Как работают преобразователи частоты для асинхронных двигателей
Асинхронные электродвигатели – самые распространенные электрические машины. Они отличаются простотой конструкции, дешевизной, высокой ремонтопригодностью, а также другими преимуществами. Они широко используются для привода промышленного оборудования, механизмов и устройств самого разного назначения. Сферу их применения несколько ограничивают высокие пусковые токи, затруднение регулирования скорости, ударные механические нагрузки на оборудование, соединенное с валом при пуске.
Частотные преобразователи позволяют осуществлять мягкий пуск электрических машин, ограничивать пусковые токи, синхронизировать момент силы на валу с моментом нагрузки, осуществлять точную регулировку скорости вращения, подключать трехфазные двигатели в однофазную сеть без конденсаторов.
Электродвигатель – устройство для преобразования электроэнергии во вращательное движение вращающейся части электрической машины. Преобразование энергии в двигателях происходит за счет взаимодействия магнитных полей обмоток статора и ротора. Эти электрические машины широко используются во всех отраслях промышленности, в качестве привода электротранспорта и инструментов, в системах автоматизации, бытовой техники и так далее.
Принцип действия частотных преобразователей
Принцип действия частотного регулирования основан на зависимости скорости вращения и момента силы на валу двигателя переменного тока от частоты напряжения питания. Частотные регуляторы изменяют частоту поданного на электродвигатель напряжения, тем самым регулируя скорость вращения ротора и момент силы.
Преобразование частоты может осуществляться несколькими способами. Схема преобразования частоты с непосредственной электрической связью с сетью представляет собой управляемый выпрямитель на тиристорах. Управляющий блок генерирует сигналы, поочередно отпирающие полупроводниковые устройства, подающие напряжение заданной частоты на обмотки электрической машины.
Такая схема отличается высоким к.п.д., обеспечивает стабильную работу двигателя при небольших скоростях вращения ротора, передачу генерируемой электроэнергии при торможении двигателя в сеть.
Однако, такие недостатки, как невозможность изменять частоту в большую сторону, наличие в выходном напряжении постоянной составляющей и субгармоник, вызывающих перегрев обмоток и появление электромагнитных помех, ограничивают сферы применения частотников с непосредственной связью.
Большинство современных частотных преобразователей построено на базе схем двойного преобразования. Такое техническое решение имеет следующие преимущества:
- Возможность изменять частоту как в большую, так и меньшую сторону.
- Выходное напряжение чистой синусоидальной формы.
- Отсутствие высших гармоник.
- Плавное, высокоточное регулирование частоты питающего напряжения двигателя.
Состоит такой преобразователь частоты из трех блоков:
- Диодного или тиристорного выпрямителя с емкостными, индуктивными или комбинированными фильтрами. Этот узел осуществляет выпрямление сетевого напряжения и его сглаживание.
- Инвертирующего блока. Этот элемент осуществляет обратное преобразование постоянного напряжения в переменное. Индуктивный элемент на выходе осуществляет фильтрацию постоянной составляющей, а также высокочастотных помех, наличие которых негативно сказывается на работе электродвигателя.
- Управляющей схемы на базе микропроцессора. Основные ее функции – задание частоты выходного напряжения и тока. Частота тока на выходе инвертора определяется шириной или длительностью управляющих импульсов со схемы управления (широтно- или частотно- импульсная модуляция). Процессор также осуществляет связь с удаленными пунктами управления, автоматическое регулирование по обратной связи по механическим и электрическим характеристикам подключенной к нему электрической машины, а также другие функции.
Выбор частотного преобразователя
При проектировании частотно-регулируемого электропривода необходимо учесть множество нюансов. При выборе частотника руководствуются следующими критериями:
- Назначение преобразователя. Многие производители выпускают ПЧ, предназначенные для электродвигателей насосов, лифтов, электроприводов вентиляционных систем, а также универсальные устройства общепромышленного назначения. Специализированные частотники производят под конкретное технологическое оборудование. Возможность их адаптации существенно ограничена. Общепромышленные регуляторы частоты можно настраивать под различные приводы.
- Способ управления и поддержка различных протоколов связи. Регулируемые по частоте электроприводы обычно интегрируются в комплексные системы автоматизации и удаленного контроля и управления. Частотный преобразователь должен быть укомплектован контроллером, который поддерживает связь по протоколу, применяемому в конкретной АСУТП.
- Мощность и перезагрузочная способность. Номинальная электрическая мощность преобразователя должна быть больше аналогичного параметра электродвигателя на 15-30%. При расчете мощности учитывают пусковые токи электрической машины, пиковые нагрузки на двигатель и их длительность. Ошибки ведут к перегреву частотника, выходу из строя силовых транзисторов или тиристоров.
- Диапазон и точность регулирования. Интервал изменения частоты и точность ее задания должны соответствовать требованиям условий технологического процесса. Возможность изменения частоты у скалярных преобразователей 1:10, если требуется более широкий диапазон, необходим частотник с векторным управлением.
- Электромагнитная совместимость. Частотный преобразователь чувствителен к электромагнитным помехам и сам является их источником. Выбор устройства осуществляется на основании условий его установки. При необходимости может потребоваться его установка в отдельном помещении, подключение специальных фильтров и использование экранированных кабелей. Компания «Данфосс» выпускает преобразователи, укомплектованные встроенными ЭМ-фильтрами.
- Наличие функций отключения двигателя при перегреве, дисбалансе фаз, перегрузках, других аварийных и ненормальных режимов работы.
- Наличие автоматизированного управления по событиям. Для синхронизации работы промышленного оборудования необходимы частотники, имеющие функции регулирования по достижению определенной величины технологических параметров.
- Количество входов и выходов для подключения удаленных устройств управления и контроля. На случай модернизации САР или усложнения АСТП рекомендуется выбрать частотники с избыточным количеством аналоговых и дискретных разъемов. Для электроприводов автоматизированных систем рекомендуется подобрать частотный регулятор со встроенной памятью и функцией ведения журнала событий.
- Номинальный ток и напряжение. Электрические параметры частотника должны соответствовать характеристикам электродвигателя.
Выбор частотного регулятора для промышленного оборудования делается на основании расчетов по специализированным методикам. Малейшие ошибки могут привести к авариям, которые могут иметь непредсказуемые последствия. Проектирование электропривода и выбор ПЧ целесообразно доверить специалистам по автоматизации. Правильный выбор частотника обеспечивает экономию электроэнергии до 40-50%, снижение затрат на ремонт и обслуживание электропривода и дает неплохой экономический эффект.
ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Менеджеры компании с радостью ответят на ваши вопросы и произведут расчет стоимости услуг и подготовят индивидуальное коммерческое предложение.
Задать вопрос
Хотя еще рано сбрасывать со счетов электропривод постоянного тока, в промышленности и бытовой сфере в практически любых технических системах используется сочетание асинхронного двигателя и преобразователя частоты. Несмотря на очевидные преимущества асинхронного двигателя перед двигателем постоянного тока, его слабой стороной являлась сложность регулирования скорости вращения. В настоящее время данная проблема устранена благодаря современным частотным преобразователям.
ЧТО ТАКОЕ ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОРАЗОВАТЕЛЬ
Говоря простым языком — частотный преобразователь – устройство для управления асинхронным двигателем. Возможно регулирование скорости вращения и другими методами — установкой вариатора, редуктора, муфты, но это не позволяет менять скорость в широком диапазоне, усложнят монтаж и не является энергосберегающим решением.
ЗАЧЕМ НУЖЕН ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Частотный преобразователь в случае асинхронных электродвигателей самых различных агрегатах как промышленного, так и потребительского назначения используется для оптимизации управления двигателем, приводящей в итоге к экономии электроэнергии, увеличению срока службы устройства. Использование частотных преобразователей позволяет произвести эффективную, простую и надёжную автоматизацию процесса управления оборудованием.
Основные задачи, которые решает преобразователь частоты, кроме увеличения/уменьшения скорости вращения это:
- Плавный пуск и плавный останов двигателя, что позволяет избежать высоких механических нагрузок на оборудование.
- Уменьшение затрат электроэнергии, что актуально не только для больших промышленных предприятий, но при бытовом использовании в составе насосной станции на даче, например.
- Защита от перегрузки двигателя, что продлевает срок его эксплуатации.
- Сохранение высокого крутящего момента на низких оборотах, что очень важно при тяжелом пуске (например, в составе оборудования дробилок для щебня)
И как говорилось выше, всё, что связано с управлением скоростью вращения – изменяемое или адаптивное вращение (пример: линии конвейера, где вращение может быть задано с непостоянной скоростью). Высокая точность вращения – что важно при использовании на различных обрабатывающих станках.
УСТРОЙСТВО ЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Как на заре появления транзисторных радиоприёмников в народе их стали называть просто “транзисторами”, по названию основного электронного компонента этих устройств, так и название “частотный преобразователь” нельзя считать совсем точным.
На самом деле мы рассматриваем устройство, состоящее из выпрямительного модуля, преобразующего переменный ток на входе в постоянный, и модуля преобразователя частоты, преобразующего полученный на выходе выпрямительного модуля постоянный ток в переменный заданной частоты и амплитуды, возможно ШИМ-модулированный.
Само же это устройство в целом является одним из компонентов электропривода.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
В зависимости от технических деталей принципа управления, частотные преобразователи условно подразделяются на “векторные” и “скалярные”. Первые отличаются в основном более стабильным поддержанием момента вращения двигателя в широком диапазоне частот (числа оборотов).
Скалярное управление наиболее распространено и максимально удовлетворяет требованиям таких механизмов, как насосы, вентиляторы, компрессоры, а также тех, для которых важно поддерживать скорость вращения. Метод довольно прост, но имеет небольшой диапазон регулирования скорости и требует установки дополнительных датчиков для реализации управления по скорости и моменту.
Разнообразие векторных вариантов управления впечатляет, но может быть условно разделено на две группы:
- Управление по вектору тока (довольно простой метод, присущий абсолютному большинству преобразователей)
- Управление по вектору напряжения. Основано на том, что напряжение пропорционально моменту, что позволяет без дополнительных пересчетов получить управление последней характеристикой.
Все остальные методы, по большому счету, являются их дополнением, каждый производитель совершенствует по своему усмотрению расчеты и измерения таких показателей, как индуктивность, намагниченность, вектор электромагнитного поля и т.д.
Собственно детали методов управления являются весьма сложными, а сами методы постоянно совершенствуются. Важным моментом при выборе частотного преобразователя является знание потенциальным потребителем минимальных требований, которые налагает объект управления (вентилятор, насос, конвейер и т.д.). Это позволит с одной стороны не переплачивать за преобразователь с ненужными свойствами, а с другой – не оказаться в ситуации, когда привод, скомпонованный из частотника и асинхронного двигателя, не обеспечивает должное функционирование объекта управления.
ВИДЫ ЧАСТОТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЛЕЙ
Помимо определения способа управления, который определяется техническими требованиями оборудования и стоимостью частотного преобразователя, необходимо знать мощность и тип подключения к двигателю, то есть количество фаз на входе и выходе.
Как подключить частотный преобразователь к электродвигателю — основные этапы
Частотный преобразователь — это высокотехнологичный прибор с широкими возможностями. Подключение частотного преобразователя помогает автоматизировать различные производственные процессы, получить существенную экономию электроэнергии и заметно продлить ресурс оборудования.
Микропроцессорная база и встроенные компьютерные технологии делают прибор очень гибким по функционалу. Выбор комбинаций огромен, но для начала частотный преобразователь необходимо правильно подключить и настроить.
Установка частотника
Ошибки при подключении двигателя через частотный преобразователь способны значительно снизить срок его жизни и даже вывести электропривод из строя при первом же запуске. Важным этапом ввода в эксплуатацию является выбор предполагаемого места установки преобразователя. Необходимо учитывать комплекс условий, в числе которых:
- Возможности питающей линии.
- Диапазон рабочих температур.
- Влажность.
- Вибрации.
- Наличие агрессивных сред (какой класс защиты IP требуется).
Частотник можно монтировать вдали от электродвигателя. Но есть нюансы с длиной кабеля. Чтобы избежать появления эффекта отраженной волны, перенапряжения и коронного заряда, длину питающего кабеля следует ограничить. При периоде ШИМ от 0,3 мс — не более 45 м, при ШИМ 0,1 мс — не более 16 м.
Если двигатель специально предназначен для работы совместно с преобразователем, то длина кабеля может быть любой. Например, двигатели, сертифицированные по стандарту NEMA Standart MG-1. Двигатель для ПЧ должен быть оснащен изоляцией класса F или выше, а также иметь фазовую изоляцию. Также, чтобы избежать нежелательных явлений при большой длине кабеля, можно установить сглаживающие реакторы и фильтры сразу после ПЧ и непосредственно перед электродвигателем.
Подключение частотного преобразователя к электродвигателю следует производить строго по инструкции производителя. Особенно внимательно нужно отнестись к подключению силовой части. Перед прибором необходимо установить автоматический выключатель, работающий с током ≥ номинальному потребляемому току электродвигателя. Входные клеммы должны быть подключены только к фазам питающей сети (заземление только к заземляющему контуру), а выходные клеммы — к питаемому электродвигателю. В «Компании Веспер» разработаны наглядные схемы и даны подробные инструкции к каждой модели. Например, схема подключения частотного преобразователя Веспер E4-8400:
Сетевые технологии для управления
Настройка частотника и программирование режимов работы осуществляется непосредственно с панели управления, выносного пульта или, что наиболее удобно, с помощью компьютера. Операционное место может находиться за многие километры от ПЧ, для этого необходимо воспользоваться сетевыми технологиями.
Для совместной работы электродвигателя и системы автоматического управления используются различные протоколы передачи данных. Наибольшее распространение получил протокол связи Modbus с интерфейсом RS-485. Передача управляющего сигнала в линиях RS-485 осуществляется по проводу. Даже если сразу не требуется включать частотник в систему удаленного управления, на перспективу такой вариант подключения следует предусмотреть и заранее запланировать место, где удобнее проложить магистраль и подключиться к сети.
ПЧ — органы управления
Преобразователи Веспер оборудованы панелью с информационным ЖК-дисплеем и набором для управления и проведения пусконаладки. В зависимости от модели ПЧ, дисплеи могут отличаться количеством строчек. На дисплей прибора можно выводить данные о текущем состоянии параметров.
Для большего удобства и реализации более сложных систем управления через аналоговые и дискретные (релейные, транзисторные) выходы можно подключить выносной ДУ-пульт. А через линию интерфейсной связи — ПК (ноутбук или стационарный).
Ноутбук можно использовать в режиме осциллографа — для наблюдения за изменениями параметральных величин в реальном времени. В таком случае также необходимо заранее подготовить место с изолированной поверхностью и предусмотреть возможность работы ноутбука от батареи.
Настройка перед запуском
Частотные преобразователи — сложные компьютеризированные устройства со множеством функций и настроек. Чтобы облегчить и ускорить ввод прибора в эксплуатацию, на заводе уже проведены базовые настройки. При этом многие параметры «по умолчанию» могут быть оптимальными для решения поставленных задач.
В дополнение к базовым настройкам, преобразователи Веспер поддерживают функцию автонастройки — идентификационный пуск. В этом режиме ПЧ до запуска двигателя или уже у работающего двигателя автоматически определяет параметры обмоток.
Перед запуском также необходимо проверить и задать стартовый набор параметров:
- Характеристики управляемого двигателя — напряжение, мощность, рабочий диапазон частоты вращения (эти параметры можно посмотреть в технической документации или на шильдике двигателя).
- Канал задания — указать, из какого источника ПЧ следует брать задания (панель управления, дискретные/аналоговые выходы, удаленный интерфейс).
- Канал управления — указать, откуда будут поступать управляющие команды (запуск/остановка). В качестве управляющего канала можно выбрать: панель управления, дискретные/аналоговые выходы, удаленный интерфейс.
- Схема преобразования — если нет опыта, эту настройку лучше не менять, оставить по умолчанию.
Строго следуя инструкции и обладая базовыми знаниями, можно самостоятельно разобраться с тем, как подключить частотный преобразователь к электродвигателю. Но если нет желания или времени во все вникать — поручите это высококвалифицированным сотрудникам «Компании Веспер». Они проведут пусконаладочные работы быстро и профессионально.
Видео
Вступительный фильм о типовых примерах применения преобразователей частоты Веспер. В видеоролике показаны преимущества использования частотно-регулируемого электропривода по отношению к другим типам приводов. Коротко представлена продукция нашей компании и география ее использования.
Настройка частотного преобразователя
В статье рассмотрим параметры для программирования преобразователя частоты, дадим пошаговую инструкцию по его настройке.
Настройка частотного преобразователя – это важная задача, которую необходимо произвести правильно, для обеспечения оптимальной работы электродвигателя и четкого внедрения в технологический процесс. При этом масштаб программирования зависит как от самого электропривода, так и от функций, которые он выполняет.
Для чего нужна настройка частотного преобразователя
После того как все электрические подключения выполнены, для ввода в эксплуатацию требуется настроить преобразователь частоты. Процесс заключается в четырех основных пунктах, это:
- Настройка параметров электродвигателя – необходима для того, чтобы ПЧ адаптировался к конкретному двигателю.
- Внесение параметров для пуска и останова двигателя – от этих настроек зависит время пуска и останова двигателя, а также режим управления.
- Ввод защитных и ограничивающих уставок – на этом этапе определяется граничные значения различных параметров для защиты двигателя и самого частотника от выхода их из строя.
- Программирование дополнительных функций – это самый объемный и непостоянный пункт, так как в каждой конкретной задаче будут использоваться свои функции.
Правильное выполнение всех этапов программирования ПЧ позволит электродвигателю функционировать в оптимальном и безопасном режиме, защитит его от выхода из строя.
Интернет-магазин приводной техники
Программируемые параметры частотника
Каждая конкретная модель частотника имеет свой функционал, который напрямую влияет на количество настроек устройства. При этом не все параметры требуют программирования, а часто являются лишь дополнительной функцией.
Используя вышеописанную классификацию, опишем основные настраиваемые параметры ПЧ:
- Номинальные характеристики электродвигателя – находятся на шильдике мотора:
- Напряжение;
- Частота;
- Скорость;
- Мощность;
- Значение cos φ – не является обязательным;
- Крутящий момент – не является обязательным.
- Команда пуска/останова – откуда будет происходить запуск ПЧ;
- Время разгона или кривая разгона – за какое время двигатель должен выйти на заданную скорость вращения;
- Время торможения или кривая торможения – за какое время на двигатель должна прекратиться подача питающего напряжения.
- Минимальные и максимальные значения частоты, скорости, крутящего момента, тока;
- Тепловая защита двигателя;
- Время работы при увеличенном или уменьшенном напряжении;
- Защита от обратного пуска.
- ПИД регуляторы;
- Передача данных;
- Настройка аналоговых и дискретных выходов;
- Различные режимы работы.
Этапы программирования и настройки частотного преобразователя
Выделим минимальный набор действий по настройке параметров преобразователя частоты:
- Ввод паспортных данных электродвигателя в ПЧ;
- Ввод принципа регулирования:
- Постоянная частота;
- Переменная частота – если выбран этот вариант, то требуется указать источник задания скорости вращения.
- Задать канал управления – то есть источник, откуда будет приходить команда запуска и останова.
После выполнения данных действий двигатель можно запустить, при этом следует убедиться в правильности вращения. Если вращение осуществляется неправильно, это можно изменить переключением фазных проводов или с помощью настройки частотного преобразователя.
Программирование частотных преобразователей на примере Innovert
Разберем пример настройки частотного преобразователя на примере устройства от Innovert. У рассматриваемого частотника имеются следующие группы настраиваемых параметров:
№ Группа Функции 1 A (Рr.A) для текущего контроля 2 B (Pr.B) основные функции 3 C (Рr.C) для основных применений 4 D (Pr.d) параметры входов и выходов 5 E (Рr.E) вспомогательные настройки 6 F(Pr.F) для прикладного использования 7 G (Рr.G) для ПИД-регулятора 8 H (Pr.H) настройки последовательного канала связи 9 i (Рr.i) для усложнённого применения Чтобы осуществить базовое программирование преобразователя частоты, необходимо произвести следующее действия:
1. В п. Pr.b.00 (уставка рабочей частоты) указываем нужное нам значение характеристики. По умолчанию стоит 50 Гц. В данном случае оставляем его без изменения.
2. В п. Pr.b.01 (способ установки заданной скорости вращения) выставляем величину 4. При этом увеличение и уменьшение характеристики будет происходить с помощью внешних контактов «Up» и «Down».
3. В п. Pr.b.02 (способ пуска) вводим показатель 1. При этом пуск будет происходить с помощью управляемого входа.
4. В п. Pr.b.03 (режим доступа к кнопке «стоп» на панели частотника) указываем значение 1. Это позволит останавливать частотный преобразователь с его панели управления.
5. В п. Pr.b.04 (блокировка обратного вращения) вводим величину 1. То есть разрешаем обратное вращение.
6. В п. Pr.b.05 (максимальная рабочая частота) указываем номинальное значение электродвигателя 50 Гц. Это не позволит увеличить скорость вращения двигателя выше 50 Гц.
7. Далее необходимо настроить:
- Минимальную рабочую частоту Рr.b.06 – сохраняем по умолчанию 0 Гц;
- Время ускорения Pr.b.07 – указываем нужное значение, например 3 секунда;
- Время замедления Рr.b.08 – выставляем необходимое значение, например 3 секунда;
- V/F кривая: Максимальное напряжение Pr.b.09 – вводим 220 В;
- V/F кривая: Опорную частоту Pr.b.10 – оставляем 50 Гц;
- V/F кривая: Промежуточное напряжение Pr.b.11 – вводим величину 17;
- V/F кривая: Промежуточная скорость вращения Рr.b.12 – сохраняем значение 2.5;
- V/F кривая: Минимальное напряжение Pr.b.13 – вводим величину 15;
- V/F кривая: Минимальная частота Рr.b.14 – оставляем заводское значение;
- Несущая частота Pr.b.15 – указываем величину 9.
8. Остальные показатели мы оставляем с заводскими уставками.
В итоге получаем частотник, запускающий двигатель от дистанционных кнопок «пуск» и «стоп», которые коммутируют соответствующие цепи управления устройства. Управление скоростью вращения происходит с помощью кнопок «быстрее» и «медленнее», которые коммутируют контакты «Up» и «Down» преобразователя. При этом значение частоты не может быть поднято выше 50 Гц.
Для того чтобы наглядно увидеть процесс настройки и запуска электродвигателя от ПЧ Innovert, вы можете посмотреть видео: