1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Частотное регулирование асинхронных двигателей принцип работы

Частотный преобразователь для электродвигателя с постоянными магнитами. Основные принципы частотного регулирования синхронных двигателей

Как следует из названия, в данном типе двигателей (PM motor) для создания поля возбуждения используются магнитный материалы. При взаимодействии постоянного магнитного поля в роторе с вращающимся полем статора и создается электромагнитный момент. Асинхронные двигатели (IM) отличаются тем, что в них для создания поля возбуждения требуется ток намагничивания (составляющяя часть тока статора). Это фундаментальное отличие и дает основные преимущества двигателям с постоянными магнитами с точки зрения упрощения конструкции, снижения потерь и уменьшения размеров.

Благодаря использованию редкоземельных магнитов, синхронные двигатели обладают повышенной удельной мощностью (отношение выходной мощности двигателя к его массе) по отношению к эквивалентным асинхронным моторам.

Потери в синхронном двигателе обычно составляют 50%

70% от типового асинхронного двигателя той же мощности, что обуславливает более высокий КПД синхронных машин. Благодаря этому, PM технология удовлетворяет самым строгим стандартам энергоэффективности (IE3 и IE4+).

Типы двигателей с постоянными магнитами

PM машины можно разделить на 2 основные группы в зависимости от характеристик их возбуждения: 1) синхронные двигатели переменного тока (PMAC или СДПТ) с синусоидальным распределением магнитного потока и 2) бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC или БДПТ) с трапециевидным распределением потока. Разница в возбуждении является результатом различного расположения обмоток статора: в PMAC — обмотка распределенная, а в BLDC — концентрированная.

БДПТ дешевле, менее сложны в изготовлении и имеют несколько более высокую удельную мощность, чем СДПТ. Однако, у них есть пульсации момента в отличие от синхронных двигателей. Это одна из основных причин, почему СДПТ, как правило, предпочтительнее для высокопроизводительных применений.

Синхронные двигатели с дополнительной короткозамкнутой обмоткой ротора (LSPM) — по сути сочетание технологии синхронного и асинхронного двигателя. Такая конструкция позволяет LSPM двигателям запускаться в асинхронном режиме при питании напрямую от сети без частотного преобразователя и датчика положения/скорости. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм. LSPM машины часто встречаются в текстильной промышленности, где требуется синхронность работы ряда машин. Они также находят применение в отраслях, где требуется прямой пуск и высокоэффективная работа двигателя.

Основные требования к управлению

За исключением LSPM двигателей, которые могут быть подключен непосредственно к трехфазной электрической сети, для PMAC и BLDC двигателей требуется преобразователь частоты с достаточно сложным алгоритмом управления скоростью и моментом двигателя.

Управление синхронным двигателем более сложная задача, чем у асинхронного в связи с тем, что фактическое положение ротора должно непрерывно измеряться (или рассчитываться), чтобы двигатель не выпадал из синхронизма. Это можно сделать с помощью таких датчиков, как энкодер, резольвер, датчик Холла (BLDC), а также с помощью передовых методов бездатчикового векторного управления.

Новейшие технологии бездатчикового управления

В течение последних нескольких лет наблюдается повышенный интерес к исследованиям и разработке алгоритмов, устраняющих необходимость использования физического датчика положения/скорости при управлении синхронным двигателем. Сниженные затраты на установку и повышенная надежность являются основными преимуществами, связанными с отказом от этого датчика.

В большинстве современных бездатчиковых технологий управления двигателем в качестве обратной связи по положению ротора используется обратная или противо- ЭДС (back-emf), позволяя синхронному двигателю динамично и точно работать на средних и высоких оборотах (обычно > 2,5% от номинальных). Основным требованием для такого подхода является то, что напряжение, генерируемое постоянными магнитами, должно быть достаточно высоко, чтобы быть обнаруженным частотным преобразователем с необходимым разрешением. Проблемой такого метода является невозможность работы привода на скоростях, близких к нулю, так как противо-ЭДС не дает в этом случае требуемого сигнала.

Для преодоления данного ограничения был разработан метод инжекции сигналов — трансформации синхронного двигателя в резольвер, определяющий положение ротора. Эти сигналы накладываются на сигнал ШИМ преобразователя частоты. Для извлечение необходимой информации из полученного композитного сигнала требуется достаточно сложная система управления, способная эффективно отделить эти две различных составляющих сигнала.

В случае с синхронными двигателями для метода инжекции сигналов конструктивно предпочтительнее использовать двигатели со встроенными магнитами (Permanent Magnet Motors — IPM) в отличие от двигателей с поверхностным расположением магнитов (SPM). В IPM двигателях магниты располагаются внутри ротора, и пространственное изменение сопротивление ротора достаточно велико, чтобы надежно определять его положение. SPM двигатели также могут управляться методом инжекции, но из-за низкого дифференциально-пространственного импеданса определение текущего положения ротора усложнено.

Благодаря новейшим разработкам, используемым в частотных преобразователях Optidrive P2, компания Invertek Drives занимает лидирующие позиции в технологии надежного высококачественного бездатчикового управления синхронными двигателями на очень низких скоростях, что подтверждено рядом реальных практических применений.

Типовые области применения двигателей с постоянными магнитами

СДПТ в сочетании с резольверами или энкодерами де-факто уже являются стандартом для сервосистем, применяемых для высокопроизводительного управления движением, благодаря низкой собственной инерции ротора, позволяющей им обеспечивать высокую точность и динамику позиционирования. В то-же время бесщеточные двигатели (BLDC) широко применяются в системах вентиляции, отопления, кондиционирования (HVAC), где не требуется высокого крутящего момента на низкой скорости, но используются высокоскоростные операции.

В настоящее время имеет место тенденция замены асинхронных двигателей на двигатели с постоянными магнитами в приложениях, где имеет важное значение энергоэффективность работы; а также в приложениях, где требуемое отношение мощности к крутящему моменту на единицу массы не позволяет использовать асинхронные двигатели.

Использование частотного преобразователя Optidrive P2 для управления синхронными двигателями
Новая серия Optidrive P2 частотных преобразователей компании Invertek Drives предоставляет простую в использовании, новейшую технологию бездатчикового управления синхронными двигателями, обеспечивающую высокую точность управления скоростью в широком диапазоне, включая нулевую. Для настройки привода пользователю необходимо ввести только информацию с паспортной таблички двигателя, которая требуется для проведения статического автотестирования двигателя, чтобы получить превосходное качество управления скоростью и моментом.

Статья Дэвида Джонса, R&D директора Invertek Drives. Октябрь 2011г. Перевод ООО «Интехникс»

Принцип действия частотного управления асинхронным двигателем

Чтобы понять способ частотного управления асинхронным двигателем, а конкретно его угловой скоростью, при помощи регулирования частоты подводимого напряжения, необходимо рассмотреть формулу зависимости синхронной частоты вращения двигателя от частоты подводимого напряжения f1 и числа пар полюсов двигателя рn. Из формулы видно, что скорость вращения электромагнитного поля статора прямо пропорциональна частоте питающего напряжения.

По этому принципу возможно построение широкорегулируемых электроприводов с жесткими механическими характеристиками. Важным преимуществом частотного управления асинхронным двигателем являются благоприятные энергетические показатели. Это объясняется тем, что двигатель с частотным управлением работает при малых скольжениях, что обусловливает малые потери и высокий КПД во всем диапазоне регулирования скорости. Однако при изменении частоты возникает необходимость одновременного регулирования напряжения, подводимого к статору. С изменением частоты питающего напряжения изменяется и величина потока двигателя Ф1, поэтому одновременно с изменением частоты питающего напряжения необходимо регулировать и его амплитуду.

Необходимость уменьшения напряжения при уменьшении частоты питающего напряжения возникает из за того, что с уменьшением сопротивления обмоток двигателя, ток намагничивания возрастает. Это приводит к тому, что магнитопровод двигателя насыщается, что ведет к перегреву двигателя. При частотном управлении двигателем, необходимо следить, чтобы скольжение двигателя было минимальным.

В настоящее время в качестве преобразователей частоты используются полупроводниковые статические преобразователи частоты. Если пренебрегать величиной активного сопротивления статора (r1=0), то, для того чтобы при частотном управлении (уменьшении частоты вниз от номинальной) сохранять критический момент постоянным, нужно величину напряжения изменять пропорционально изменению частоты.

Механические характеристики, соответствующие частотному регулированию при выполнении соотношения показаны на рисунке сплошными линиями.

Для того чтобы реализовать принцип частотного управления двигателем, необходимо управлять напряжением и током в статоре асинхронной машины при изменении частоты питания. Поэтому в разомкнутых системах ПЧ — АД не удается достичь большого диапазона регулирования скорости, так как в сильной степени проявляется статизм (влияние изменений момента нагрузки) на механические характеристики привода. Кроме того, при снижении скорости может возникать область статической неустойчивости, которая затрудняет практическое использование таких приводов. Существует несколько алгоритмов одновременного изменения частоты и напряжения статора в статическом режиме. Чаще всего стремятся сохранить постоянной перегрузочную способность двигателя, т.е. сделать так, чтобы при всех режимах отношение максимального момента к моменту сил сопротивления оставалось постоянным:

Читать еще:  Греется двигатель при повышенных оборотах

Таким образом, напряжение необходимо регулировать не только в функции частоты, но и в функции нагрузки. Критический момент трехфазного АД:

где ω0- синхронная скорость; Rj — активное фазное сопротивление обмотки статора; XK=XJ+X’2 — индуктивное фазное сопротивление к.з. Пренебрегая величиной Ri по сравнению с Xk и учитывая, что Xk=2f1Lf, можно получить

Следовательно, критический момент прямо пропорционален квадрату напряжения и обратно пропорционален квадрату частоты, поэтому

Таким образом, для сохранения постоянной перегрузочной способности необходимо изменять напряжение пропорционально частоте и корню квадратному от момента нагрузки. Этот общий принцип регулирования может быть уточнен для конкретных режимов работы механизма.

Способы управления асинхронным двигателем

Электропривод сегодня является основой большинства подъемно-транспортных, обрабатывающих комплексов. Одним из способов их плавной работы является векторное управление асинхронным двигателем, преобразующим электрическую энергию в механическую – вращение приводного вала и связанных с ним механизмов.

Что такое асинхронный двигатель?

Прежде чем переходить к модели, алгоритмам и системам управления электроприводом, нужно точно знать, что он собой представляет. Это позволяет выявить в его цепи такие моменты, которые можно будет использовать для организации плавного изменения ключевых характеристик (частота/скорость вращения, напряжение). Соответственно, можно определить параметры контроллера, разработать технологические карты для его размещения в шкафу и обслуживания.

Работа любого асинхронного двигателя базируется на возбуждении на контактных обмотках магнитного поля при подаче электричества от шкафа управления. Оно возникает на статоре – неподвижной части двигателя, которая состоит из кольцевого сердечника (магнитопровода), собранного из отдельных металлических пластин. Каждая из них имеет концентрические пазы на внутренней стороне кольца, которые при совмещении образуют продольные пазы. Они служат для намотки проволоки, составляющей основу статорной обмотки.

Также асинхронный двигатель имеет подвижную часть – ротор, совмещенный с приводным валом. Он также имеет пластинчатый сердечник с пазами, но уже на внешней стороне. Вместо проволоки используются медные прутки, которые по краям замыкаются пластинами (такой вариант двигателя называется с короткозамкнутым ротором).

За счет того, что частоты вращения магнитных полей статора и ротора отличаются, в обмотках последнего за счет индукции наводится электрический ток. Он, в свою очередь, побуждает электромагнитную силу, приводящую ротор в движение (вращение). Разница частот обычно называется скольжением. Его величина составляет порядка 2…10%.

Как можно управлять скоростью вращения двигателя?

Очевидно, что двигатель в обычном режиме работы от сети (электрического шкафа) имеет стандартную скорость/частоту вращения. Это ограничивает прямое его использование, вынуждая применять различные редукторные механизмы для понижения частоты до требуемой. Но даже тогда нет возможности динамично менять обороты, а вместе с ними, мощность, подачу, поскольку все равно остаются фиксированными частоты на выходе из двигателя и редуктора. Для расширения существующих рамок используют разные способы управления (частотные, импульсные, фазные и т. д), которые можно разделить на две большие группы:

  1. Скалярное. Как правило, используется на приводных двигателях компрессорных, вентиляторных, насосных и прочих механизмов, где требуется контроль скорости вращения или любого другого параметра, связанного с датчиками,
  2. Векторное. Это усовершенствованная концепция, которая предполагает раздельный, независимый контроль, изменение момента и магнитного потока. Токосцепление ротора поддерживается на постоянном уровне, что позволяет сохранить максимальный показатель момента.

Управление асинхронным двигателем

Отличие скалярного от векторного управления как раз заключается в возможности осуществления контроля возбуждения (потока). Фактически, он представляется как двигатель постоянного тока, имеющий независимые друг от друга обмотки. Такой подход позволяет создать подобную математическую модель системы работы контроллера.

Формы и схема векторного управления

Все существующие на сегодня системы векторного управления работой двигателей можно разделить на две группы:

  1. Датчиковые. Блок управления работой двигателя имеет с ним обратную связь по скорости, с помощью расположения на валу соответствующих датчиков,
  2. Бездатчиковые. Это системы, которые работают без датчиков скорости на основном валу.

Датчиковые системы являются более сложными, так как точность контроля составляет 1:10000. Бездатчиковые системы работают на уровне не более 1:100. Все частотники с учетом уровня создаваемых помех устанавливаются в центральных или отдельных шкафах.

Если представить все выше сказанное как наглядную схему, то получится нечто следующее:

Здесь можно видеть такие ключевые компоненты системы управления, как:

  • АД – собственно, асинхронный двигатель (объект контроля),
  • БРП – логический блок регуляторов для переменных уравнения,
  • БВП – логический блок, отвечающий за вычисления по переменным,
  • БЗП – блок, задающий значения переменных,
  • ДС – датчик скорости на валу двигателя,
  • АИН ШИМ – блок амплитудно-импульсной/широтно-импульсной модуляции.

То, что на схеме отображено в виде блоков, на практике является всего лишь параметрическими элементами цепи управления, которая реализуется на микроконтроллере. Соответственно, сам контроллер и сопутствующие исполнительные механизмы монтируются в электрический шкаф. Для правильного монтажа разрабатывается технологическая карта.

Управление частотными контроллерами

Современные преобразователи частоты тока/напряжения работают и по скалярному, и по векторному варианту, используя параметрические математические модели, реализованные в программном коде встроенного микроконтроллера. Частотники электронного типа работают на тиристорных мостовых схемах и включают следующие основные компоненты:

  • Выпрямитель – тиристорный или транзисторный мост, преобразующий переменный ток в постоянный,
  • Инвертор – блок АИМ/ШИМ, работающий по обратному принципу, то есть преобразующий постоянный ток в переменный.

Поскольку такой переход так или иначе влияет на форму графика выходного напряжения, то блочный контроллер/частотник может использовать в схеме дросселя и специальные ЕМС фильтры. Последние применяют для снижения интенсивности электромагнитных помех.

Управление частотными контроллерами

Центральный контроллер обеспечивает параметрическое управление схемой, а также вспомогательными задачами, например, диагностикой состояния, защитой от перегрузок и т. п. Сам частотник обычно монтируется в отдельный шкаф, чтобы уменьшить электромагнитные помехи на оборудование.

В целом, векторное управление, организованное на современном контроллере и преобразователе частоты, позволяет добиться плавного регулирования ключевых величин, а также побочных параметров работы оборудования. Ввиду наличия электромагнитных помех при работе, частотники обычно размещают отдельно от основного электрического шкафа.

Пуск и регулирование частоты синхронных двигателей

Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока, электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление. Ротор обладает инерцией и не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения. Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной.

Для пуска могут быть используются следующие способы:

1. Асинхронный пуск.

2. Пуск с помощью разгонного двигателя.

3. Частотный пуск.

При пуске с помощью разгонного двигателя обмотка статора отключена от сети, а на обмотку возбуждения подается напряжение постоянного тока. Специальный разгонный двигатель разворачивает ротор синхронного двигателя до частоты вращения близкой к синхронной. Затем обмотка статора включается в сеть, а разгонный двигатель выключают.

Асинхронный пуск аналогичен пуску асинхронного двигателя. Для этого синхронный двигатель снабжают специальной коротко-замкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу «беличья клетка» и уложенной в полюсных наконечниках ротора. Чтобы увеличить сопротивление стержней, клетку изготовляют из латуни. Обмотку возбуждения предварительно замыкают на гасящий резистор, сопротивление которого в 8—12 раз превышает активное сопротивление обмотки возбуждения с целью избежать перенапряжений.

При включении трехфазной обмотки статора в сеть образуется вращающееся магнитное поле статора, которое будет пересекать пусковую обмотку и наведет в ней ЭДС и ток. Вращающееся магнитное поле статора, взаимодействуя с полем пусковой обмотки, создает электромагнитные силы F и вращающий момент. Момент разгонит ротор до частоты вращения, близкой к синхронной (s 0 . При таком регулировании автоматически обеспечиваются условия устойчивой работы двигателя и его перегрузочная способность определяется только перегрузочной способностью преобразователя частоты.

Читать еще:  Что находиться на двигателе пылесоса

Синхронные двигатели, регулируемые путем изменения частоты с самосинхронизацией, называют вентильными двигателями.

Синхронный компенсатор

Синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу; при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения cosφ или в режиме стабилизации напряжения.

Нагрузка сети носит активно-индуктивный характер – ток нагрузки Iн отстает по фазе от напряжения сети Uc. Для улучшения cosφ сети синхронный компенсатор работает в режиме перевозбуждения. Ток возбуждения регулируется так, чтобы ток якоря I1 синхронного компенсатора опережал на 90° напряжение сети Uc (рис. а) и был примерно равен реактивной составляющей тока нагрузки Iн р. В результате сеть загружается только активным током нагрузки Iн а.

В отличие от батарей конденсаторов компенсатор может компенсировать как индуктивную (при перевозбуждении) так и емкостную (при недовозбуждении) составляющие тока.

В режиме стабилизации напряжения устанавливается ток возбуждения синхронного компенсатора чтобы ЭДС компенсатора Еf равнялась номинальному напряжению сети Ucн (рис. б). В сети имеется ток Iн, создающий падение напряжения ΔU= IнRccosφ + IнXc sinφ, где Rc и Хс — активное и индуктивное сопротивление сети; φ — угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока сети.

Если напряжение сети понижается из-за возрастания тока нагрузки и становится меньше Ucн, то синхронный компенсатор забирает из сети реактивный опережающий ток I1 (рис. в). Это уменьшает падение напряжения на величину ΔUк= I1Xc. При повышении напряжения в сети, когда Uc > Ucн, синхронный компенсатор загружает сеть реактивным отстающим током I1 (рис. г), что приводит к увеличению падения напряжения на величину
ΔUк= I1Xc. Недостаток метода — синхронный компенсатор загружает линию реактивным током, увеличивая потери в ней.

Синхронные компенсаторы выпускаются мощностью от 10 до
100 МВА и по конструкции имеют следующие отличия от синхронного двигателя:

— не имеют выходного конца вала;

— вал не передает вращающий момент и выполняется менее массивным;

— уменьшен воздушный зазор и размеры обмотки возбуждения;

— имеет более массивную магнитную систему для получения большого значения МДС;

-имеет явнополюсную конструкцию при числе полюсов 6 или 8.

Синхронный компенсатор должен быть оснащен автоматическим регулятором возбуждения, который при изменении режима напряжения в узле так регулирует его ток возбуждения, чтобы напряжение на зажимах компенсатора оставалось постоянным.

Энергетика синхронных машин

Часть мощности, потребляемой синхронной машиной, идет на компенсацию потерь, которые включают в себя:

1. Потери на возбуждение ΔРв..

2. Механические потери ΔРмех — это потери на трение в подшипниках и потери на вентиляцию. Они зависят от частоты вращения.

3. Магнитные потери ΔРст в основном имеют место в сердечнике статора, который подвергается перемагничиванию полем ротора. Они состоят из потерь на вихревые токи и перемагничивание. Потери в стали зависят от значения магнитной индукции, марки и толщины листов стали из которой набран сердечник якоря и частоты перемагничивания.

4. Электрические потери имеют место в обмотках статора

5. Добавочные потери ΔРдоп учитывают потери на пульсацию магнитного потока, потери, вызванные поверхностным эффектом и др. Они равны 0,25 – 0,5% полезной мощности генератора

Механические и магнитные не зависят от нагрузки. Их называют постоянными. Электрические потери зависят от нагрузки машины, поэтому эти потери называются переменными.

На рисунке приведены энергетические диаграммы синхронных генераторов и двигателей при возбуждении от возбудителя (рис. а), а также от сети переменного тока (рис. а).

К генераторам подводится механическая мощность Р1= Мврω1, за счет которой покрываются потери холостого хода, состоящие из механических потерь ΔРмех, потерь в стали ΔРст и добавочных потерь ΔРдоп. Если возбудитель приводится от вала генератора, то потери в возбудителе и в цепи возбуждения ΔРв также покрываются за счет механической мощности. Остаток — электромагнитная мощность Рэм= Мэмω1 передается магнитным полем индуктора якорю и преобразуется в его обмотке в электрическую мощность. Часть этой мощности идет на потери в обмотке якоря ΔРэ, а остальная мощность передается на зажимы генератора и является полезной мощностью
Р2 =mU1I1 cosφ1 (рис. а). Если генератор выполнен с самовозбуждением, то с его зажимов снимается мощность ΔРв, часть которой идет на потери в цепи возбуждения (рис. б), а остаток — полезная мощность Р2 отдается в сеть.

Коэффициент полезного действия:

У двигателей потребляемая мощность Р1 =mU1I1 cosφ1 поступает из электрической сети. За ее счет покрываются электрические потери ΔРэ в обмотке якоря и мощность возбуждения ΔРв при возбуждении от сети переменного тока. Оставшаяся часть преобразуется в электромагнитную мощность Рэм= Мэмω1, связанную с вращающимся магнитным полем. За счет этого поля покрываются потери в стали ΔРст и добавочные потери ΔРдоп, а остальное передается ротору в виде механической мощности Рмех. Механическая мощность должна покрыть механические потери ΔРмех и мощность ΔРв, потребляемую возбудителем. Оставшаяся часть механической мощности — мощность на валу является полезной мощностью двигателя Р2= Мврω1.

Энергетические диаграммы показывают, что преобразование энергии в синхронной машине более сложно, чем это описывалось простейшими формулами и векторными диаграммами. Подключения синхронного двигателя к сети и синхронизации еще недостаточно, чтобы машина создала вращающий момент на валу — сначала должны быть покрыты потери в обмотке якоря и в стали. Если к валу генератора, синхронизированного с сетью, подведена механическая мощность, то это еще не значит, что эта машина стала отдавать в сеть электрическую мощность — генератор сначала должен покрыть потери в своей обмотке якоря.

Учет всех факторов, включая потери в стали, существенно усложняет и векторные диаграммы, и расчетные формулы. Поэтому в инженерных расчетах обычно пользуются упрощенной теорией синхронной машины, лишь по мере необходимости вводя дополнительные факторы, уточняющие и одновременно усложняющие эту теорию.

Качания синхронных машин

Допустим, что машина работает при некоторой нагрузке и развивает электромагнитный момент M1 =Mвн1, соответствующий углу Θ1 (рис. 6.59, а и б). Если резко увеличить внешний момент до величины Mвн2, то нагрузочный угол будет увеличиваться до величины Θ2, соответствующей новому значению электромагнитного момента M2 =Mвн2. Однако из-за инерции ротора нагрузочный угол, увеличиваясь, достигает значения Θ3 > Θ2, а затем под действием синхронизирующего момента начинает уменьшаться до величины Θ4

Что такое частотный преобразователь, как он работает и для чего нужен

  • Определение
  • Устройство
  • Виды частотников и сфера применения
  • Способы управления
  • Количество фаз
  • Схема подключения

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:

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.

Читать еще:  Датчик температуры двигателя renault logan

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.

  • 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:

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector