Частотный преобразователь для двигателя что это

Частотный преобразователь – что это такое, устройство, принцип действия, для чего нужен, плюсы и минусы

Для достижения высокой эффективности и экономии энергии в оборудовании, связанном с промышленными асинхронными двигателями, необходимо использовать управляемые системы. Современный частотный преобразователь отлично подходит для применения в двигателях переменного тока и простой установки.

Что такое частотный преобразователь?

Электропривод, или преобразователь частот в напряжение – часть технического оборудования, переводящее токи, частоты, импульсы и другие формы волн в пропорциональную электрическую мощность. Выходное напряжение соответствует колебаниям входного сигнала. Устройства могут модулировать частоты для ограничения выходного сигнала. Другими словами, преобразователь частоты трансформирует переменный ток частотой 50 или 60 Гц в переменный любой желаемой частоты. Если это требуется ПЧ может изменить напряжение.

Устройство частотного преобразователя

Современный преобразователь частоты объединяет как минимум три основных блока:

1. Схему управления. Руководство частотным преобразователем строится на основе микропроцессора, регулирующего электронные ключи и обороты двигателя, проводящего его диагностику и защищающего от перегрева, перенапряжения и других задач.
2. Выпрямитель с фильтром. Выходящее напряжение из выпрямителя сглаживает существенные пульсации, перенятые от переменного тока. Происходит это с помощью катушки индуктивности с реактивным сопротивлением и электролитического конденсатора.
3. Трехфазный инвертор. Призван изменять показатели выходного тока. Включает в себя 6 транзисторов (по 2 на каждую фазу).

Принцип действия частотного преобразователя

У каждого прибора будет свой микроконтроллер, подпрограмма управления и настройки. Невзирая на то, что каждое устройство настраивается сугубо индивидуально, принцип работы частотного преобразователя один. Из входной токовой дроссельной защиты напряжение подается на выпрямитель и далее на блок инвертора, который будет создавать изменяющиеся частоты. Схематично это выглядит так: на входе до выпрямителя – синусоида, потом она выпрямляется и это напряжение формируется в меандр, то есть на выходе уже будут прямоугольные импульсы.

Для чего нужен частотный преобразователь?

Преобразователи частоты используются для энергосбережения и обеспечения точного управления критическими процессами, такими как:

• системой охлаждения (радиаторы, насосы);
• топливной система (усилители, нагреватели);
• вентиляцией (например, машинного зала).

Это оборудование часто используется в электромеханическом контексте, например, для оценки отзывчивости двигателя транспортного средства или компонентов безопасности. Частотный преобразователь для электродвигателя позволяет контролировать его скорость вращения и управлять им. Это обуславливает их распространение в хозяйственной и промышленной областях.

Плюсы и минусы частотного преобразователя

В виду своих эксплуатационных качеств частотники все чаще применяются в различных технологических процессах. Каждый из них имеет свои особенности, которые зависят от их строения и принципа работы. Из достоинств этих устройств можно выделить:

1. Невысокая стоимость. Относительно несложная конструкция делает их более доступными.
2. КПД. Он является сравнительно высоким.
3. Рекуперация. Частотный асинхронный преобразователь осуществляет как двигательную работу привода, и тормозную.
4. Экономия. Например, частотный преобразователь для насоса может на 50% повысить экономичность его работы.
5. Мощность. При добавлении преобразовательных комплектов, можно достичь любой мощности.
6. Низкие частоты могут достигаться в широком диапазоне, при этом сохраняются стабильные двигательные вращения.
7. Удобство. Конструкция в виде блоков и модулей делает возможным эксплуатацию устройства с небольшими затратами времени и труда.

Однако, есть и минусы:

1. Выходной диапазон частот. ЧП работают только на понижение.
2. Помехи. В напряжение, которое преобразуется появляются субгармоники, перекрывающие двигатель и создающие помехи.
3. Структурная многоэлементность, по большей части результативна только для больших мощностей.

Виды частотного преобразователя

Исходя из конструктивных особенностей, электроприводы можно разделить на электронные и индукционного типа. Первые дают возможность плавно управлять оборотами синхронных и асинхронных устройств. Электродвигатели второго типа с фазным ротором, работающие как генератор относятся к индукционным. Они имеют маленький коэффициент полезного действия и эффективность.

По типу электрического питания и величине можно выделить:

• однофазный частотный преобразователь;
• трёхфазный;
• высоковольтный.

Как выбрать частотный преобразователь?

Покупая частотный асинхронный преобразователь, нужно понять, с какими нагрузками он будет связан. Еще стоит учесть характеристики крутящего момента, диапазон скоростей, точность статической скорости, требования к начальному крутящему моменту и условия окружающей среды.

1. Подходящий режим управления согласно характеристикам нагрузки. Производительность стала определяющим фактором. В дополнение к качеству изготовления, важным является и управление устройством.
2. Защитная конструкция в соответствии со средой установки. Преобразователь частоты – это прибор, работающий с напряжением, поэтому важно учитывать температуру окружающей среды, влажность, пыль, pH, едкие газы и другие факторы.
3. Характеристики крутящего момента нагрузки механического оборудования. Делятся на три типа: нагрузка с постоянным крутящим моментом, с постоянной мощностью и гидравлическая нагрузка.

Рейтинг частотного преобразователя

Подключение частотного преобразователя

Современные электроприводы для удобства подключения, имеются специальные выводы. Частотный преобразователь – это прибор, который требует правильного и точного подключения, заключающегося в корректном соединении кабельных проводов нужного сечения к определенным выводам электрического двигателя.

Подсоединение преобразователей к электрическим двигателям может происходить следующими способами:

1. Звезда. Инверторные выводы должны подключаться к одновременно сопряженным обмоткам двигателя. Применяется данное соединение, когда нужно включить трехфазный частотный преобразователь в такую же сеть объектов промышленного назначения.
2. Треугольник. Выводы с электропривода подсоединяются с поступательно подключенными обмотками статором электродвигателя. Применяется для подключения в быту к сетям с одной фазой, где выходное инверторное напряжение не выше входного значения больше чем на 50%.

Как настроить частотный преобразователь?

Корректировка работы частотного преобразователя разрешает установить нужный режим ускорения и торможения электрического двигателя. Во избежание вывода из строя оборудования нужно оптимизировать следующие параметры:

1. Наименьшую выходную частоту. Ее повышение во многих случаях уменьшает при разгоне разогрев двигателя.
2. Предельную выходную частоту. Заданный показатель частоты может равняться или быть менее пиковой выходной частоты. Это значение применяется, чтобы гипотетически рассчитать время разгона.
3. Нижнюю границу выходной частоты. По сути, это ограничитель частоты на выходе ПЧ. Настройка обеспечивает защиту двигателя, если минимальная рабочая частота была установлена ошибочно.
4. Частоту предельно допустимого напряжения. Задается согласно значению, которое указано на электродвигателе.
5. Время разгона. Параметр, который определяет предполагаемое время с разгона электродвигателя от нулевой частоты до наибольшей выходной.

Частотные преобразователи: структура, принцип работы

Внимание! Приведенная ниже информация носит теоретический характер. Если Вам необходимо решить конкретную задачу или разобраться как и какое оборудование следует применить в Вашем случае, воспользуйтесь бесплатной консультацией связавшись с нами одним из указанных вверху данной страницы или на странице «Контакты» способов, либо заполните опросный лист. Инженер службы технической поддержки направит Вам рекомендации на указанный Вами адрес электронной почты.

Частотные преобразователи – это устройства, предназначенные для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты.

Выходная частота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне и быть как выше, так и ниже частоты питающей сети.

Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть обычно выполнена на тиристорах или транзисторах, которые работают в режиме электронных ключей. Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

Частотные преобразователи, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса:

1. С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
2. С с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).
   • Практически самый высокий КПД относительно других преобразователей (98,5% и выше).
   • Способность работать с большими напряжениями и токами, что делает возможным их использование в мощных высоковольтных приводах, относительная дешевизна, несмотря на увеличение абсолютной стоимости за счет схем управления и дополнительного оборудования.

Каждый из существующих классов имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью (рис. 4.), в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети.

Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. На рис.5. показан пример формирования выходного напряжения для одной из фаз нагрузки. На входе выигрывают у тиристорных действует трехфазное синусоидальное напряжение u а, u в, u с. Выходное напряжение u вых имеет несинусоидальную «пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой (утолщенная линия). Из рисунка видно, что частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие малый диапазон управления частоты вращения двигателя (не более 1: 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

Использование не запираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя.

«Резаная» синусоида на выходе преобразователя является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению к.п.д. системы в целом.

Наряду с перечисленными недостатками преобразователей с непосредственной связью, они имеют определенные достоинства. К ним относятся:

Подобные схемы преобразователей используются в старых приводах и новые конструкции их практически не разрабатываются.

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят частотники с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 6.)

В частотных преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Для формирования синусоидального переменного напряжения используются автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока.

В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT , IG C T, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.

Они имеют более высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах (95 – 98%).

Преобразователи частоты на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 — 10 кВ и выше. Однако их цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.

До недавнего прошлого преобразователи частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.

Тиристор является полууправляемым приборам: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого в тиристорном преобразователе частоты требуется сложная и громоздкая система управления.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость, простая не энергоемкая система управления, самая высокая рабочая частота.

Вследствие этого преобразователи частоты на IGBT позволяют расширить диапазон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.

Для асинхронного электропривода с векторным управлением преобразователи на IGBT позволяют работать на низких скоростях без датчика обратной связи.

Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорной системой управления в частотных преобразователях снижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей. Как следствие меньшие добавочные потери в обмотках и магнитопроводе электродвигателя, уменьшение нагрева электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так называемого «шагания» ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах, конденсаторных батареях, увеличивается их срок службы и изоляции проводов, уменьшаются количество ложных срабатываний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.

Частотные преобразователи на транзисторах IGBT по сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов.

Они позволяют реализовать более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения, что существенно снижает вероятность отказов и повреждений электропривода.

На настоящий момент низковольтные преобразователи на IGBT имеют более высокую цену на единицу выходной мощности, вследствие относительной сложности производства транзисторных модулей. Однако по соотношению цена/качество, исходя из перечисленных достоинств, они явно выигрывают у тиристорных, кроме того, на протяжении последних лет наблюдается неуклонное снижение цен на IGBT модули.

Главным препятствием на пути их использования в высоковольтном приводе с прямым преобразованием частоты и при мощностях выше 1 – 2 МВт на настоящий момент являются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения и рабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля, а также требует более эффективного отвода тепла от кремниевого кристалла.

Новые технологии производства биполярных транзисторов направлены на преодоление этих ограничений, и перспективность применения IGBT очень высока также и в высоковольтном приводе. В настоящее время IGBT транзисторы применяются в высоковольтных преобразователях в виде последовательно соединенных нескольких единичных модулей.

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на рис. 7. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента инвертора.

Переменное напряжение питающей сети ( uвх.)с постоянной амплитудой и частотой (U вх = const, f вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения ( uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение u d поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение u и изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения u и может достигаться регулированием величины постоянного напряжения u d , а изменение частоты – режимом работы инвертора.

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (вых = var, f вых = var).

Перейдите в разделы, приведенные ниже, выберите необходимое оборудование и положите его в корзину. — Преобразователи частоты
— Оборудование для плавного пуска

• ИЗДЕЛИЯ
  • преобразователи частоты (частотные преобразователи, частотники)
    • принцип действия
    • структура частотников
    • выбор преобразователя частоты
    • пример применения преобразователей частоты с насосами
    • пример применения станции управления насосами
    • подбор преобразователя частоты
  • оборудование для плавного пуска и энергосбережения
    • устройства плавного пуска (УПП, плавные пускатели, мягкие пускатели, устройства мягкого пуска, софтстартеры)
      • принцип действия
      • плавный пуск насосов
    • подбор устройств плавного пуска
    • контроллеры ЭнерджиСейвер
      • принцип действия
      • области применения
      • реализованные проекты
      • отзывы
    • контроллеры Powerboss
      • примеры применения

для преобразователей частоты серий ES022, ES024, ES025 и ES026

Что такое частотный преобразователь и как он работает?

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

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

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

Что такое частотник?

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

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

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

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

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

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

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

Строение современного преобразователя

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

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

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

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

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

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

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

Способ управления

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

По мощности

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

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

Напряжение в сети

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

Частотная регулировка

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

Дискретные входы

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

Соотношение цены и количества выводов

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

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

Перегрузки и ШУ

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

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

Области применения

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

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

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

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

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

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

Руководство по выбору преобразователей частоты для различных применений

Электропривод и его – модернизация, оптимизация, повышение КПД, снижение энергопотребления (энергосбережение), все это требования современного производства, ведущие к снижению эксплуатационных затрат и улучшению экологического фона нашей планеты.
Основными устройствами, используемыми при модернизации электропривода переменного тока, являются преобразователи частоты, которые дают возможность плавного изменения частоты вращения электродвигателя с поддержанием необходимого момента на валу.

Итак, для правильного выбора преобразователя частоты под Вашу систему электропривода (применение) следует учитывать следующие факторы:

1. Тип применения
2. Требуемая перегрузочная способность преобразователя частоты
3. Требуемый диапазон регулирования и точность поддержания скорости приводного механизма
4. Функциональность преобразователя частоты
5. Номинальные данные подключаемого к преобразователю частоты двигателя

Рассмотрим каждый из этих пунктов подробнее.
1. Обобщенно, возможны три основных применения преобразователя частоты:

a.) Управление скоростью приводного механизма
Например – управление скоростью вращения двигателя насоса, конвейера, шпинделя станка и т.д.
Понятно, что это основное применение преобразователей частоты, изначально для этого они и создавались. За счет применения преобразователей частоты появилась возможность не только упростить кинематические схемы приводов с двигателями переменного тока, где требуется регулировать скорость вращения, но и существенно экономить электроэнергию. С примером эффективности внедрения преобразователей частоты для насосных агрегатов можно ознакомиться здесь. Любой преобразователь частоты может управлять скоростью вращения двигателя переменного тока (он должен соответствовать характеристикам двигателя).

b.) Управление моментом приводных механизмов.
Например — управление моментом двигателя намотчика/размотчика для поддержания заданного натяжения материала, применения с распределением нагрузки между несколькими приводными точками (с этим примером можно ознакомиться здесь).
Не все преобразователи частоты имеют данную функцию. Чтобы управлять моментом, преобразователь частоты должен иметь принцип векторного управления электродвигателем.

c.) Управление положением приводного механизма
Например — управление положением робота, осью станка и т.п.
В таких технологических установках применяются электродвигатели, оснащенные датчиками обратной связи по положениюскорости. Зачастую, здесь применяются специальные сервомоторы с постоянными магнитами, например, такие как Unimotor FM (производства Control Techniques).
Преобразователь частоты должен обладать функцией управления положением, причем, порт для подключения датчика обратной связи может быть как встроенным в основную плату управления, так подключаемым опционально. Задание положения для преобразователя может формироваться как его собственным контроллером по заданному алгоритму, так и внешними контроллерами (импульсными или аналоговыми сигналами, либо посредством передачи данных по промышленным сетям – Profibus DP, Ethernet, Modbus, Profinet и т.д.). Управление сервомотором с постоянными магнитами потребует от преобразователя частоты наличия соответствующего режима управления.

2. Требуемая перегрузочная способность зависит от типа приводного механизма, режимов его работы. Стандартно, преобразователи частоты имеют возможность 110% и 150% перегрузки в течение короткого времени (нескольких секунд или минут).

Для примера, к применениям, не требующим высокую перегрузочную способность можно отнести такие механизмы как:
— Вентиляторы
— Центробежный насос
— Поршневой насос
— Холодильный компрессор
— Винтовой компрессор
— Поршневой компрессор
— Конвейер, транспортер
— Смеситель

Механизмы, требующие высокую перегрузочную способность:
— Мельницы
— Дробилки
— Прессы
— Шредеры
— ПТО
-различные применения с задачами управления положением.
Преобразователи частоты для сервомоторов – сервоприводы, имеют высокую перегрузочную способность, в основном не менее 300% в течение минуты.

3. Ширина диапазона регулирования и точность поддержания скорости могут предъявить к преобразователю частоты дополнительные требования.
Как правило, эти параметры не учитываются для электродвигателей насосов, вентиляторов, где регулирование производится в достаточно узком диапазоне (35-50 Гц). Однако если говорить, например, про привод тележки для гидродинамических испытаний макетов судов, где требуется высокая точность поддержания скорости в диапазоне от 1-го об/мин до 1500 об/мин с, то нужно обратить внимание на соответствующие характеристику преобразователя частоты называемой – глубиной регулирования скорости.
Диапазон регулирования скорости определяется отношением максимальной скорости к минимальной при условии поддержания электродвигателем номинального момента.
Для преобразователей частоты с различным принципом управления двигателем диапазоны регулирования имеют примерно следующие значения:
-вольт-частотный (скалярный) режим — 1:20,
-векторное управление без датчика обратной связи – 1:100,
-векторное управление с датчиком обратной связи – 1:1000.

Что касается точности поддержания скорости, то значения имеют следующий вид:
-вольт-частотный (скалярный) режим +/- 25 об/мин,
-векторное управление без датчика обратной связи +/- 10 об/мин,
-векторное управление с датчиком обратной связи +/- 0,15 об/мин.

4. При выборе преобразователя частоты следует учитывать степень его защиты от окружающей среды, она может варьироваться от IP00 до IP66. Первая цифра означает уровень защиты от твердых веществ, вторая от жидкостей. Так же к дополнительному функционалу преобразователей частоты можно отнести следующее:

a.) Возможность подключения тормозного резистора.
Данная функция необходима для быстрого останова приводных механизмов с высокой инерционностью, например, центрифуг, манипуляторов и т.п. При торможении двигателя, последний переходит в генераторный режим и выделяемую им энергию нужно рассеивать в тепло, так как в противном случае может возникнуть аварийное отключения преобразователя частоты по перенапряжению на шине постоянного тока и выходу из строя мощных электролитических конденсаторов.

b.) Возможность рекуперации выделяемой двигателем энергии при его торможении в питающую сеть.
При останове высоко-инерционных механизмов, например, больших вентиляторов, маховиков и т.п., генерируемую двигателями энергию можно вернуть в сеть, что может привести к существенной экономии энергопотребления (необходимо делать расчет). Так же данную функцию целесообразно использовать в механизмах, где привод создает отрицательный вращающий момент (размотчики, стенды испытания двигателей под нагрузкой). Более подробно про рекуперацию энергии в сеть можно почитать здесь.

с.) Помимо электродвигателей, преобразователи частоты так же могут управлять вспомогательными механизмами, например, клапанами, сигнальной аппаратурой и т.д. Этого можно реализовать посредством встроенных в преобразователь частоты входов/выходов, так и посредством подключения к нему опциональных плат.
Преобразователи частоты можно оснащать различными опциями, например:
— Программируемый логический контроллер (PLC)
— Платы расширения аналоговых и дискретных входов/выходов
— Платы с сетевыми интерфейсами (Profibus, DeviceNet и т.д.)

5. Итак, после выбора модели преобразователя частоты, необходимо выбрать его
типоразмер под конкретный двигатель. Для этого необходимо ознакомиться с информацией на шильдике двигателя и определить его номинальное напряжение, номинальный ток, номинальную скорость вращения и КПД. Вся эта информация, как правило, потом заносится в программу настройки преобразователя.
Низковольтные преобразователи частоты могут иметь следующее напряжение питания:

С соответствующим значением номинального напряжения питания должен быть и сам подключаемый электродвигатель. Номинальный выходной ток преобразователя частоты должен быть не менее номинального тока электродвигателя с учетом перегрузочных способностей для данного применения, определяемых в соответствии с пунктом 2 данной статьи.

На современном рынке существует большое количество производителей выпускающих преобразователи частоты, однако, практика показывает, что самым беспроблемным вариантом является использование европейских или японских брендов, у которых хорошо развита техническая и сервисная поддержка на территории России. Таким примером могут быть фирмы Control Techniques (Англия), Vacon (Финляндия), Danfoss (Дания), Siemens (Германия), АВВ (Швеция), Mitsubishi (Япония), Omron-Yaskawa (Япония) и т.д.

Функциональные возможности преобразователя частоты

Векторное управление

Векторное управление – метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора (моментом на валу двигателя).

Векторное управление применяется в случае, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах. Это позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя. Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять, кроме амплитуды, и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление».

Векторный способ управления преобразователем частоты позволяет осуществлять гораздо более качественное управление электродвигателем, нежели скалярный.

Автоматическая оптимизация энергопотребления (АОЭ)

Это специализированный алгоритм, который применяется в системах с переменным моментом для регулирования скорости центробежных насосов и вентиляторов. При выходе на задание частотный преобразователь ОВЕН ПЧВ автоматически снижает уровень выходного напряжения, точно адаптируясь к изменяющейся токовой нагрузке и уменьшая тем самым расход энергии и акустический шум двигателя.

Спящий режим

Многие приводы, в особенности центробежные насосы, не допускают работы на частотах вращения ниже 20–30 Гц. Для энергоэффективного управления такими приводами необходим режим работы с периодическими остановками, более известный как «спящий режим». Такой алгоритм, с одной стороны, защищает привод от перегрева и повышенного износа, связанных с работой на низких частотах, с другой стороны – обеспечивает эффективное управление приводом с поддержанием управляемого параметра (давление, уровень, температура и т.д.) в заранее определенных границах. «Спящий режим» часто применяется в управлении насосами, градирнями, вентиляторами АВО и т.д.

Встроенный ПЛК

Встроенный ПЛК преобразователей частоты ОВЕН ПЧВ дает пользователю возможность реализации дополнительной программы управления и может послужить альтернативой внешнему ПЛК или программируемому реле. В качестве переменных этого встроенного ПЛК могут быть использованы сигналы входов ПЧВ, внутренние события ПЧВ, временные задержки и т.д. Встроенный ПЛК позволяет осуществить все основные функции управления частотным преобразователем ОВЕН ПЧВ: запуск, останов, изменение уставки, реверс, изменение набора параметров, сброс аварии и т.д. Всего программа встроенного ПЛК ПЧВ может содержать до 20 шагов событийной логики.

Автоматическая адаптация двигателя (ААД)

Это алгоритм расчета модели двигателя, в соответствии с которым осуществляется бессенсорное векторное управление преобразователем частоты ОВЕН ПЧВ с высокой точностью и тепловая защита двигателя. Во время этой процедуры частотный преобразователь ОВЕН ПЧВ измеряет и запоминает актуальные параметры двигателя, чтобы затем использовать их в эквивалентной схеме замещения двигателя в алгоритме управления. Процедура выполняется без вращения вала двигателя (что очень удобно, т.к. не всегда имеется возможность пускать весь агрегат в таком режиме).

Удобная коммуникация

Все преобразователи частоты ОВЕН ПЧВ имеют встроенный гальванически изолированный интерфейс RS-485, предназначенный для программирования и диагностики ПЧВ с помощью программы-конфигуратора, обмена данными по сети между ПЧВ и другими устройствами АСУ ТП (ПЛК, SCADA). Набор встроенных протоколов зависит от конкретной модели ПЧВ. Протокол Modbus RTU поддерживают все ПЧ.

Основные возможности работы с интерфейсом:

• Удаленное управление приводом с помощью командного слова.
• Удаленное изменение уставок и конфигурации управления.
• Отображение аварий и режимов работы с помощью слова состояния.
• Одновременное управление со входов и по RS-485.
• Функции защиты привода при пропадании связи по RS-485.

Плавный пуск с помощью ПЧВ

Частотные преобразователи ОВЕН ПЧВ позволяют осуществлять плавный пуск двигателя с минимальной перегрузкой по току (пусковой ток не более 150% от номинального). Для тяжелых применений в преобразователях частоты ОВЕН ПЧВ1/ПЧВ2 предусмотрен вариант не только линейной, но и S-образной пусковой характеристики. Ее использование позволяет сократить необходимое время запуска под нагрузкой. Для линейки ПЧВ3, включающей в себя частотные преобразователи мощностью до 90 кВт, реализована возможность отложенного запуска, позволяющая просто и удобно организовать запуск нескольких мощных ПЧВ.

Динамическое торможение

Есть несколько вариантов останова частотного преобразователя ОВЕН. Самый простой из них – останов выбегом, когда с управляемого двигателя просто снимается напряжение. В этом случае останов двигателя является нерегулируемым и, в случае значительной инерции привода, длительным. Нельзя также забывать, что в этом режиме останавливающийся двигатель работает в генераторном режиме, что в некоторых случаях может привести к перенапряжению на звене постоянного тока частотного преобразователя. Поэтому достаточно часто применяют динамическое торможение. В этом случае частотник подает постоянное напряжение на 2 фазы двигателя, что создает постоянное неподвижное магнитное поле. При вращении ротора относительно этого магнитного поля происходит изменение направления электромагнитного момента, т. е. он станет тормозным и под действием этого момента происходит торможение. Кинетическая энергия вращающихся частей переходит в теплоту, выделяющуюся в цепи ротора за счет токов, индуктированных в ней неподвижным полем статора. Изменяя величину подведенного к обмотке статора напряжения, можно регулировать величину тормозного момента. Основным достоинством этого тормозного режима является точная остановка. Постоянное напряжение можно подводить к обмотке статора только на время торможения. Для рассеивания избыточного тепла в режиме динамического торможения используются тормозные резисторы.

Противопожарный режим

Противопожарный режим необходим для частотного преобразователя, управляющего вентиляторами в здании. При возникновении пожара и срабатывании пожарного датчика, подключенного к дискретному входу частотного преобразователя ОВЕН ПЧВ3, частотник останавливает выполнение текущей программы управления и переходит в особый режим работы. Частотный преобразователь может быть остановлен или принудительно включен на работу в разомкнутом контуре управления по заранее заданной уставке. Еще одной особенностью противопожарного режима является игнорирование аварий частотным преобразователем т.е. сохранение работоспособности привода в любых ситуациях на время работы противопожарного режима.

Пропуск резонансных частот (байпас)

Преобразователи частоты ОВЕН ПЧВ поддерживают функцию байпаса скоростей, когда пользователь имеет возможность исключить из алгоритма работы системы нежелательные для него диапазоны частот вращения привода (например, вызывающие повышенный шум при работе из-за резонанса с внешними частотами).

В каждом из наборов параметров может быть запрограммировано по две полосы частот для частотных преобразователей ПЧВ1,2 и три полосы частот для частотных преобразователей ПЧВ3. Также преобразователи частоты ОВЕН ПЧВ3 имеют встроенный полуавтоматический алгоритм поиска резонансных частот для упрощения пусконаладки частотных преобразователей вентиляционных систем.

Подхват двигателя (старт на лету)

Это подхват вращающегося двигателя после восстановления питания, причем двигатель может вращаться как в нужном направлении, так и в обратном (например, приточный вентилятор в здании, разогнанный встречным ветром). В последнем случае частотный преобразователь сначала плавно остановит двигатель, а потом разгонит его в нужном направлении. Функция автоматического подхвата вращающегося двигателя с автоматическим определением параметров движения обеспечивает плавную безударную работу в случае провалов напряжения, а также плавный запуск приводов с постоянно вращающимся исполнительным механизмом (например, в системах вентиляции, на мельницах и т.п.).

Обнаружение обрыва ремня

Функция обнаружения обрыва ремня может быть полезна при работе насосов, вентиляторов и компрессоров в системах как с замкнутым, так и с разомкнутым контуром регулирования. Обрыв ремня определяется косвенными вычислениями. Если крутящий момент двигателя оказывается меньше величины момента при оборванном приводном ремне, а значение выходной частоты преобразователя составляет более 15 Гц, срабатывает сигнализация, которая по выбору пользователя может либо остановить работу установки, либо выдать предупреждение на локальную панель или по RS-485.