Меню

Мощность при частотном преобразователи

Для чего нужен частотный преобразователь — виды, принцип работы и устройство

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

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

Виды преобразователей частоты

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

Электромашинные частотники.

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

Электронные преобразователи.

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

Непосредственные преобразователи частоты

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

Устройства такого типа включаются непосредственно в питающую сеть.

Плюсы непосредственных преобразователей частоты:

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

Минусы непосредственных преобразователей частоты:

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

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

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

Плюсы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

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

Минусы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

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

Устройство преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока

Состоят такие преобразователи из нескольких основных блоков:

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

Способы управления преобразователем

По принципу управления различают 2 основных вида частотных преобразователей:

ЧП со скалярным управлением

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

ЧП с векторным управлением

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

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

Режимы управления частотными преобразователями

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

1) Ручное управление.

Пуск и остановка электродвигателя осуществляются с панели или пульта управления частотника. При этом преобразователь осуществляет регулировку частоты вращения и остановку при возникновении аварийных ситуаций автоматически.

2) Внешнее управление.

ЧП с поддержкой интерфейсов передачи данных можно подключать к удаленному ПК для контроля текущих параметров и задания режимов работы привода.

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

В таком режиме ЧП является исполнительным механизмом внешней системы управления.

4) Управление по событиям.

Некоторые модели ЧП позволяют запрограммировать время пуска или остановки, работу двигателя в другом режиме. Преобразователи такого типа применяют для полностью или частично автоматизированного технологического оборудования.

Преимущества частотных преобразователей.

Основные преимущества использования частотных преобразователей:

1) Экономия электроэнергии.

Применение ЧП позволяет снизить пусковые токи и регулировать потребляемую мощность двигателя в зависимости от фактической нагрузки.

2) Увеличение срока службы промышленного оборудования.

Плавный пуск и регулировка скорости вращения момента на валу позволяют увеличить межремонтный интервал и продлить срок эксплуатации электродвигателей.
Возможность отказаться от редукторов, дросселирующих задвижек, электромагнитных тормозов и другой регулирующей аппаратуры. снижающей надежность и увеличивающей энергопотребление оборудования.

3) Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.

ЧП не имеют движущихся частей, нуждающихся в регулярной чистке и смазке.

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

Во многих частотниках реализована возможность подключения удаленных устройств телеметрии и телемеханики, они могут встраиваться в многоуровневые системы автоматизации.

5) Широкий диапазон мощности двигателей.

Частотные преобразователи устанавливают как на однофазные конденсаторные двигатели мощностью менее 1 кВт, так и на синхронные электромашины мощностью в десятки МВт.

6) Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.

ЧП комплектуют защитой от перегрузок, коротких замыканий, пропадания фаз. Преобразователи также обеспечивают перезапуск при возобновлении подачи электроэнергии после ее отключения.
Возможность бесступенчатой точной регулировки частоты вращения без потерь мощности, что невозможно при использовании редукторов.

7) Снижение уровня шума работающего двигателя.

Возможность замены двигателей постоянного тока асинхронными электрическими машинами с частотными регуляторами. Для оборудования, требующего регулировки момента и скорости вращения, часто используются двигатели постоянного тока, скорость вращения которых пропорциональна поданному напряжению. Такие электрические машины стоят дороже асинхронных и требуют дорогостоящих промышленных выпрямителей. Замена двигателей постоянного тока на асинхронные электромашины с частотным управлением дает хороший экономический эффект.

Сферы применения

Частотно-регулируемые приводы применяют:

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

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

Читайте также:  Производственная мощность сборочного цеха определяется

Источник



Расчёт и выбор частотного преобразователя для электродвигателя

Частотный преобразователь

Одним из главных недостатков асинхронных двигателей является сложность регулировки частоты вращения. Изменять её можно тремя способами: изменением количества пар полюсов, изменением скольжения и изменением частоты. В последнее время для регулирования скорости вращения асинхронного короткозамкнутого двигателя частоту тока меняют с помощью частотных преобразователей для электродвигателя.

Понятие о принципе работы частотника

В последнее время на производстве стали широко использоваться высокочастотники, у многих неопытных новичков, встречающих их на практике, часто возникает вопрос, что такое частотный преобразователь и для чего он нужен. Достоинствами частотного привода для электродвигателя являются:

  • снижение электропотребления двигателем;
  • улучшение показателей работы: плавность запуска и регулировки скорости вращения;
  • исключение возможных перегрузок.

Плавность пуска обеспечивается преобразователем благодаря снижению с его помощью пускового тока, который без частотника превышает номинальный ток в 5–7 раз.

Основными частями в устройстве преобразователя являются инвертор и конденсаторы. Инвертор обычно выполнен из диодных мостов. Его задача — выпрямить напряжение на входе, которое может принимать значение 220В или 380В в зависимости от количества фаз, но сохранить при этом пульсации. Затем конденсаторы выпрямленное напряжение сглаживают и фильтруют.

Потом постоянный ток отправляется на микросхемы и выходные мостовые IGBT-ключи. Обычно мостовой IGBT-ключ — это шесть транзисторов, соединённых по мостовой схеме. Защиту от пробоя напряжения обратной полярности осуществляют диоды. В более ранних схемах вместо транзисторов были использованы тиристоры, значительными недостатками которых были некоторая замедленность в работе и помехи.

Понятие о принципе работы частотника

Благодаря этим устройствам возникает широтно-импульсная последовательность с необходимой частотой. На выходе частотника импульсы напряжения имеют прямоугольный вид. А после того как они проходят через обмотку статора, вследствие её индуктивности, принимают синусоидальный вид.

Чтобы понять, зачем нужен инвертор, необходимо уяснить, что ток бывает постоянным и переменным. И если преобразователи частоты используются при работе с переменным током, то для управления электромотором постоянного тока необходим электропривод постоянного тока. Он называется инвертором и его назначением в схеме является контроль тока возбуждения. И он также независимо от изменений нагрузки может поддерживать скорость вращения ротора в требуемых пределах и осуществлять его торможение.

Советы по выбору частотников

При выборе частотника наиболее низкая стоимость определена набором минимальных функций. Рост стоимости пропорционален их увеличению.

Первоначально преобразователи классифицируют по мощности. Не менее важными параметрами являются перегрузочная способность и тип исполнения.

Мощность частотника должна быть не меньше максимальной мощности установки. Для оперативного ремонта или замены в случае поломки частотного привода для электромотора желательно, чтобы сервис-центр был расположен в непосредственной близости.

При выборе преобразователя немаловажным фактором является его напряжение. Если подобрать частотник определённого напряжения, а в сети оно окажется более низким, то он будет отключаться. Если же напряжение сети будет длительно допускать допустимое напряжение, то это приведёт к его повреждению и невозможной дальнейшей работе. С учётом этих рисков нужно выбирать частотники с большим интервалом допустимого напряжения.

Существует два типа управления преобразователей: векторное и скалярное.

При скалярном управлении удерживается постоянство между значением напряжения и частоты на выходе. Это наиболее простой тип частотников, и, вследствие этого, более дешёвый.

При векторном управлении из-за снижения статической ошибки управление осуществляется более точно. Но и стоимость асинхронного преобразователя частоты с этим видом управления более высока в сравнении со скалярным управлением.

Зона регулирования частоты тока должна быть в необходимых пределах. Для диапазонов с регулировкой по частоте более, нежели в 10 раз лучше выбрать векторное управление.

Выбор частотного преобразователя

Количество вводов должно быть оптимальным, потому как при слишком большой их численности цена прибора для изменения частоты будет неоправданно завышена, а также могут возникнуть некоторые сложности при его настройке.

Необходимо учесть перегрузочные способности частотника по току и мощности. Ток частотника должен быть чуть больше, нежели номинальный ток двигателя. В случае возникновения ударных нагрузок необходим запас по пиковому току, который должен быть не менее 10% от ударного тока.

Расчёт частотника для электродвигателя

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

  • тип исполнения;
  • ток;
  • мощность.

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%.

Читайте также:  Мощность тока это скалярная величина

Необходимые материалы для самодельного частотника

Необходимые материалы для самодельного частотника

Изготовить частотник своими руками практически возможно. Для этого нужно определиться с основными деталями, приобрести их, изучить схему сборки. Затем приступить к процессу изготовления.

В начале работы необходимо запастись двумя платами. На одной из плат необходимо установить микроконтроллер и индикатор. На второй — транзисторы, диодный мост, входные клеммы, блок питания и драйвер. Между собой платы необходимо соединять гибким проводом.

Питания будет производиться с помощью импульсного блока.

Для управления маломощным мотором достаточно будет установки токового шунта и подключённого к нему усилителя DA-1. Сечение жил токового шунта составляет полмиллиметра. Для двигателей с более высокой мощностью установки токового шунта недостаточно и поэтому необходимо устанавливать трансформатор.

При мощности двигателей более 0,4 КВт необходима установка термодатчиков.

Микросхема IL300 с линейной развязкой позволяет контролировать параметры электродвигателя.

Оптроны типа ОС2–4 необходимы для дубляжа управляющих кнопок.

В результате эксплуатации вследствие большой протяжённости проводов могут возникать помехи. Устранить их можно с помощью специальных колец для удаления помех.

Подключение и настройка

При подключении асинхронного преобразователя частоты в сеть однофазного тока клеммы двигателя необходимо соединить в «треугольник». Эта схема соединения подразумевает присоединение конца и начала соседних обмоток. Напряжение питания при этом будет 220 В. Выходной ток необходимо удерживать в пределах не более половины его номинального значения.

Если частотник подключается к трехфазной сети, то клеммы двигателя соединяются в «звезду». При этой схеме соединения концы трёх фаз обмоток соединяются в одну точку. Напряжение от сети принимает значение 380В.

Очерёдность подключения общей электрической цепи будет следующей:

  1. дифференциальный автоматический выключатель, ток которого совпадает с номинальным током двигателя;
  2. преобразователь частоты;
  3. электродвигатель.

При работе с трехфазной сетью автоматический выключатель должен быть снабжён общим рычагом по всем трём фазам. В таком случае перегрузка одной из фаз будет устранена выключением всего питания. Допустимый ток срабатывания должен быть рассчитан на основе значения тока двигателя в одной фазе.

Подключение и настройка частотника

При установке преобразователя в однофазную сеть допустимый ток автоматического выключателя должен превышать в три раза значение фазного тока.

Подключается преобразователь к электромотору с помощью магнитного пускателя. Выбирается магнитный пускатель по напряжению сети и номинальному току.

Перед монтажом пульта управления его рычаг должен быть в положении «Выключено». При включении рычага обязательным условием есть появление сигнала на световом индикаторе. Клавишей RUN производится запуск частотника. А рукоятка пульта управления контролирует изменение числа оборотов ротора двигателя.

Следует с особым вниманием изучить значение частоты на частотнике, так как на одних моделях указывается частота вращения ротора электродвигателя, а на других приведена частота тока преобразователя.

Настройка частотного преобразователя для электродвигателя начинается с внимательного изучения инструкции, так как в ней указана последовательность этих операций.

Для того чтобы настроить частотный преобразователь для электродвигателя, необходимо произвести правильный выбор типа проводов и верный размер их сечения.

Перед настройкой частотника необходимо правильно обнаружить и подключить входные и выходные клеммы. Входные клеммы маркируются буквой L с указанием нумерации фазы. Выходные клеммы обозначены латинскими буквами — U, V, W.

Так как параметров у преобразователя заводского исполнения довольно-таки много, частично его настройка производится на заводе. Остальные параметры настраиваются вручную. Основные этапы настройки частотного преобразователя:

  • подача питания на частотный преобразователь;
  • выбор определённого режима работы;
  • установка значений рабочих характеристик оборудования.

Эксплуатация частотника

Правильный порядок эксплуатации преобразователя частоты заключается в выполнении основных операций:

  • Систематическая очистка частотного привода для электродвигателя от пыли и грязи.
  • Регулярно менять детали, срок годности которых истекает.
  • Постоянный контроль напряжения и температуры.
  • Работа устройства должна проходить при заданных условиях: не превышать допустимый уровень пыли, влажности, температуры окружающей среды.

Нежелательным является попадание прямых солнечных лучей на частотник, отсутствие достаточной вентиляции. Материалы и жидкости, которые достаточно легко воспламеняются, не должны находиться рядом с ним. В помещении регулярно должна проводиться обработка против грызунов. Место установки частотного привода для электродвигателя не должно иметь шероховатостей, позволять вибрации.

Эксплуатация частотника

Частотники для двигателя мощностью около 3 КВт являются наиболее распространёнными ввиду компактности, относительно невысокой цены, простоты установки и обслуживания

Собирать вручную частотники для двигателей мощностью 3 КВт и больше нет смысла — они будут довольно дорогими по цене и не всегда обеспечивать необходимую точность в работе.

Для двигателей мощностью 3 КВт преобразователи частоты находят применение:

  • в системах вентиляции для контроля скорости вращения вентилятора;
  • для одновременности работы принимающего и подающего конвейеров;
  • для подачи сырья с контролем его объёма;
  • для управления несколькими насосами;
  • для контроля работы погружным насосом;
  • для регулировки скорости подачи сырья в дробилках.

Частотники для двигателей большей мощности отличаются величиной максимальной выходной частоты, наличием фильтра электромагнитной совместимости (ЕМС), видом режима управления.

Например, у частотного привода для электродвигателя мощностью 15 КВт максимальная выходная частота меньше, нежели у преобразователя для двигателя мощностью 3 КВт. ЕМС фильтр для такого двигателя не предусмотрен. Режим управления только скалярный.

Источник