Преобразователи частоты

Преимущества использования частотных преобразователей

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.

Монтаж и пропитка

Устройство и принцип действия преобразователя

Основной функцией частотного преобразователя является регулировка скорости вращения асинхронных двигателей, с помощью которых электрическая энергия преобразуется в механическую. Первоначальное движение трансформируется в другие типы движений, необходимые для выполнения конкретной технологической операции. Использование частотных преобразователей позволяет довести коэффициент полезного действия электродвигателя до 98%.

Частотный преобразователь регулирует скорость вращения трехфазных электрических двигателей асинхронного типа. Вращение, полученное под действием электроэнергии, превращается в механическое движение с помощью специальных приводных устройств. Регулировка скорости вращения может осуществляться и другими устройствами. Однако все они обладают серьезными недостатками в виде высокой стоимости, сложной конструкции и низкого качества. Кроме того, диапазон регулировок подобных приспособлений совершенно недостаточный для нормальной работы.
Все эти проблемы эффективно решаются с помощью частотного преобразователя. Этот аппарат помимо обеспечения плавного пуска и остановки, контролирует и другие процессы, происходящие в двигателе. Использование частотника сократило до минимума риск возникновения неисправностей и аварийных ситуаций. Быстродействие и плавную регулировку обеспечивает специально разработанная схема частотного преобразователя для трехфазного двигателя. В результате ее применения существенно возросла продолжительность непрерывной работы электродвигателя, удалось добиться значительной экономии электроэнергии и увеличения КПД.

За счет чего же становится возможным управлять скоростью вращения электродвигателя? Прежде всего в частотном преобразователе изменяется напряжение, поступающее из сети. Далее, из него формируется уже нормальное трехфазное напряжение с нужной амплитудой и частотой, которое и потребляет электродвигатель. Регулировка скоростей осуществляется в достаточно широком диапазоне. В случае необходимости частотник позволяет переключить вращение ротора на противоположное направление. Все регулировки должны выполняться с учетом паспортных данных агрегата, с учетом максимально допустимых оборотов и установленной мощности.

Общее устройство частотного преобразователя представлено на схеме. В конструкцию аппарата входят три составные части:

  • Выпрямитель. При подключении к источнику электропитания формирует напряжение постоянного тока. В зависимости от модификации бывает управляемым или неуправляемым.
  • Фильтр. Предназначен для сглаживания выпрямленного напряжения, поэтому в его конструкцию входят конденсаторы.
  • Инвертор. Непосредственно формирует напряжение с нужной частотой и подает его на двигатель.

Основная классификация частотников осуществляется в зависимости от вида управления скоростью вращения. Существует два основных режима:

  1. Скалярный режим без обратной связи. В данном случае осуществляется управление магнитным полем статора.
  2. Векторный режим с обратной связью или без нее. Тут взаимодействуют магнитные поля ротора и статора, что и учитывается при управлении. В этом режиме происходит оптимизация момента вращения на различных скоростях. Данный способ управления считается более точным и эффективным. Однако он требует специальных знаний и навыков, более дорогой в обслуживании.

Как выбирать

Для производителей преобразователей частоты и другого электронного оборудования основным инструментом завоевания рынка является цена. С целью её уменьшения они создают приборы с минимальным набором функций. Соответственно, чем универсальнее конкретная модель, тем выше её цена. Для нас это имеет большое значение по той причине, что для эффективной и долгой работы двигателя может потребоваться ПЧ с определенными функциями

Давайте рассмотрим основные критерии, на которые следует обращать внимание

Управление

По способу управления частотные преобразователи делят на векторные и скалярные. Первые на сегодня встречаются гораздо чаще, однако имеют более высокую цену по сравнению со вторыми. Преимущество векторного управления заключается в высокой точности регулировки. Скалярное управление очень просто, оно может лишь удерживать соотношение выходного напряжения и частоты на заданной величине. Такой преобразователь целесообразно ставить на небольшой прибор без высокой нагрузки на двигатель, например, вентилятор.

Мощность

Безусловно, чем это значение выше, тем лучше. К слову, в данном вопросе цифры не столь важны

Обратите большее внимание на фирму-производителя – чем «родственнее» ваше оборудование друг к другу, тем более эффективно оно будет работать. Кроме того, использование нескольких преобразователей от одного бренда поддерживает принцип взаимозаменяемости и простоты обслуживания

Подумайте и наличии в вашем городе соответствующего сервисного центра.

Частотник, частотный преобразователь 220 - 380 регулятор оборотов электродвигателяЧастотник, частотный преобразователь 220 — 380 регулятор оборотов электродвигателя

Сетевое напряжение

В данном случае действует тот же принцип, что и в предыдущем разделе – чем шире рабочий диапазон напряжения, тем лучше для нас. Отечественные электросети, к сожалению, слабо знакомы с понятием «стандарт», поэтому лучше максимально обезопасить аппаратуру от вероятных перепадов. Падение напряжения едва ли приведет к серьезным последствиям (преобразователь, скорее всего, просто отключится), а вот большое повышение опасно – оно может привести поломке устройства в результате взрыва электролитических сетевых конденсаторов.

Диапазон частотной регулировки

В данном случае следует опираться исключительно на требования производства и конкретных устройств

Так, например, для такого оборудования, как шлифовальные машины важно значение максимальной частоты (от 1000 Гц). Стандартом нижнего предела считается соотношение 1 к 10 по отношению к верхнему

На практике чаще всего используются преобразователи с диапазоном от 10 до 100 Гц. Заметьте, что широким диапазоном регулировки обладают только модели преобразователей с векторным управлением.

Входы управления

Для передачи команд управления в преобразователях предназначены дискретные входы. С помощью них осуществляется запуск двигателя, остановка, торможение, обратное вращение и т.д. Для сигналов обратной связи, осуществляющих текущий контроль и настройку привода непосредственно во время работы, используются аналоговые входы. А цифровые используются для передачи сигналов с высокой частотой, генерируемых энкодерами (датчиками угла поворота).

Фактически, чем больше вводов, тем лучше, однако большое их количество не только делает сложной настройку прибора, но и повышает его стоимость.

Количество выходных сигналов

Дискретные выходы преобразователя необходимы для вывода сигналов, сообщающих о возникновении проблем, таких как, перегрев устройства, отклонение величины входного напряжения от нормы, авария, ошибка и т.п. Аналоговые выходы необходимы для передачи обратных связей в сложных системах. Принцип выбора тот же: ищите баланс между количеством сигналов и стоимость прибора.

Шина управления

В поиске подходящей шины управления поможет схема подключения преобразователя частоты – количество выходов и входов должно быть, как минимум, равным, но лучше купите шину с небольшим запасом – значительно облегчите себе дальнейшее усовершенствование устройства.

Перегрузочные способности

Нормой считается, если мощность частотного преобразователя выше мощности двигателя на 10-15%. Ток тоже должен быть немного выше номинала двигателя. Однако такой подбор «на глаз» рекомендуется только в случае, когда нет необходимой технической документации на двигатель. При ее наличии – тщательно ознакомьтесь с требованиями и подберите соответствующий преобразователь. Если важны ударные нагрузки, пиковый ток преобразователя должен быть больше указанного значения на 10%.

Устройство частотного преобразователя

Работает частотный преобразователь для электродвигателя следующим образом:

  1. Сетевое напряжение подается на выпрямитель, где преобразуется в постоянное.
  2. На блоке инвертора из постоянного напряжения формируются полярные импульсы (положительные и отрицательные) требуемой частоты. Импульсы формируются по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
  3. Импульсы преобразуются в синусоиду той же частоты.

Как видите, устройство не слишком сложное, но это базовый набор блоков. В более сложные модели встраиваются дополнительные, обеспечивающие контроль параметров и защиту.

Блок-схема частотного преобразователя

Основной узел частотного преобразователя для электродвигателей — инвертор. Его собирают не основе IGBT транзисторов. Включая и выключая их, из постоянного напряжения формируем импульсы. Задавая частоту включения и выключения, на выходе получаем импульс с заданной частотой.

Если изменять скважность импульсов — отношение длительности периода к длительности импульса — меняется площадь импульса, а значит, и напряжение на выходе. Вот и получаем возможность используя частотный преобразователь для электродвигателя менять не только частоту, но и напряжение

Последний блок — сглаживающий импульсы и превращающий их в синусоиду — присутствует далеко не всегда. Частота импульсов на выходе инверторного блока может достигать нескольких килогерц. А обмотки двигателя имеют высокую индуктивность, и сами работают как выходной фильтр.

Расчёт частотника для электродвигателя

Для того чтобы преобразователь частоты имел возможность работать надёжно и соблюдать заданные значения, необходимо рассчитать его основные параметры:

Расчёт тока преобразователя производится по формуле:

где Р – номинальная мощность двигателя, квт;

U – напряжение, В

сosφ – значение коэффициента мощности

Правильный выбор мощности прибора для изменения частоты сказывается на эффективности работы установки. При заниженной мощности частотного преобразователя производительность оборудования будет невысокой. Длительные перегрузки при работе могут привести к поломке преобразователя частоты.

При завышенной мощности частотного преобразователя и скачках напряжения или перегрузке не сработает защита электродвигателя, что приведёт к его повреждению. U

Мощность частотника должна быть больше номинальной мощности соответствующего двигателя на 15%.

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.

Особенности при расчете ПЧ для электродвигателя

Прежде, чем выбрать преобразователь частоты выполняют выбор и расчет преобразователя частоты для электродвигателя

Обязательно обращают внимание на продолжительность скоростных режимов, в том числе и на повторно-кратковременный режим. Необходимо принимать во внимание мгновенную величину максимального тока и на длительность постоянного тока на выходе с преобразователя

Важно учитывать максимальную и номинальную частоту

Принимается во внимание мощность или импендас силового распределительного трансформатора вместе с проводами линии электропередач или кабельной линией. Источник питания влияет на работу частотника и насосной установки, длина питающей линии оказывает влияние на потери напряжения

Учитываются возможные скачки напряжения, возможный перекос фаз при неравномерной нагрузке, влияющий на фазный дисбаланс.

Учитываются такие факторы, как механическое трение, потери в проводнике и изменение рабочего цикла.

Выпускаемые модели

Во многих областях применяются асинхронные двигатели, работа которых характеризуется высокими показателями устойчивости и безопасности

Это особенно важно, так как любое устройство обладает своими индивидуальными характеристиками, зачем и нужны инверторы, которые обеспечивают оптимизацию параметров их питания. К новой линейке оборудования относятся:

  1. Emotron FDU 2.0 — преобразователь частоты последнего поколения, выпускаемый шведской компанией Emotron. Устройство работает в диапазоне от 0,75 до 1,6 кВт и рассчитано на разные группы напряжения: 3×380 B, 3×500 B, 3×690 B. В основном инвертор используется для насосного или вентиляционного оборудования.
  2. Emotron серии CDU/CDX — оборудование, предназначенное для контроля за работой лифта. Инверторы этой марки устанавливаются как на новые лифты, так и для модернизации старых конструкций. Монтируются в машинном отделении или непосредственно рядом с шахтой.
  3. «Лидер» — преобразователь частоты применяется для управления асинхронными двигателями в насосном, вентиляционном оборудовании, мельницах, дробилках, центрифугах и так далее. Устройство исключает присутствие динамических ударов во время запуска, что позволяет в 1,5—2 раза увеличить срок службы двигателя и приводного механизма.
  4. Easydrive серии Smart — инвертор, обладающий выходной мощностью от 1 Гц до 2 кГц. Отличается автоматическим определением параметров электродвигателя, когда механизм неподвижен. Устройство обладает семью программируемыми входами переключения, которые позволяют выполнять до 30 функций.

Как выбрать преобразователь частоты?

Чтобы упросить выбор частотного преобразователя, рекомендуем обратить внимание на таблицу, где приведены факторы, заслуживающие первостепенного внимания при подборе агрегата:

Классификация Связанные характеристики
Скорость и момент Параметры времени Перегрузочная способность Пусковой момент
Тип нагрузки Фрикционная нагрузка и подъем груза.

Вязкая, высокоинерционная нагрузка.

Нагрузка с передачей и накоплением энергии.

* *
Характеристики скорости и момента Постоянный момент

Постоянная скорость

Уменьшающийся момент

Уменьшающаяся скорость

* *
Характер нагрузки Постоянная нагрузка

Ударная нагрузка

Периодически изменяющаяся нагрузка

Высокий начальный момент

Низкий начальный момент

* * * *
Продолжительный режим на ном. скор.

Продолжительный режим на низкой/средней скорости.

Повторно-кратковременный режим.

* *
Максимальный вых. ток (мгновенный)

Постоянный вых. ток (продолжит)

* *
Максимальная частота

Номинальная частота

*
Мощность или импеданс источника питания

(распред. трансформатора + провода).

Скачки напряжения или дисбаланс фаз.

Число фаз, частота.

* *
Механическое трение,

потери в проводниках

* *
Изменение рабочего цикла *

Также подбор частотного преобразователя исходит из определенного перечня задач, которые должен эффективно решать привод:

  • тип и мощность подключаемого двигателя
  • точность и диапазон регулирования скорости
  • точность поддержания момента вращения на валу электродвигателя

Учитываются и конструктивные особенности ПЧ: форма, размер, пульт управление и т.п.

При работе с асинхронными электрическими двигателями, выбор преобразователя частоты должен основываться на соответствующей мощности

В случае, когда есть необходимость в большом пусковом моменте или минимальном времени разгона и торможения, рекомендуется обратить внимание на агрегаты на ступень выше стандартного

При выборе ПЧ для двигателя специального назначения, важно руководствоваться номинальным током преобразователя, который должен быть выше номинального тока электродвигателя

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.

Watch this video on YouTube

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.

Выбор частотного преобразователя

Изначальной задачей каждого производителя можно назвать продать свою продукцию

Именно поэтому, следует обратить внимание на нижеприведенные нюансы правильного выбора:

Скалярный или векторный метод управления. Современные варианты исполнения зачастую имеют векторные методы управления, однако особый режим работы позволяет переключиться на скалярный метод управления. Найти новый частотник без векторного метода управления практически невозможно.

Мощностной ряд
Стоит помнить о том, что мощность потребителя энергии – важный показатель, на который стоит обращать внимание.

Входное напряжение, а точнее допустимый диапазон, определяет то, при каком напряжении преобразователь частоты может работать без сбоев

При этом, важно понять, что падение показателя приведет к остановке частотника, увеличение – к выходу из строя всего оборудования
Поэтому следует обеспечить работу при постоянном показателе входного напряжения.

Диапазон регулировки – также важный показатель, особенно при использовании двигателей, которые работают при высоких показателях номинальной частоты.

Как организовано управление. Современные варианты исполнения имеют специальные пульты, при помощи которых можно вводить необходимые значения.

Срок гарантии косвенно говорит о надежности техники

Однако, стоит помнить о том, что выход из строя при подаче тока с неправильными номинальными показателями нельзя назвать гарантийным случаем.

Вышеприведенные особенности следует учитывать при выборе преобразователя частоты.

Выводы

При эксплуатации, обслуживании либо изготовлении частотного преобразователя необходимо соблюдать все меры предосторожности. Помните, что в конструкции устройства имеются электролитические конденсаторы, которые сохраняют заряд даже после отключения от сети переменного тока

Поэтому, перед тем как производить разборку, необходимо дождаться разряда

Обратите внимание на то, что в конструкции частотных преобразователей присутствуют элементы, которые боятся статического электричества. В частности это относится к микропроцессорной системе управления

Поэтому проводить пайку следует со всеми мерами предосторожности. Для наглядности, схему можно разбить на три составляющих или три взаимосвязанных блока:

Для наглядности, схему можно разбить на три составляющих или три взаимосвязанных блока:

1. Выпрямитель.

2. Фильтр, предназначение которого есть сглаживание напряжения на выходе.

3. Инвертор, который собственно и отвечает за производство необходимой частоты.

Его использование дает значительное уменьшение пускового тока, при включении оборудования, что существенно продлевает эксплуатационный срок двигателя и устройства, где данный двигатель используется. Естественно, что избавившись таким образом от высоких показаний пускового тока, удается и сэкономить электроэнергию, которая уходила ранее при запуске оборудования. А это особенно актуально в условиях, где предусмотрены частые запуски и остановки устройств.

Рис. 2. Составляющие частотного преобразователя

Современные покупные инверторы широко используются в таких сферах, как производство, водоснабжение, энергетика, сельское и городское хозяйства, в электронике, и в автоматических линиях и комплексах.

Стоимость фирменного частотного преобразователя слишком высока, для того, чтобы изучить его процессы работы или использовать в быту или домашней мастерской. Поэтому часто используются в таких ситуациях самодельные частотники.

Сборка устройства

Стоит обратить внимание на то, что в домашних условиях крайне не рекомендуется использование двигателей, рассчитанных на мощность большую, чем 1 кВт. Таковы особенности домашней сети

Имея необходимый двигатель, потребуется для начала соединить его обмотки между собой способом «треугольник».

Рис. 3. Трёхфазный двигатель

Рис. 4. Соединение треугольник

Схема самого частотного преобразователя.

Рис. 6. Схема частотного преобразователя

Питание осуществляется от блока питания 27 Вольт постоянного напряжения. Это может быть, как регулируемый БП, так и сделанный собственноручно, рассчитанный на данное напряжение. Схема подключения двигателя;

Рис. 7. Схема подключения двигателя

Схема простая и проверенная и не содержит компонентов, которые сложно будет купить. Но, к сожалению, не лишена недостатков и годится для применения лишь в быту. Более сложная в сборке схема, но и более результативная представлена ниже.

Рис. 8. Схема подключения двигателя

На данный момент это самая обсуждаемая схема частотного преобразователя, который можно сделать собственноручно. Прошивки микроконтроллера изобилуют на тематических форумах. Потребуется не только умение грамотно паять, но и прошивать микроконтроллеры.

Рис. 9. Печатная плата

Потребуется надежный источник питания на 24 Вольта. Предлагается его также изготовить собственноручно по схеме.

Рис. 10. Схема источника питания

Естественно, что устройство можно приобрести и готовым. Они бывают фирменными или сделанными народными мастерами, которые обладают положительными рекомендациями.

Трехфазные асинхронные двигатели уже долгое время используются в промышленности и других сферах жизни и деятельности людей

Среди всех этапов рабочего процесса, более всего уделяется внимание обеспечению плавного пуска и торможения агрегата. Для того чтобы выполнить это условие, необходимо использовать — частотник для трехфазного электродвигателя

Кроме своего основного названия — частотный преобразователь известен также, как инвертор, частотно регулируемый привод или преобразователь частоты переменного тока.

Основной функцией частотного преобразователя является регулировка скорости вращения асинхронных двигателей, с помощью которых электрическая энергия преобразуется в механическую. Первоначальное движение трансформируется в другие типы движений, необходимые для выполнения конкретной технологической операции. Использование частотных преобразователей позволяет довести коэффициент полезного действия электродвигателя до 98%.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий