Электрическая схема преобразователя частоты для двигателя

Устройство и принцип действия частотного преобразователя

Время на чтение:

Частотный преобразователь — электронное устройство для изменения частоты тока. Оно широко применяется для работы асинхронных электрических двигателей. Использование этого прибора позволяет продлить срок службы механизмов и увеличить экономию электроэнергии.

Достигается это тем, что преобразователь частоты (ПЧ) обеспечивает плавный пуск рабочего режима электрооборудования и его остановку.

Устройство и назначение

Частотный преобразователь представляет собой набор схем, в которых тиристоры или транзисторы функционируют в режиме электронных ключей. Основное управление этими ключами осуществляет микропроцессор, который параллельно выполняет контроль, диагностику и защиту.

Часто преобразователь называют инвертором частотником. Существует два класса оборудования этого назначения:

1. С прямой связью.
2. С промежуточным звеном постоянного тока.

По своим характеристикам каждый класс обладает своими преимуществами и недостатками, которые и определяют место их конкретного использования. Управляемый выпрямитель считается основным электрическим устройством в инверторах с прямой связью. Во время работы он отключает тиристоры и подключает статорную обмотку электродвигателей к сети.

Преобразование выходного напряжения происходит за счет участков входного, поэтому их частота не может быть равна или больше питания, поступающего от источника. То есть она находится в пределах от 0 до 50 Гц, что приводит к слишком малому диапазону управления частотой вращения электродвигателя.

Эти параметры не позволяют подобные конструкции использовать в современных, регулируемых по частоте приводах.

Асинхронные электродвигатели требуют сложную регулировку вращения, которую и обеспечивают преобразователи частоты, создающие на выходе высокочастотное напряжение до 800 Гц.

Принцип действия

Если объяснять принцип работы частотного преобразователя, то можно сказать, что применение этого устройства позволяет эффективно и качественно управлять работой мощных асинхронных электродвигателей.

Оборудование представляет собой частотно-регулируемый привод (ЧРП), за счет которого улучшились технические характеристики машин и механизмов. Чтобы изменить число оборотов вала двигателя, необходимо отрегулировать амплитуду напряжения и частоты. Принцип работы преобразователя частоты основан на двух способах:

1. Скалярное управление — позволяет проводить регулировку согласно линейному закону, когда амплитуда и частота пропорционально зависят друг от друга. То есть изменение частоты влияет на амплитуду поступающего напряжения, которое действует на крутящий момент и коэффициент мощности механизма. Очень важно, чтобы момент нагрузки на валу электродвигателя оставался одинаковым, а отношение напряжения к выходной частоте оставалось неизменным.
2. Векторная регулировка — позволяет удерживать постоянную нагрузку при любых изменениях частоты. Осуществляет более точное управление, и электропривод мягче реагирует на изменение выходной мощности. Следует учитывать, на момент вращения влияет величина тока статора, точнее, магнитное поле, которое он создает.

Промышленное напряжение поступает на выпрямитель, который сглаживает синусоиды, оставляя пульсации сигнала. Чтобы их ликвидировать и сгладить форму выходного напряжения, предусмотрены в конструкции конденсаторы с индуктивностью.

С выпрямителя сигнал поступает на вход инвертора, состоящего из шести транзисторов с диодами, которые выполняют защитные функции от напряжения обратной полярности. Иногда в схемах могут стоять тиристоры, но они действуют медленнее и с большими помехами.

Чтобы обеспечить плавное торможение вращения, в конструкцию вмонтирован регулируемый транзистор с мощным сопротивлением. По такому принципу работает частотный преобразователь для электродвигателя.

Выпускаемые модели

Во многих областях применяются асинхронные двигатели, работа которых характеризуется высокими показателями устойчивости и безопасности. Это особенно важно, так как любое устройство обладает своими индивидуальными характеристиками, зачем и нужны инверторы, которые обеспечивают оптимизацию параметров их питания. К новой линейке оборудования относятся:

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

Все модели позволяют менять направление вращения вала электродвигателя, экономить основные энергетические ресурсы, снижать эксплуатационные затраты.

Правила подключения и настройки

Для полноценной и эффективной работы инвертора асинхронного электродвигателя его необходимо правильно подключить и настроить. В схему перед частотником устанавливается нужный автоматический выключатель. Если это трехфазная сеть, то выключатель должен быть рассчитан на напряжение 380 В, а сила тока соответствовать номиналу двигателя.

В случае аварийной ситуации в сети на одной фазе, отключены будут и остальные токоведущие проводники. Величина тока разрыва должна соответствовать значению в отдельной фазе электродвигателя. При использовании преобразователя частоты в однофазной сети устанавливается одиночный автоматический выключатель, по номиналу превышающий в три раза значение тока.

В обоих случаях автоматические выключатели не рекомендуется устанавливать в разрыв заземляющего или нулевого проводника, необходимо осуществлять только прямое подключение.

Чтобы подключение было выполнено правильно, идущие от преобразователя токоведущие провода должны быть подключены к соответствующим клеммам двигателя.

Статорные обмотки механизма соединяются «звездой» или «треугольником», в зависимости от того, какое напряжение поступает от инвертора. Если оно совпадает с наименьшим значением на корпусе электродвигателя, то применяется схема «треугольник». При совпадении высокого значения напряжения соединение проводится по схеме «звезда».

Далее, инвертор подключается к контроллеру и блоку управления, который обычно поставляется в комплекте с преобразователем. Все подключения проводятся по схеме, входящей в руководство по эксплуатации оборудования. После выполнения крепежных работ включается автомат и на инвертор подается питание, о чем будет сигнализировать лампочка на пульте.

Для начала работы частотника включается кнопка запуска и осуществляется поворот соответствующей рукоятки. Электродвигатель медленно начнет вращаться. Если необходимо поменять вращение в обратную сторону, то для этого на пульте находится соответствующий тумблер. Чтобы добиться необходимого количества оборотов двигателя, устанавливается необходимая частота напряжения или вращения, в зависимости от модели оборудования.

Частотник для трехфазного электродвигателя своими руками

Сегодня асинхронные двигатели являются основными тяговыми приводами для станков, конвейеров, и прочих промышленных агрегатов.

Для того чтобы моторы могли нормально функционировать, им нужен частотный преобразователь. Он позволяет оптимизировать работу агрегата и продлить срок его службы. Покупать устройство необязательно — частотник для трехфазного электродвигателя можно сделать своими руками.

• Назначение частотного преобразователя
• Принцип работы устройства
• Самостоятельное изготовление прибора
  • Делаем трехфазный преобразователь
  • Частотник для однофазного двигателя
  • Возможные проблемы при проверке

Назначение частотного преобразователя

Асинхронный электродвигатель может работать и без частотника, но в этом случае у него будет постоянная скорость без возможности регулировки. К тому же отсутствие частотного преобразователя приведет к возрастанию пускового тока в 5−7 раз от номинального, что вызовет увеличение ударных нагрузок, повысит потери электроэнергии и приведет к существенному сокращению срока службы агрегата.

Для нивелирования всех вышеперечисленных негативных факторов были изобретены преобразователи частоты для асинхронных двигателей трехфазного и однофазного тока.

Частотник дает возможность в широких пределах регулировать скорость электродвигателя, обеспечивает плавный пуск, позволяет регулировать как скорость запуска, так и скорость торможения, подключать трехфазный мотор к однофазной сети и многое другое. Все эти функции зависят от микроконтроллера, на котором он построен, и могут отличаться у разных моделей.

Принцип работы устройства

Переменный ток поступает из сети на диодный мост, где он выпрямляется и попадает на батарею сглаживающих конденсаторов, где окончательно превращается в постоянный ток, который поступает на стоки мощных IGBT транзисторов, управляемых главным контроллером. Истоки транзисторов, в свою очередь, подключены к двигателю.

Вот упрощенная схема преобразователя частоты для трехфазного асинхронного двигателя.

Теперь рассмотрим, что происходит с транзисторами и как они работают.

Полевой транзистор (он же ключ, мосфет и пр.) — это электронный выключатель, принцип его действия основан на возникновении проводимости между двумя выводами (сток и исток) мосфета, при появлении на управляющем выводе (затворе) напряжения, превышающего напряжение стока.

В отличие от обычных реле, ключи работают на очень высоких частотах (от нескольких герц до сотен килогерц) так что заменить их на реле не получится.

С помощью этих быстродействующих переключателей микроконтроллер получает возможность управления силовыми цепями.

К контроллеру, кроме мосфетов, также подключены датчики тока, органы управления частотником, и другая периферия.

При работе частотного преобразователя микроконтроллер измеряет потребляемую мощность и, в соответствии с установленными на панели управления параметрами, изменяет длительность и частоту периодов, когда транзистор открыт (включен) или закрыт (выключен), тем самым изменяя или поддерживая скорость вращения электродвигателя.

Самостоятельное изготовление прибора

Несмотря на множество агрегатов заводского производства, люди делают преобразователи частоты самостоятельно, благо на сегодняшний день все его компоненты можно купить в любом радиомагазине или заказать из Китая. Такой частотник обойдется вам значительно дешевле покупного, к тому же вы не будете сомневаться в качестве его сборки и надежности.

Делаем трехфазный преобразователь

Собирать наш преобразователь будем на мосфетах G4PH50UD, которыми будет управлять контроллер PIC16F628A посредством оптодрайверов HCPL3120.

Собранный частотник при подключении в однофазную сеть 220 В будет иметь на выходе три полноценные фазы 220 В, со сдвигом 120°, и мощность 3 КВт.

Схема частотника выглядит так:

Так как частотный преобразователь состоит из частей, работающих как на высоком (силовая часть), так и на низком (управление) напряжении, то логично будет разбить его на три платы (основная плата, плата управления, и низковольтный блок питания для неё) для исключения возможности пробоя между дорожками с высоким и низким напряжением и выхода устройства из строя.

Вот так выглядит разводка платы управления:

Для питания платы управления можно использовать любой блок питания на 24 В, с пульсациями не более 1 В в размахе, с задержкой прекращения подачи питания на 2−3 секунды с момента исчезновения питающего напряжения 220 В.

Блок питания можно собрать и самим по этой схеме:

Обратите внимание, что номиналы и названия всех радиокомпонентов на схемах уже подписаны, так что собрать по ним работающее устройство может даже начинающий радиолюбитель.

Перед тем как приступить к сборке преобразователя, убедитесь:

1. В наличии у вас всех необходимых компонентов;
2. В правильности разводки платы;
3. В наличии всех нужных отверстий для установки радиодеталей на плате;
4. В том, что не забыли залить в микроконтроллер прошивку из этого архива:

Если вы все сделали правильно и ничего не забыли, можете приступать к сборке.

После сборки у вас получится что-то похожее:

Теперь вам осталось проверить устройство: для этого подключаем двигатель к частотнику и подаем на него напряжение. После того как загорится светодиод, сигнализирующий о готовности, нажмите на кнопку «Пуск». Двигатель должен начать медленно вращаться. При удержании кнопки двигатель начинает разгоняться, при отпускании — поддерживает обороты на том уровне, до которого успел разогнаться. При нажатии кнопки «Сброс» двигатель останавливается с выбегом. Кнопка «Реверс» задействуется только при остановленном двигателе.

Если проверка прошла успешно, то можете начинать изготавливать корпус и собирать в нем частотник. Не забудьте сделать в корпусе отверстия для притока холодного и оттока горячего воздуха от радиатора IGBT транзисторов.

Частотник для однофазного двигателя

Преобразователь частоты для однофазного двигателя отличается от трехфазного тем, что имеет на выходе две фазы (ошибки тут нет, двигатель однофазный, при подключении без частотника рабочая обмотка подключается в сеть напрямую, а пусковая — через конденсатор; но при использовании частотника пусковая обмотка подключается через вторую фазу) и одну нейтраль — в отличие от трех фаз у последнего, так что сделать частотник для однофазного электродвигателя, используя в качестве основы схему от трехфазного, не получится, поэтому придется начинать все сначала.

В качестве мозга этого преобразователя мы будем использовать МК ATmega328 с загрузчиком ардуины. В принципе, это и есть Arduino, только без своей обвязки. Так что, если у вас в закромах завалялась ардуинка с таким микроконтроллером, можете смело выпаивать его и использовать для дела, предварительно залив на него скетч (прошивку) из этого архива:

К атмеге будет подключен драйвер IR2132, а уже к нему — мосфеты IRG4BC30, к которым мы подключим двигатель мощностью до 1 КВт включительно.

Схема частотного преобразователя для однофазного двигателя:

Также для питания ардуины (5в) и для питания силового реле (12в), нам понадобятся 2 стабилизатора. Вот их схемы:

Стабилизатор на 12 вольт.

Стабилизатор на 5 вольт.

Внимание! Эта схема не из простых. Возможно, придется настраивать и отлаживать прошивку для достижения полной работоспособности устройства, но это несложно, и мануалов по программированию Arduino в интернете — великое множество. К тому же сам скетч содержит довольно подробные комментарии к каждому действию. Но если для вас это слишком сложно, то вы можете попробовать найти такой частотник в магазине. Пусть они и не так распространены, как частотники для трехфазных двигателей, но купить их можно, пусть и не в каждом магазине.

Еще обратите внимание на то, что включать схему без балласта нельзя — сгорят выходные ключи. Балласт нужно подключать через диод, обращенный анодом к силовому фильтрующему конденсатору. Если подключите балласт без диода — опять выйдут из строя ключи.

Если вас все устраивает, можете приступать к изготовлению платы, а затем — к сборке всей схемы. Перед сборкой убедитесь в правильности разводки платы и отсутствии дефектов в ней, а также — в наличии у вас всех указанных на схеме радиодеталей. Также не забудьте установить IGBT-транзисторы на массивный радиатор и изолировать их от него путем использования термопрокладок и изолирующих шайб.

После сборки частотника можете приступать к его проверке. В идеале у вас должен получиться такой функционал: кнопка «S1» — пуск, каждое последующее нажатие добавляет определенное (изменяется путем редактирования скетча) количество оборотов; «S2» — то же самое, что и «S1», только заставляет двигатель вращаться в противоположном направлении; кнопка «S3» — стоп, при её нажатии двигатель останавливается с выбегом.

Обратите внимание, что реверс осуществляется через полную остановку двигателя, при попытке сменить направление вращения на работающем двигателе произойдет его мгновенная остановка, а силовые ключи сгорят от перегрузки. Если вам не жаль денег, которые придется потратить на замену мосфетов, то можете использовать эту особенность в качестве аварийного тормоза.

Возможные проблемы при проверке

Если при проверке частотника схема не заработала или заработала неправильно, значит, вы где-то допустили ошибку. Отключите частотник от сети и проверьте правильность установки компонентов, их исправность и отсутствие разрывов/замыканий дорожек там, где их быть не должно. После обнаружения неисправности устраните её и проверьте преобразователь снова. Если с этим все в порядке, приступайте к отладке прошивки.

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.

Частотный преобразователь для асинхронных электродвигателей

Асинхронный электродвигатель конструктивно прост и неприхотлив в эксплуатации. Но обладает рядом существенных недостатков:

• ток в момент запуска (пусковой ток) превышает номинальный в несколько раз;
• частоту вращения вала электродвигателя нельзя изменить.

Этих недостатков лишены асинхронные электродвигатели с фазным ротором и двигатели постоянного тока. Но их конструкция сложнее, а управление режимами работы требует установки громоздких магазинов сопротивлений, мощных контакторов. Управление режимами происходит с помощью релейно-контакторных схем, что снижает надежность работы.

Частотные преобразователи

Сохранить достоинства асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, при этом устранив его недостатки, позволяют частотные преобразователи.

1. Конструкция и принцип действия частотного преобразователя
2. Простейшие схемы управления частотным преобразователем
3. Способы автоматического регулирования частоты с использованием датчиков
4. Управление электродвигателями грузоподъемных механизмов
5. Промышленные установки с системами АСУТП

Конструкция и принцип действия частотного преобразователя

Привлекательной особенностью преобразователя является тот факт, что для него не требуется серьезных переделок в схеме управления и электропитания мотора. В простейшем случае он ставится вместо элемента управления электродвигателем: пускателя или контактора. Сигналы с кнопок управления переключаются с катушек управления на соответствующие входы.

Но вот кабель к электродвигателю и кабель от распределительного устройства до преобразователя придется заменить на экранированные. Иначе не будут выполнены условия по электромагнитной совместимости частотника, являющегося полупроводниковым прибором.

В нем происходит два основных процесса: сначала трехфазное (или однофазное) напряжение питания выпрямляется, преобразуясь в постоянное. Затем из этого напряжения формируется синусоидальное напряжение питания электродвигателя нужной частоты и величины. Делается это несколькими способами, самый распространенный из которых – широтно-импульсная модуляция. Схема управления формирует на выходе пачки коротких импульсов, которые, сглаживаясь на индуктивности обмоток электродвигателя, дают в итоге практически синусоидальное напряжение.

Для выпрямления на входе частотного преобразователя установлены полупроводниковые диоды, рассчитанные на номинальный ток устройства. Перед ними обязательно устанавливается помехоподавляющие фильтры, чтобы защитить как сам частотник от внешних помех, так и не дать проникнуть помехам от него самого в сеть, к которой он подключен. За выпрямительными диодами установлены конденсаторы, сглаживающие напряжение пульсаций.

Блок-схема работы частотного преобразователя

Для силовой схемы формирования выходного напряжения используются мощные транзисторы или тиристоры. Поскольку в процессе работы в корпусе преобразователя выделяется тепло, для его отвода в него встраиваются кулеры, а сам прибор устанавливается вдали от горячих поверхностей. Сверху, снизу и по бокам прибора на расстояниях, указанных в паспорте завода-изготовителя, должно быть свободное пространство.

Для подключения кабелей в частотном преобразователе есть три вида клемм:

• силовые клеммы: для подключения кабеля питания и кабеля к электродвигателю;
• клеммы для подключения входных и выходных сигналов, как дискретных, так и аналоговых;
• разъемы для подключения к автоматическим системам управления технологическим процессом (АСУТП).

На дискретные входы подаются сигналы управления от кнопок или реле.

Назначение дискретных входов частотного преобразователя

Выбор фиксированной скорости

Дискретные выходы передают информацию о состоянии частоника.

Назначение дискретных выходов частотного преобразователя

Работа (двигатель включен)

Отказ (неисправность преобразователя)

Аналоговые входы предназначены для внешнего задания частоты вращения от устройств АСУ или получения частотным преобразователем сигналов от датчиков, на основе которых он принимает решение о величине частоты вращения двигателя, необходимой в данный момент.

Аналоговые выходы необходимы для подключения к устройствам отображения информации. На них частотник может выдавать значения, заданные в его установках: выходной ток, мощность, частоту вращения.

Частотный преобразователь

Управляет работой частотного преобразователя его мозг – блок управления. Для работы ему необходимы исходные данные: параметры электродвигателя и логика, согласно которой он будет регулировать частоту. Для их вода на передней панели прибора есть дисплей и кнопки, позволяющие эти данные ввести.

Простейшие схемы управления частотным преобразователем

С параметрами электродвигателя все просто: с таблички электродвигателя переписываются номинальные мощность, напряжение, ток и частота вращения. Затем они вводятся в память устройства. А вот с параметрами управления, в зависимости от сложности конструкции частотного преобразователя, все сложнее. Это зависит от сложности технологического процесса, схемы управления и регулирования, типа преобразователя, наличия АСУТП.

Простейшей схемой управления является ручной запуск с фиксированной частотой. Для пуска используются кнопки на самом частотнике, частота вращения регулируется вручную теми же кнопками, в зависимости от требуемой. Для ее реализации не нужны дорогостоящие аппараты, достаточно самого простого и дешевого.

С применением кнопочной станции для управления пуском и остановкой двигателя схема незначительно усложняется. Кабель от кнопок управления подключается к дискретным входам согласно схеме частотника. При этом в его настройках включается опция, разрешающее внешнее дискретное управление.

Способы автоматического регулирования частоты с использованием датчиков

Но такое использование прибора, позволяющего самостоятельно решать, какую частоту выбрать в тот или иной момент, неразумно. Рассмотрим пример его использования для поддержания постоянного уровня воды в баке водонапорной башни.

Традиционная схема управления таким насосом подразумевает наличие двух датчиков уровня: верхнего и нижнего. При понижении уровня воды до минимума срабатывание датчика приводит к запуску насоса, при достижении верхнего – к остановке. При небольшом объеме бака и повышенном потреблении воды насос часто включается и отключается.

При использовании частотного преобразователя в бак врезается датчик давления в самой нижней его точке. Сигнал с датчика пропорционален давлению столба жидкости, то есть, уровню воды в баке. Датчик подключается к аналоговому входу частотного преобразователя, в его настройках выбирается соответствующий макрос (логическая схема работы), выбирается метод задания частоты и задаются параметры, необходимые для его реализации. В нашем случае, это диапазон скоростей вращения насоса при минимальном уровне в емкости и при максимальном. В первом случае это максимально возможная частота вращения электродвигателя насоса, во втором – минимально возможное число оборотов для самого насоса (когда он еще что-то качает, а не перемалывает воду).

Теперь насос будет работать постоянно, но со скоростью вращения, зависящей от величины потребления воды из резервуара.

Таким же образом можно организовать работу насоса, питающего водопроводную сеть, используя датчик давления в напорной магистрали. В этом случае он будет поддерживать постоянным напор воды в ней.

Использование частотного преобразователя для поддержания напора в трубопроводе

Частотный преобразователь может управлять работой не только насосов, но и вентиляторов. Наиболее простой пример: вентиляторы охлаждения. Чем быстрее они вращаются, тем более сильный поток воздуха они создают, помещение (поверхность теплообменника) охлаждается в большей степени. Для регулирования не нужно измерять скорость потока или объем перекачиваемого воздуха. Достаточно датчика температуры, фиксирующего ее в нужной точке помещения (или на выходе теплообменника). Частотный преобразователь будет изменять скорость вращения вентилятора так, чтобы поддерживать заданное значение температуры или держать ее в допустимом диапазоне.

Управление электродвигателями грузоподъемных механизмов

Уж где необходимо изменять скорость вращения электродвигателей, так это на кранах. Для этого там используются асинхронные двигатели с фазным ротором. Но электрическую начинку крана можно сделать проще и компактнее, при этом получив в качестве бонуса еще и непревзойденную плавность регулирования скорости движения.

И все это позволят сделать частотные преобразователи. Для управления их работой в кабине машиниста устанавливаются соответствующие устройства, формирующие понятные частотнику сигналы управления. На каждый из электродвигателей приводов (подъем, перемещение тележки, перемещение моста) устанавливается по частотному преобразователю. В итоге число контакторов в схеме управления краном сводится к минимуму, что повышает его надежность.

К недостаткам относится только необходимость защиты шкафов с частотниками от пыли, но при этом нужно обеспечить их охлаждение в процессе работы.

Промышленные установки с системами АСУТП

Уходят в небытие времена, когда операторы вращали вручную задвижки, а регулировку подачи сырья на конвейере выполняли, перекрывая шибером его поток. Современные операторы технологических установок в чистой спецовке сидят за мониторами обыкновенного компьютера, связанного со щитовой АСУ. Любой параметр процесса меняет кликом мышки, результат которого преобразуется либо в команду «включить/выключить», либо в изменение сигнала управления. Важную роль в этом раю играют частотные преобразователи.

Функциональная схема АСУТП на предприятии

Для привода того же конвейера всегда использовались асинхронные электродвигатели. Поэтому для перевода его на управления с помощью частотного преобразователя не требуется глобальных переделок, даже мотор можно оставить тот же самый. Но при этом получается выигрыш в точности ведения процесса (количество перемещаемого продукта задается частотой вращения привода, то есть – скоростью движения ленты), а также – экономится электроэнергия.

Система для удаленного управления насосной

Для регулировки используется два способа:

1. с использованием аналогового входа, когда АСУТП выдает на каждый частотный преобразователь персональный сигнал управления;
2. с использованием интерфейсных модулей, когда управление происходит по одной шине несколькими приборами в цифровой форме по системному протоколу.

Важной особенностью этого подходя является тот факт, что частотник уже ничего не решает сам, все за него выполняет АСУ. Она принимает сигналы от датчиков, характеризующие состояние технологического процесса. Затем по заданной программе принимает решение, что делать дальше.