверторы получили широкое распространение в промышленности и хозяйственной деятельности человека.

Сфера применения частотника:

• пищевая промышленность;
• тяжёлая промышленность;
• лёгкая промышленность;
• средства малой механизации;
• медицинское оборудование;
• насосное оборудование;
• система водоснабжения;
• компрессоры;
• транспорт;
• высокоточные электромеханические станки.

Устройство и принцип действия

Электрическая схема частотного преобразователя состоит из двух частей:

• силовой;
• управляющей.

Силовая часть собрана на транзисторах или тиристорах. Управляющая часть имеет вид электрической схемы на цифровых микропроцессорах, которая способна управлять силовыми электрическими составляющими входящих параметров.

Выделяют два этапа преобразования:

1) На первом этапе преобразования входное напряжение (220В либо 380В) выпрямляется с помощью диодного моста. Затем, проходя через фильтр собранный на конденсаторах, «вырезанные» части входного сигнала сглаживаются.

2) На этом этапе, из частей выпрямленного напряжения, формируется сигнал желаемой последовательности с необходимыми параметрами амплитуды и частоты. Это достигается при помощи микросхем, способных управлять выходными параметрами. Заданные элементами управления прямоугольные импульсы необходимой частоты передаются двигателю. Индуктивность обмотки статора интегрирует эти импульсы, превращая их в синусоиду.

Классификация частотников

По величине и типу электропитания различают инверторы нескольких видов:

• однофазные;
• трёхфазные;
• высоковольтные агрегаты.

Полупроводниковые частотные преобразователи производят преобразование тока или напряжения промышленной сети. Выходные параметры необходимого сигнала свободно регулируются элементами управления.

По принципу функционирования частотники делятся на классы:

ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока. Тиристорный либо транзисторный преобразователь, нуждающийся в дополнительном звене постоянного напряжения, для безопасной и правильной работы подключённого электродвигателя.

ПЧ с непрерывной связью питающей сети и электрической машины. Представляет собой тиристорный реверсивный преобразователь, способный надёжно функционировать без использования дополнительного оборудования.

У современных преобразователей частоты присутствует экранный дисплей с возможностью отслеживания и задания различных параметров (частота, ток, напряжение, мощность, скорость, крутящий момент, продолжительность работы инвертора).

В зависимости от сферы применения различают инверторы:

• промышленного применения;
• осуществляющие управление техники с насосно-вентиляторным типом нагрузки;
• используемые в условиях динамической нестабильности и взрывоопасности;
• монтируемые непосредственно на корпус двигателя;
• векторного способа управления;
• для кранового и подъёмного механизмов.

Способы подключения и настройка

Все современные преобразователи частоты оснащены специальными выводами для более удобного их подключения к электродвигателю. Всё сложное схемное исполнение уже смонтировано в корпусе агрегата. В электрической цепи инвертор занимает место сразу после автоматического выключателя, который должен соответствовать номиналу рабочего тока электродвигателя.

При включении частотного преобразователя в однофазную цепь, порог срабатывания автоматического выключателя рассчитывается на величину, в три раза превосходящую рабочий ток в этой цепи.

При трёхфазном питании, необходимо использовать специальный трёхфазный автоматический выключатель с общим рычагом. Ток срабатывания автомата в этом случае, должен ровняться рабочему току каждой из фаз двигателя.

“Внимание! Монтаж автоматического выключателя, при подключении двигателя к инвертору, необходимо выполнять в разрыв нулевого провода. Устанавливать автомат в разрыв провода заземления – запрещено! ”

Настройка подключения преобразователя частоты, заключается в правильном подсоединении проводов и жил кабеля необходимого сечения к конкретным выводам подключаемого электродвигателя.

Способы подключения частотных преобразователей частоты к электродвигателям:

Треугольник. Выводы преобразователя соединяются с последовательно соединёнными обмотками статора управляемого двигателя. Такое подключение используется для бытового подключения к однофазным сетям, где напряжение на выходе инвертора не превышает значение на входе более чем на 50%.

Звезда. Тип соединения, при котором выводы инвертора подключаются к параллельно соединённым обмоткам электродвигателя. Такое соединение используется при включении преобразователя в трёхфазную сеть промышленных объектов.

Остались вопросы?
Специалисты ЭНЕРГОПУСК ответят на Ваши вопросы:
8-800-700-11-54 (8-18, Пн-Вт)

Что такое преобразователь частоты и для чего он нужен?

Для регулирования работы асинхронного двигателя с целью не допустить снижения его КПД применяют специальные устройства – частотные преобразователи. Их работа заключается в том, что они плавно изменяют скорость вращения двигателя, с помощью смены частоты питающего напряжения.

В данной статье мы постараемся рассмотреть ряд незаметных, на первый взгляд, особенностей в работе асинхронного электродвигателя и проанализируем, насколько важно в ходе его эксплуатации использовать частотный преобразователь.

Что может привести к неисправности?

В асинхронном двигателе напряжение для работы чаще всего поступает через последовательно включенный автоматический выключатель. То сесть данный способ запуска двигателя по другому называется — плавный пуск. Таким образом это провоцирует высокий рост тока пусковой обмотки, что для оборудования закончится весьма плачевно.

Частотный преобразователь имеет к этому важное отношение – он контролирует ток электродвигателя. Формируя необходимое напряжение нужной амплитуды и частоты, частотник подает их на двигатель. Поясним – в процессе его запуска преобразователь отдает не полную частоту, скажем, в 50 Герц, а где-то 0,1Гц (или чуть больше). То же самое и с напряжением – не все 220 В или 380 В, а около 20-30 (смотря, какие выставлены настройки).

Принцип работы преобразователя частоты для электродвигателя

Все это позволяет пропускать через обмотку статора ток оптимального значения, не выше номинального показателя, чтобы создать магнитное поле, которое, в свою очередь, вместе с созданным в обмотке током создаст крутящий момент. Что касается принципов изменения характеристик напряжения, то подробно об этом, а также о критериях выбора частотника, вы можете прочесть здесь, в одной из других наших статей. Кстати, если говорить о критериях выбора, то отметим также, что выходные токи преобразователя частоты должны быть ниже тока полного режима нагрузки.

Выше мы описывали старт двигателя. Что касается разгона, то в ходе этого процесса преобразователь плавно повышает частоту и величину поступаемого напряжения, тем самым разгоняя двигатель. Главное – настроить частотник таким образом, чтобы времени на разгон уходило как можно меньше, а ток обмотки статора не был выше её номинального значения. Кроме того, важно поддерживать достаточный крутящий момент на валу.

Почему без преобразователя не обойтись? Главные преимущества его использования

Итак, преобразователь частоты дает следующие преимущества при управлении асинхронным двигателем:

1. Плавный пуск и остановка электропривода
2. Управление производительностью оборудования
3. Установка оптимальных режимов работы
4. Взаимное согласование электроприводов в сложных системах

Самые важные – это 1 и 2 пункты. Почему именно они?

Плавный пуск позволяет наращивать скорость постепенно, что позволяет не допустить скачков тока. Неконтролируемые скачки опасны, так как при прямом пуске они превышают номинальные показатели в 5-7 раз, что может спровоцировать высокую нагрузку на электросеть, защитит оборудование от перегрузок и сэкономит деньги на затратах электроэнергии.

Что касается управления производительностью, то в этом случае преобразователь частоты контролирует скорость работы электродвигателя с учетом «реальных нужд» в системе в целом. Это также помогает напрасно не тратить энергию и гарантирует её экономию в 30-60%.

Помимо 4-х основных преимуществ описанных выше, использование преобразователя обеспечивает следующие преимущества:

• Понижение величины пусковых токов в 4-6 раз
• Регулировка частоты и напряжения с экономией до 50% электроэнергии
• Самостоятельное выключение контактора, снятие напряжения и с его плавной подачей в звено постоянного тока
• Устранение ударных нагрузок, защита двигателя от механической перегрузки, либо недогрузки
• Понижение общего числа ненужных отключений при ударных нагрузках
• Обеспечение нужной величины и частоты при запуске оборудования, поддержание обратной связи смежных приводов
• Контроль скорости вращения ротора и анализ работы двигателя

Классификация частотных преобразователей

В первую очередь, данные устройства различаются по режимам работы:

• Амплитудно-частотное регулирование (скалярное) – применяются в обычных установках с вентиляторами, насосами, тележками, транспортерами и т.д. где не требуется стабилизация оборотов двигателя
• Векторное регулирование – используются на любом оборудовании, где возможны резкие изменения крутящего момента на валу, причем в большом диапазоне и где нужна высокая стабильность оборотов на валу электродвигателя.

По типу питания:

• Низковольтный 0,4 кВ
• Среднее напряжение 0,69 кВ
• Высоковольтный 6 и 10 кВ

Также данные устройства бывают с промежуточным звеном (связью) и без него. О характере работы таких устройств читайте тут, в ещё одной нашей статье.

Настройка

Настройка преобразователей выполняется строго по инструкции производителя и с учетом особенностей задачи, которая решается посредством оборудования, в котором установлен двигатель.

Например, если применяется асинхронный двигатель скалярного типа, то амплитуду сигнала и выходную частоту устанавливают по определенной формуле. Для других видов двигателя обычно используют датчики скорости вращения вала двигателя. Последовательность этапов алгоритма настройки мы перечислили здесь, в другом нашем материале.

Можно ли отказаться от частотных преобразователей?

Можно. Но лучше этого не делать. Безусловно, скорость вращения можно также регулировать и при помощи гидравлической муфты или механического вариатора и других. Но данные приспособления неэкономичны (а в промышленности это крайне важно!), у них узкий диапазон регулирования, что доставляет серьезные неудобства в ходе эксплуатации, а также они гораздо быстрее выйдут из строя. 

Итоги: почему нужно использовать преобразователи частоты?

Вот основной перечень преимуществ для работы оборудования, которые вы получаете, используя преобразователи:

• Плавный пуск и плавную остановку оборудования
• Эффективную защиту от перегрузок и бросков напряжения
• Возможность эксплуатации оборудования с большими номинальными сетевыми напряжениями и токами
• Понижение энергопотребления
• Стабильность технологического процесса и улучшение КПД

Итак, это наиболее важная информация о частотных преобразователях, которую мы хотели до вас донести. В завершение скажем о том, от чего зависит стоимость и на что стоит обращать внимание при выборе. Это такие факторы, как марка производителя, модель и тип управления преобразователем. Также стоит обращать внимание при выборе на тип и уровень мощности двигателя, его диапазон и точность, а также степень точности поддержки крутящего момента.

Преобразователь частоты: описание и применение

Преобразователь частоты: вся информация об устройстве

Оглавление

Физическая основа преобразователей частоты.

Конструкция и принцип работы преобразователей частоты.

Выпрямитель.

Промежуточная цепь.

Инвертор.

Типы управления частотным преобразователем.

Интерфейсы частотных преобразователей.

ГОСТы и ТУ для частотных преобразователей.

Преимущества использования частотных преобразователей.

Недостатки преобразователей частоты.

Назначение и область применения частотных преобразователей.

Как выбрать частотный преобразователь?

Как осуществляется подключение преобразователя частоты?

Техника безопасности при подключении преобразователя частоты.

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

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

Работа преобразователей частоты строится на следующей формуле:

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

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

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

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

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

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

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

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

• Управления.
• Электропреобразований.

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

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

• Выпрямитель.
• Промежуточная цепь.
• Инвертор.

Поговорим о каждом более подробно.

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

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

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

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

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

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

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

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

Существует два основным метода управления электродвигателями с использованием частотных преобразователей:

• Скалярный.
• Векторный.

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

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

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

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

Существует два класса векторных систем управления:

• Без датчиков скорости.
• С датчиками скорости.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рекомендации по покупке частотных преобразователей

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

Перед тем как покупать преобразователь частот, необходимо:

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

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

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

Преобразователи частоты. Различие между ними.

Настоящим прорывом в области регулируемого электропривода стало появление силовых преобразователей частоты или как их именуют в профильной среде — частотников. Это открытие кардинально изменило подход в проектировании систем электроприводов. Если относительно недавно при проектировании сложных механизмов, где без точного регулирование параметров (скорость, момент) не обойтись, выбирались двигатели постоянного тока — ДПТ, то с появлением частотников привода переменного тока начали активно вытеснять двигатели постоянного тока из данных систем. Даже в тяговых электроприводах асинхронный двигатель с коротко-замкнутым ротором вытесняет ДПТ последовательного возбуждения.

Содержание:

Классификация преобразователей частоты

Техническое устройство, преобразующее переменное напряжения  одной частоты на входе, в изменяющееся по определенному закону переменное напряжение, но уже другой частотой на выходе называется преобразователем частоты (ПЧ). Бывают двух типов:

• Непосредственные
• Двухзвенные

Непосредственные – это реверсивный тиристорный преобразователь. Главное его достоинство в том, что он подключается напрямую в сеть без дополнительных устройств.

Двухзвенные – представляют собой транзисторный или тиристорный преобразователь. Но главное их отличие от непосредственных преобразователей в том, что для корректной и безопасной работы инвертора необходимо звено постоянного напряжения. Соответственно для подключения их к общепромышленным сетям необходим выпрямитель. Как правило изготавливаются комплектными (инвертор и выпрямитель поставляются вместе и работают от одной системы управления).

Двухзвенные преобразователи частоты

Двухзвенный или как его еще называют со звеном постоянного тока, созданный на базе АИН (автономный инвертор напряжения), содержит в комплекте выпрямитель и фильтр:

ЭМ – электрическая машина, АИН – автономный инвертор напряжения, L_ф, С_ф – индуктивности и емкости фильтра, f_нз – задание частоты выхода инвертора, u_dз – задание выходного напряжения для выпрямителя, если используются управляемые выпрямители, СУВ, СУИ – системы управления выпрямителем и инвертором соответственно, u_нз – задание выходного напряжения инвертора, В – выпрямитель. Пунктиром показаны связи, которые включаются в систему в зависимости от типа устройства.

Для улучшения качества энергии в звене постоянного напряжения и сглаживании пульсаций напряжения и тока используют L-C фильтр. Зачастую он имеют Г – образную схему включения, как показано выше. Также иногда используют фазовый сдвиг в цепи переменного напряжения путем включения обмоток трансформатора в треугольник и звезду:

Данная схема более дорогостоящая и может применяться только при использовании индивидуального трансформатора.

В данной системе выпрямитель может быть управляем или не управляем. Если он управляем, то функция регулирования напряжения ложится на него, если нет, то на АИН. Для рекуперации энергии в сеть выпрямитель должен быть полностью управляем и реверсивен (двухкомплектный). Управление частотным преобразователем производится импульсным методом. Самые распространенные методы это ШИР (широтно-импульсное регулирование) и ШИМ (широтно-импульсная модуляция).

Еще более широкое применение получили автономные инверторы тока (АИТ):

АИТ – автономный инвертор тока, СУИ, СУВ – системы управления преобразователями, УВ – управляемый выпрямитель, L_ф – индуктивность фильтра, f_нз – задание частоты выходного тока, і_dз – задание выходного тока в звене постоянного тока.

В отличии от АИН, где регулируемой выходной величиной является напряжение, в АИТ регулируемой величиной является ток. Немаловажную роль в формировании выходного сигнала заданной частоты является частота коммутации транзисторов или тиристоров. Чем выше частота коммутации, тем лучше качество синусоиды на выходе частотника, но возрастают потери в преобразователе. Ниже приведен результат моделирования работы АИТ (на IGBT транзисторах) на активно-индуктивную нагрузку при различных частотах коммутации:

Частота коммутации 800 ГцЧастота коммутации 2000 Гц 

Частота коммутации 8000 Гц

Как видно из графиков уменьшение частоты коммутации очень плохо влияет на выходное качество тока. Поэтому для каждого устройства необходимо подбирать частоту коммутации частотника соответственно качеству выходного напряжения или тока. Для оптимизации данных процессов на выходе преобразователя частоты иногда ставят L-C фильтр, для сглаживания пульсаций токов и напряжений:

Как видим из схемы —  последовательно подключают индуктивность, для сглаживания пульсаций тока, и параллельно емкость, для сглаживания пульсаций напряжения.

Также работа частотника генерирует высшие гармоники в питающей сети:

Ток двух фаз питающего напряжения

Для уменьшения влияния высших гармоник на сеть используют фильтро-компенсирующие устройства (ФКУ)

Ниже показаны принципиальные схемы преобразователей частоты.

Автономный инвертор напряжения с управляемым выпрямителем

Тиристоры VS1-VS6 выполняют роль выпрямителя. Транзисторы VT1-VT6 преобразуют постоянное напряжение в переменное заданной частоты. Диоды VD1-VD6 защищают транзисторы от перенапряжений, а также играет роль обратного выпрямителя при торможении машины. Транзистор VT7 выполняет роль ключа для резистора торможения R_б. При увеличении напряжения на емкости С_ф выше заданного, транзистор VT7 открывается и вводится в работу тормозной резистор R_б, на котором рассеивается энергия переданная от электрической машины. При глубоком регулировании VD0 повышает коэффициент мощности выпрямителя.

Данный ПЧ не может рекуперировать энергию в сеть, а также насыщает выходное напряжение высшими гармониками и усложняет систему управления из-за необходимости управления УВ. При исполнении УВ двухкомплектным, рекуперирует энергию в сеть, но усложняет систему и делает ее более дорогостоящей. В настоящее время является устаревшим.

Автономный инвертор напряжения с неуправляемым выпрямителем

Диоды VD7-VD12 выполняют роль выпрямителя. Транзисторы VT1-VT6 преобразуют постоянное напряжение в переменное заданной частоты. Диоды VD1-VD6 защищают транзисторы от перенапряжений, а также играет роль обратного выпрямителя при торможении машины. Транзистор VT7 выполняет роль ключа для резистора торможения R_б. За счет использования ШИМ происходит регулирование амплитуды выходного напряжения и его частоты.

При использовании неуправляемого выпрямителя  для торможения двигателя АИН переводится в режим управляемого выпрямителя, работающего таким образом, что напряжение на емкости С_ф выше заданного, несмотря на уменьшение скорости вращения двигателя. При увеличении напряжения на емкости С_ф открывается транзистор VT7 и энергия выделяемая электродвигателем гасится на тормозном резисторе.

Данный способ торможения получил названия инверторного торможения, хотя инвертирования на самом деле нет. Это связано с тем, что термин динамическое торможение для систем с асинхронным двигателем занят, под ним понимается пропускания постоянного тока через обмотки двигателя.

Главным недостатком такой системы есть отсутствие возможности рекуперировать энергию в сеть, но она получила широкое применение для систем, где не требуется частое торможение.

Рекуперирующий двухзвенный преобразователь частоты на основе обратимого преобразователя напряжения

ОПН – обратимый преобразователь напряжения. В данной схеме имеется два ОПН. ОПН1 работает в выпрямительном режиме и передает энергию через ОПН2, работающий в инверторном режиме, к двигателю. При торможении ОПН2, подключенный к двигателю переходит в выпрямительный режим, а ОПН1, подключенный к сети, в инверторный режим. При этом происходит рекуперация энергии в сеть. Если задать схеме управления на входе cosφ = ± 1, то во всех режимах при регулировании и торможении двигателя из сети будет потребляться или в сеть будет отдаваться практически только активная мощность, а ток будет практически синусоидален, что определяет минимальное вредное влияние на питающую сеть. Эти преобразователи на сегодняшний день являются самыми близким к идеальным.

Ниже приведена функциональная схема данного устройства:

В схеме имеются следующие элементы: ОПН1, подключенный к сети, ОПН2, подключенный к двигателю, датчики тока и напряжения ДТ1 и ДН1 на стороне сети и ДТ2 и ДН2 на стороне постоянного напряжения. Требуемая мощность на стороне постоянного напряжения определяется измерением средних значений Ud и Id, а затем и мощности Pd с помощью вычислителя ВМ, куда поступают сигналы с ДН2 и ДТ2 через фильтр Ф. По действующему значению напряжения сети U1, определенному с помощью вычислителя напряжения ВН, и с учетом заданного угла φ1 определяется ток I1зад, обеспечивающий заданную мощность. Блок ФСН формирует синусоидальное напряжение, повторяющее напряжение сети, а блок «φ1» формирует заданную синусоиду с учетом фазового сдвига φ1. В блоке «ЗАД i1» формируется заданная синусоида тока. В модуляторе М она сравнивается с сигналом датчика тока ДТ1 i1, и формируются управляющие импульсы, которые через усилитель мощности УМ поступают на транзисторы. Блок НТ определяет направление тока (выпрямительный или инверторный режим). Блок выбора режима ВР в соответствии с сигналом от НТ задает угол φ1.

Преимущества двухзвенного рекуперирующего ПЧ: независимость выходной частоты от входной, возможность получения высокого коэффициента мощности на стороне сети. К недостаткам можно отнести: высокая стоимость, сложность системы управления.

Рекуперирующие двухзвенный преобразователь частоты на основе инверторов тока

Автономный инвертор тока, преобразовывает постоянный ток, подаваемый на его вход, в пропорциональный по величине переменный ток. Режим источника тока на входе обеспечивается за счет большой индуктивности L и применения токостабилизирующей обратной связи, поддерживающей заданное значение тока Idз. АИТ выполнен по схеме с отсекающими диодами. Рекуперация энергии при торможении в АИТ возможна при сохранении направления тока за счет сдвига токов и напряжений, т.е. переводом АИТ в режим выпрямления за счет сдвига управляющих импульсов относительно фазных ЭДС электрической машины.

Энергия, передаваемая от электрической машины на сторону постоянного напряжения, должна быть далее передана в сеть переменного напряжения. Для этого управляемый выпрямитель на входе ПЧ должен быть переведен в инверторный режим. При этом сохраняется направление тока и не требуется установка дополнительного комплекта вентилей. Схема применяется в двигателях достаточно большой мощности. Недостатками схемы являются ее не очень хорошие характеристики, поэтому она не является перспективной.

Появление запираемых тиристоров позволило улучшить характеристики ДПЧ на основе АИТ.

Формирование выходного тока осуществляется совместно управляемым выпрямителем и автономным инвертором тока.

Показана временная диаграмма, отражающая моменты включенного и выключенного состояний тиристора V1. На участке соответствующим зоне 2, ключ V1 включен постоянно, и ток сглаживающего дросселя непрерывно поступает в фазу А двигателя. Для формирования тока в зонах 1 и 3 необходимо соответствующим образом переключать тиристоры. Для обеспечения нарастания и спадания тока (зоны 1 и 3) обычно используется два метода – трапецеидальный и метод выборочного исключения гармоник.

При использовании первого метода моменты коммутации ключей АИТ определяются по пересечению линейно нарастающего сигнала и опорного сигнала пилообразной формы следующего с несущей частотой, при втором методе моменты коммутации ключей рассчитываются заранее исходя из условия подавления высших гармоник определенного порядка (5 и 7 и т.д.). В этой схеме улучшается синусоидальность тока, протекающего по фазам двигателя. Но сохраняются все недостатки, возникающие при питании от сети управляемых выпрямителей напряжения. Преобразователи частоты на основе инверторов тока наиболее применимы в электроприводе синхронных машин, где на выходе вместо автономного инвертора тока включается инвертор тока, ведомый электрической машиной.

Таким образом, на входе и на выходе ПЧ включаются однокомплектные рекуперирующие преобразователи (ОРП) на тиристорах. При этом ведомый инвертор полностью аналогичен выпрямителю, подключенному к сети. Коммутация вентилей ведомого инвертора осуществляется за счет ЭДС электрической машины.При низкой скорости вращения электрической машины эта ЭДС недостаточна для коммутации вентилей. Поэтому при пуске коммутация осуществляется путем прерывания тока в цепи постоянного тока включением и запиранием выпрямителя.

Непосредственные преобразователи частоты

При использовании НПЧ напряжение из сети подается через управляемые вентили на двигатель. В каждой фазе НПЧ установлен реверсивный двухкомплектный преобразователь с совместным или раздельным управлением силовыми комплектами.

На рис. 1а приведена схема трехфазно-однофазного НПЧ на основе трехфазных нулевых схем. Он преобразует трехфазное напряжение в однофазное, но с регулируемой частотой.Комплекты В и Н переключаются, и на выходе получается двуполярное напряжение. Для управления преобразователями используют определенные законы управления — прямоугольный и синусоидальный. Если используют прямоугольный принцип управления, то алгоритм работы будет таков: при прохождении одной полуволны напряжения, на один из комплектов подаются управляющие импульсы с углом управления (углом задержки) a = const. Этот комплект будет работать в режиме выпрямителя, а затем с углом управления (углом опережения) b = a. Чтоб снизить ток необходимо перейти в инверторный режим (рис. 1 б). Для избежания короткого замыкания в самом инверторе необходимо чтоб ток снизился до нуля – это называется бестоковой паузой. После осуществления бестоковой паузы в работу включается второй комплект.

Если используют синусоидальное управление, то гладкая составляющая выходного напряжения должна изменятся по синусоидальному закону, для этого угол управления a непрерывно меняется (рис. 1 в).

Рисунок 1. 

Схема трехфазно-трехфазного НПЧ, выполненного на основе трехфазных мостовых схем. Ниже приведена схема.

Данный тип преобразователей не получил широкого применения из-за ряда недостатков при его применении. А это: невозможность полного регулирования выходной частоты (при использовании трехфазных мостовых схем диапазон регулирования 25-45 Гц, а при нулевых 15-45 Гц). Постоянная коммутация вентилей, что приводит к ухудшению коэффициента мощности, а также плохое качество выходного напряжения и большое влияние на питающую сеть.

Преимуществом можно признать то, что у таких преобразователей более высокий КПД, из-за однократного преобразования энергии.

Наиболее распространены преобразователи частоты на базе АИТ и АИН на IGBT транзисторах, в силу лучших показателей качества энергии на выходе преобразователя и их влияния на сеть.

Частотный преобразователь для электродвигателя — устройство, принцип работы

Для несведущего человека словосочетание «частотный преобразователь для электродвигателя» звучит совершенно непонятно. Что это такое, какие частоты и во что он преобразовывает — даже и не хочется задумываться. А ведь подобные устройства занимают не последнее место по важности практически на любом производстве.

Да что промышленность, некоторые приборы и в быту не смогли бы так облегчать жизнь, как они это делают, не будь изобретен частотный преобразователь. Самый яркий тому пример — стиральная машина-автомат. Ведь все изменения скорости вращения барабана при стирке, полоскании или отжиме — это заслуга подобного устройства.

А электромоторы современных автомобилей — ведь и в них за скорость вращения отвечают преобразователи частоты. Кстати, тем, кто ездит на работу на таком виде транспорта, как трамвай и троллейбус, наверное, тоже будет интересно понять, как развивает обороты подобная техника. А значит, необходимо разобраться, что же такое частотный преобразователь, как он устроен и по какому принципу работает, и как сделать подобное устройство так, чтобы оно было понятно даже для чайников.

Внешний вид частотного преобразователя

Что такое частотник?

Под этим термином подразумевается частотный преобразователь для двигателя, то есть сложное техническое устройство, которое обладает возможностью преобразовывать входной переменный ток 50 Гц, меняя на выходе частоту. Если брать характеристики современных преобразователей, то параметры их работы могут колебаться в диапазоне от 1 до 800 Гц.

Многие могут спросить, для чего нужно такое преобразование частоты. Все просто — для плавного запуска и изменения оборотов любого электродвигателя. Как раз по этой причине и появляется разница в скорости вращения барабана современных стиральных машин.

Все преобразователи можно разделить на три основных типа – это однофазный аппарат, трехфазный и высоковольтный. Схема частотника любого из этих типов схожа, за исключением небольших нюансов.

Принцип работы высокочастотного преобразователя заключается в создании экономичного режима, при помощи которого появляется возможность управлять такими характеристиками, как привод, скорость и крутящий момент агрегата, согласовываясь с заданными параметрами и характером циклов.

Вместе с выполняемой основной работой, на жидкокристаллический экран, которым снабжен современный частотный преобразователь для асинхронного двигателя, выводится информация о параметрах; выходное значение частот, скоростей, мощностей, а так же крутящих моментов. Так же на нем отображается и информация о продолжительности функционирования.

Схема, отображающая принцип частотного преобразователя

Преобразователь частоты для асинхронных двигателей по назначению, которое может быть:

• Промышленным, с мощностями, не превышающими 315 кВт, с тремя фазами;
• Частотники векторного управления, с мощностями, не превышающими 500 кВт, так же с тремя фазами;
• С управлением аппаратами насосно-вентиляторного типа, с нагрузкой до 315 кВт;
• Для работы с кранами и другими механизмами подъемного типа;
• Применяемые во взрывоопасных областях;
• Частотные преобразователи, монтируемые непосредственно на двигатели.

Строение современного преобразователя

Общая схема частотного преобразователя состоит из двух составляющих — это управляющая и силовая. Обычно вторая выполнена с использованием транзисторов или тиристоров. Основную работу по контролю выполняют микропроцессоры, которые посредством работы ключа, который замыкает, либо размыкает цепь, работая как привод. Он решает многие задачи, связанные не только с контролем работы двигателя, но и с защитой при возникновении внештатной ситуации, и с диагностикой оборудования.

Так же преобразователи частоты можно разделить на два типа по принципам их работы — с промежуточным звеном или без него.

Область применения каждого из типов и видов частотных преобразователей как раз и обусловлена преимуществами и недостатками, которыми они обладают.

Теперь, когда в общих чертах стал понятен принцип действия частотного преобразователя, имеет смысл разобраться с вопросом выбора подобного электропривода для частных целей.

Конечно, если известна электрическая схема преобразователя частоты, то вполне реально собрать подобный частотник своими руками, но это очень трудоемкий процесс, который под силу только профессионалу. Любитель, не знакомый со спецификой подобной работы не соберет самодельный инвертор.

Полная схема частотного преобразователя

Конечно, производитель заинтересован в снижении себестоимости изготавливаемой продукции, так сохраняется его конкурентоспособность и увеличивается прибыль. А потому он старается минимизировать затраты за счет уменьшения возможностей частотных преобразователей, в результате чего производятся агрегаты с минимальным функционалом, но по меньшей цене.

Как раз набор встроенных функций и может играть главную роль при выборе подобных устройств, так как от этого может зависеть и долговечность приобретаемого частотного преобразователя. А потому необходимо понять, какие функции будут важны, а какими можно поступиться в угоду кошельку.

Способ управления

По этому параметру асинхронный преобразователь частоты может быть скалярным или векторным. Вторые в наше время более распространены, но и стоимость их выше. Главное достоинство векторных частотных преобразователей в их регулировке, которая очень точна. У скалярных частотников простейшее управление, не способное к изменению частот в процессе работы двигателя, а, следовательно, и его скорости. Поэтому оптимальной станет установка подобных устройств на маломощные двигатели, например, вентиляторы. Он вполне обеспечит плавный пуск, минимизирует расход электроэнергии и продлит срок службы двигателя, но это все, на что он способен.

По мощности

Не возникает вопросов в том, что лучше агрегаты с большей мощностью. Хотя для бытового использования подобный показатель не слишком важен, главное, чтобы хватило для двигателя, на который будет устанавливаться приобретаемый частотный преобразователь.

Основное внимание следует обратить на марку агрегата. Идеальным будет вариант приобретения устройства, сделанного именно тем производителем, который выпустил и двигатель. От этого будет зависеть эффективность рабочего тандема. Да и присутствие поблизости фирменного центра обслуживания играет немаловажную роль.

Схема блока питания для частотного преобразователя.

Напряжение в сети

Здесь, конечно же, главный критерий — широта рабочего диапазона напряжений. Все знают, как работает наша электросеть, где перепады временами бывают очень существенными, а потому подумать о безопасности оборудования при подобных неприятностях стоит заранее. Конечно, понижение в сети не доставит больших неприятностей, максимум – отключится частотник для трехфазного электродвигателя, а вот резкое повышение может привести к очень серьезным последствиям. Электролитические конденсаторы, скорее всего, не выдержат и взорвутся, что, естественно, приведет к выходу из строя устройства на долгое время.

Частотная регулировка

В этом вопросе решать придется каждому самому, исходя из области применения частотного преобразователя. К примеру, если частотник пойдет на шлифовальную машину, то, скорее всего, необходимый диапазон регулируемых частот составит 10–100 Гц. Особенность этого параметра в том, что если требуется действительно широкодиапазонный агрегат, то необходимо устройство векторного типа.

Дискретные входы

Для обеспечения формирования необходимой команды с блока управления в частотниках имеются специальные входы, называемые дискретными. Посредством их происходят все рабочие процессы в двигателе, то есть именно они управляют запуском, остановкой, разгоном и торможением, реверсом и т.п. Обратная связь, при помощи которой происходят операции контроля за состоянием и настройки, производится посредством аналоговых входов. По сути, большее количество подобных функций улучшает качество устройства, но в то же время и усложняет его настройки, и увеличивает ценовую категорию.

Варианты подключения электродвигателя

Соотношение цены и количества выводов

Конечно, необходимо присутствие выводов, как аналоговых, так и дискретных, без них невозможна работа частотного преобразователя и взаимодействие его с двигателем. К тому же большее их количество обеспечивает и лучшее взаимодействие агрегатов, но ведь и ценовую политику никто не отменял. Сложности в вопросе, как настроить инвертор, не столь существенны, так как при неспособности одного человека их произвести, всегда может найтись тот, кто выполнит подобную работу.

В общем, в этом вопросе каждый сам решает по мере своих финансовых возможностей.

Перегрузки и ШУ

ШУ или шина управления выбирается согласно схеме подключения устройства. Необходимо понимать, что входы и выходы должны быть в равных количествах, но, при этом, оптимальным будет небольшой запас, ведь оборудование, возможно, будет совершенствоваться.

При подборке частотного преобразователя желательно наличие документов по техническим характеристикам двигателя. Агрегат по номиналу должен быть мощнее двигателя как минимум на 10 %. Ну при отсутствии документации, если gпоказатели не известны, конечно, придется «угадывать» параметры приемлемого частотного преобразователя.

Области применения

Благодаря тому, что множество моделей современных частотников выполнены с применением высоких технологий, с внедрением в их схему микроконтроллеров увеличилось и количество выполняемых ими функций, практически вся работа по управлению и безопасности легла на них, с чем они вполне успешно справляются.

И тому подтверждение — практически во всех отраслях производств задействован именно векторный частотник для трехфазного электродвигателя на микроконтроллерах. Область применения подобных агрегатов:

• Водоснабжение, теплоснабжение с изменением темпов передачи воды, как горячей, так и холодной. Теперь не требуется постоянное участие человека в регулировании этих процессов, так как встроенный микроконтроллер справляется со всем сам. Человеку остается лишь контроль.
• Заводские условия машиностроения. Станки с числовым программным управлением прекрасно себя зарекомендовали.
• Легкая текстильная промышленность так же постепенно наращивает количество станков, контролируемых подобными устройствами.
• Энергетика и производство топлива.
• Технологические процессы управленческой автоматики.
• Насосы для водоотведения.

Для управления частотным преобразователем существуют специально созданные программы, которые поддерживают непрерывную связь с основным компьютером через беспроводные сети. Здесь же, на монитор, работающий с ними в связке, выводятся и все показатели, которые касаются состояния агрегата, проделанную работу и так далее, отсюда и осуществляется полное управление циклами, будь то запуск или остановка двигателя, ускорение, замедление или реверс. Естественно, что все данные архивируются и сохраняются на сервере и могут быть использованы по мере надобности.

Подобный обмен производится поэтапно, следуя алгоритму «идентификация – инициализация – управление». Такой принцип работы частотных преобразователей и обеспечивает им популярность.

И даже цены на устройства, обеспечивающие бесперебойное питание в наше время, зависят от наличия или отсутствия в них таких устройств, а потому, скорее всего и экономика, и энергетика должны показать более высокий и быстрый рост именно благодаря новейшим и высокотехнологичным разработкам частотных преобразователей.

Похожие статьи: