для чего предназначен преобразователь частоты
Для чего нужен преобразователь частоты — задачи и преимущества частотника
Частотные преобразователи – это технические устройства, преобразующие входные сетевые параметры в выходные на различных частотах. Современные инверторы переменного тока обладают широким частотным диапазоном.
Асинхронный преобразователь частоты предназначен для преобразования сетевого 3-х либо 1-но фазного переменного тока f 50 Гц в 3-х фазный либо 1-но фазный, f 1 ̴̴ 800 Гц.
Производителями выпускаются электро-индукционные частотники, представляющие собой конструктив:
Частотники зачастую используются для плавной регулировки скорости вращения асинхронного двигателя (АД) за счет формирования на выходе частотника заданных параметров сети. В самых простых случаях регулировка f и U выполняется с соответствующей зависимостью V/f, в более навороченных инверторах реализуется как векторное управление.
Электронный преобразователь частоты — это конструктив, который состоит из элементов:
Выходные тиристоры (транзисторы) служат для обеспечения необходимого тока для электроснабжениядвигателя.
Для поправки U вых. между частотником и электродвигателем другой раз ставят дроссель, а для сниженияпомех — фильтр.
Классификация преобразователей частоты
По типу питающего напряжения преобразователи частоты делятся на разновидности:
Основную задачу преобразователя частоты можно сформулировать следующим образом: перевод рабочего процесса на экономичный режим с помощью управления скоростью и моментом двигателя, согласно заданным техническим параметрам и характеру нагрузки.
При этом цифровой дисплейприбора показывает такие параметры работы системы, как:
По сфере использования типы инверторы бывают:
Структура частотного преобразователя
Структура современного ПЧ выстраивается по принципу преобразования энергии и включает в себя силовую и управляющую составляющую. Первая, как правило, исполняется на тиристорах или транзисторах, коим отводится роль электроключей. Управляющий блок реализуется на микропроцессорах. С помощью ключей размыкающий и замыкающий цепи он позволяет молниеносно решать множество заданий по диагностике, защите, контролю.
По принципу работы частотные преобразователи бывают двух типов:
Всем им присуще ряд достоинств и недостатков, обуславливающих сферу эффективного использования каждого из них.
Непосредственные частотные преобразователи
Они принадлежат к наиболее ранним аппаратам с упрощенной силовой частью,представляющей собой выпрямитель на тиристорах.
Система управления по очереди отмыкает групповые тиристоры и подключает обмотки электродвигателя к сети питания. Непосредственные – это реверсивный тиристорный частотник. Основное его преимущество заключается в том, что он подключается напрямую в сеть без добавочных устройств.
Таким манером получается, что U вых частотника образуется из усеченных отрезков синусоид U вых. На рисунке приведён пример сформировавшегося U вых для одной из фаз нагрузки. На вход тиристоров подаётся 3-х фазное синусоидальные составляющие Uа, Uв, Uс. Напряжение U вых представляется несинусоидальной «пилообразной» формой, которая в аппроксимированном виде выглядит как синусоида (жирная кривая). На чертеже показано, что частота U вых не может быть равной либо превышать частоту сети питания. Поэтому и невелик диапазон управления частоты вращения электродвигателя (менее 1: 10). Ограничивающие пределы не дают возможность использовать подобные частотные преобразователи в навороченных ЧРП. Последние рассчитаны на широкий диапазон регулировкипоказателей.
Применение тиристоров в большей степени усложняет систему управления, и поэтому этого стоимость преобразователя частоты увеличивается.
Выходная «усеченная» синусоида частотника – это источник высокочастотных гармоник, вызывающих добавочные потери в электродвигателе, перегревание электромашины, уменьшение момента, мешающие работе шумы в сети питания. Использование компенсирующих приспособлений повышает цену, массу, размеры, понижает КПД всей системы.
Тем не менее, непосредственные частотные преобразователи радуют пользователей своими определёнными достоинствами. К ним относятся:
Такие схемы применяются в электроприводах выпуска прошлых лет. В новых конструкциях они на практике не разрабатываются.
Частотные преобразователи со звеном постоянного тока
Это устройства, выполненные по транзисторной или тиристорной схеме. Однако их основная отличительная особенность состоит в том, что корректная и безопасная работа частотника требует наличия звена постоянного напряжения. Поэтому для подключения их к промышленной сети требуется выпрямитель. Обычно, применяются комплектное оборудование, состоящее из частотного преобразователя и выпрямителя, регулируемые от одной системы управления.
В ПЧ этой группы применяется двухступенчатое преобразование электроэнергии: синусоидальное U вх с f = const выправляется в выпрямителе (В), отфильтровывается фильтром (Ф), разглаживается, и далее заново преобразуется инвертором (И) в U ̴. Ввиду двухступенчатого преобразования электроэнергии снижается КПД и несколько ухудшаются массогабаритные показателив сравнении с преобразователями частоты с непосредственной связью.
Для создания синусоидального U ̴ самоуправляющиеся преобразователи частоты. В качестве ключевой базы в них используются усовершенствованная тиристорная и транзисторная основа.
Основным преимуществом тиристорной преобразовательной аппаратуры считается возможность оперироватьс большими параметрами сети, с выдерживанием при этом продолжительной нагрузки и импульсных воздействий. Аппараты обладают более высоким КПД.
Частотные преобразователи на тиристорах на сегодня превосходят остальные высоковольтные приводы, мощность которых исчисляется десятками МВТ с U вых от 3до 10 кВ и более. Однако и цена на них соответственно наибольшая.
Принцип действия преобразователя частоты
Первооснову привода определяет инвертор двойного преобразования. Принцип действия заключается в том, чтобы:
Как подключить и настроить преобразователь частоты?
Общая схема подключения асинхронного электродвигателя с применением частотного преобразователя в принципе не сложная, так как вся основная разводка заключается в корпусах приборов. Для технаря, владеющего практикой, разобраться в ней не составит сложности. В схеме место для преобразователя выделяется сразу после автоматического выключателя с номинальным током, равным номиналу электрического двигателя. При монтаже преобразователя в 3-х фазную сеть необходимо задействовать трехполюсный автомат,имеющий общий рычаг. При перегрузке это позволит мгновенно отключить все фазы от сети электроснабжения. Ток срабатывания должен быть равным току одной фазы электродвигателя. При однофазном питании, следует выбирать автоматический выключатель, с утроенным значением тока одной фазы.
Во всех случаях, монтаж инвертора должен осуществляться с включением автоматических выключателей в разрыв нулевого или заземляющего провода.
Практически настраивать частотный преобразователь – это значит, проводить подключение жил кабеля к видимым контактам электрического двигателя. Конкретное соединение определено характером напряжения, вырабатываемого непосредственно преобразователем частоты. Для 3-х фазных сетей на промышленных объектах электродвигатель подсоединяется «звездой» — этой схемой подразумевается параллельное подсоединение проводов обмоток. Для бытового применения в однофазных сетях применяется схема «треугольник» (где U вых не превышает U ном больше чем на 50%).
Пульт управления необходимо располагать втам, где будет комфортно пользоваться. Схема подключения пульта обычно отображена в пользовательской инструкции к частотному преобразователю. Перед установкой, до подачи электропитания рычаг нужно перевести в положение «выключено». После того должна загореться соответствующая индикаторная лампочка. По умолчанию для пуска аппарата требуется нажать на клавишу «RUN». Для плавного наращивания оборотов электродвигателя нужно не торопясь повернуть рукоятку пульта. При обратном вращении необходимо переустановить режим посредством кнопки реверса. Сейчас уже можнобудет перевести рукоятку в рабочее положение и установить требуемую скорость вращения. Стоит заметить, что на управляющих пультах отдельных ПЧ указывается не механическая частота вращения, а частота питающего напряжения.
Ради чего нужен преобразователь частоты?
Применение задвижек и регулирующих клапанов в производстве постепенно уходит в прошлое. Пришедшие им на замену асинхронные двигатели выгодно отличаются высокой производительностью и мощностью, но также не лишены характерных недостатков. К примеру, контроль над скоростью вращения ротора требует оснащения добавочными элементами. Пусковые токи превышают номинальные до семи раз. Такая ударная перегрузка отражается на сроке службы агрегата.
Высокоэкономичное функционирование насосов основывается на постоянной регулировке таких технических показателей как температура, давление и расход воды. Оптимизация работы дымососов и вентиляторов требует регулировки температурного режима, давления воздуха и разреженности газов. Экономичность использования станков предусматривается регулировкой скорости вращения двигателя. В конвейерной специфике работы важной особенностью является производительность. Специальные частотные агрегаты предназначены для решения подобных задач.
Для фирмы и предприятий частные преобразователи необходимы в плане:
Использование частотного привода повышает техническую эффективность производства еще и за счёт высвобождения некоторого оборудования.
Где используются частотные преобразователи?
Аппаратура широко применяется в промышленных и устройствах, где необходимо изменение скорости вращения двигателя, мероприятия по борьбе с амплитудными пусковыми токами или корректирование в регулирующих деталях (комбинации элементарных преобразователей с использованием обратной связи) и т. п. Рассмотрим их применение по мере востребованности:
Насосы. Поскольку потребляется мощность, пропорциональна, как известно, кубу скорости вращения, то использование преобразователя частоты позволяет сэкономитьпотребление электроэнергии до 60 %, в сравнении с методом регулировки мощности посредством заслонок на трубе. Годовое использование частотного преобразователя окупает все затраты на его приобретение. Аппараты позволяют также:
Дополнительным преимуществом является решение проблемы с гидроударами: работающие ПЧ сглаживают пуск/останов насоса. На модернизированных насосных станциях налажены системы, позволяющие управлять насосами групповым методом без необходимости в установке контроллера.
Вентиляторы. Все, вышесказанное для насосов, в полной мере имеет отношение и к вентиляторам. Что касается экономии потребления электричества, она здесь еще более значительна, так как в целях прямого пуска больших вентиляторов зачастую используются более мощные двигательные агрегаты. Усовершенствование технологических установок приводит к повышению рентабельности производства. Экономичность достигается и за счёт уменьшения потерь холостого хода.
Транспортеры. Адаптация скорости перемещения к скорости технологической системы, не являющейся постоянной величиной. Плавный запуск значительно увеличивает ресурс механической части системы, так как ударные нагрузки наносят вред техническому оборудованию.
Область использования преобразователей частоты довольно обширна. Среди управляемых инверторов насосного типа небольшой мощности можно выделить также центробежные насосы, компрессоры, центрифуги, воздуходувки и т. д.
К общепромышленной серии управляемых ЧРП частотников средней мощности относятся двигатели в вентиляторах, дымососах, в системах водоснабжения, смесителях, дозаторах, производственных линиях.
Трудно представить без векторного управления с помощью преобразователей лифтовое и другое подъемно-транспортное оборудование со значительными перегрузками при пуске/остановке.
Использование ПЧ с обратной связью позволяет обеспечить точность скорости вращения, что станет залогом улучшения качества технологического процесса и решения поставленных задач. Известные производители имеют ряд моделей, ориентированных на рабочий режим в замкнутой системе. Техника рекомендована к использованию в деревообрабатывающей промышленности, робототехнике, системах точного позиционирования и др.
Вся перечисленная техника может управляться с помощью преобразователей с аналогово-цифровыми входами/выходами для регулирования, дистанционным контролем и мониторингомпо последовательной линии связи.
Другие преимущества частотников:
Заключение
Стоит отметить, что в отдельных случаях применение современного управления производством с помощью частотных преобразователей приводит к снижению не только энергоресурсов, но и потерь транспортируемых веществ. В промышленно-развитых странах уже практически невозможно найти асинхронный электродвигатель без преобразователя частоты.
Мы примерно знаем, как на сегодня обстоят дела у нас, а вот что ждёт нас в будущем? Глядя на ситуацию сквозь призму пользователя, предполагается деление преобразователей частоты на две части: первая будет содержать технику, ориентированную на пользовательского дилетанта и имеющую минимальное количество настроек и максимум автоматических, а во вторую – приборы, имеющие максимальное количество настроек с большими возможностями и рассчитанные на применение специалистами, способными все эти возможности использовать.
Преобразователи частоты
В данной статье мы рассмотрим что такое частотный преобразователь, сферы применения преобразователей частоты, их плюсы и минусы, а также схемы частотников.
Преобразователи частоты (или частотники) – электротехническое оборудование для регулирования частоты переменного напряжения. Основная сфера применения этих устройств – изменение частоты вращения и крутящего момента электрических машин асинхронного типа. Принцип действия управления и регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты питающего напряжения.
Асинхронные электродвигатели широко используются в качестве приводов промышленного оборудования, насосных агрегатов, регулирующей арматуры и других устройств. Основным недостатком этих электрических машин являются постоянная скорость вращения, большие пусковые токи. При помощи частотных преобразователей возможно устранить эти недостатки и существенно расширить сферу применения электродвигателей переменного тока.
Виды преобразователей частоты
Частотные преобразователи различаются по конструкции, принципу действия, способу управления. По конструктивному исполнению преобразователи частоты разделяют на две большие группы:
Электромашинные частотники.
Электромашинные или индукционные преобразователи частоты представляют собой двигатели переменного тока, включенные в режим генератора. Применяются такие электротехнические устройства относительного редко, в условиях, где затруднено или невозможно применение электронных частотных преобразователей.
Электронные преобразователи.
Полупроводниковые ЧП состоят из силовой части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления на базе микроконтроллеров. Это электротехническое оборудование пригодно для трехфазных и однофазных приводов любого назначения. Различают ЧП с непосредственной связью с питающей сетью и устройства с промежуточным звеном постоянного тока.
Непосредственные преобразователи частоты
Такие частотники построены на базе быстродействующих тиристорных преобразователей, включенных по мостовым, перекрестным, нулевым и встречно-параллельным схемам.
Устройства такого типа включаются непосредственно в питающую сеть.
Плюсы непосредственных преобразователей частоты:
Минусы непосредственных преобразователей частоты:
Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.
Частотные преобразователи этого типа выполнены на базе схемы двойного преобразования. Питающее сетевое напряжение преобразуется в постоянное, затем сглаживается и инвертируется в переменное выходное напряжение заданной частоты.
Плюсы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:
Минусы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:
Устройство преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока
Состоят такие преобразователи из нескольких основных блоков:
Способы управления преобразователем
По принципу управления различают 2 основных вида частотных преобразователей:
ЧП со скалярным управлением
Частотники этого типа выдают на выходе напряжение определенной частоты и амплитуды для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Частотники с таким принципом регулирования отличаются относительно низкой стоимостью, простотой конструкции. Нижний предел регулировки скорости составляет около 10 % от номинальной частоты вращения. Их можно использовать для управления сразу несколькими двигателями. Скалярные ЧП используют для приводов насосных агрегатов, вентиляторов и других устройств и оборудования, где не требуется поддерживать скорость вращения ротора вне зависимости от нагрузки.
ЧП с векторным управлением
Микропроцессорные устройства преобразователей с векторным управлением автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора. ЧП такого типа обеспечивают постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Они используются для оборудования, где необходимо поддерживать необходимый момент силы при низких скоростях, высокое быстродействие и точность регулирования. Применение векторных ЧП позволяет регулировать частоту вращения, задавать требуемый момент на валу.
ЧП с векторным управлением делятся на преобразователи бездатчикового типа и устройства с обратной связью по скорости. Последние используются для приводов с широким диапазоном регулирования скорости до 1:1000, необходимости позиционирования точного положения вала, регулирования момента при низких скоростях, точного поддержания частоты вращения, пуска двигателя с номинальным моментом. Преобразователи без датчика скорости применяют для приводов с более низкими требованиями.
Режимы управления частотными преобразователями
В большинстве моделей современных частотных преобразователей реализована возможность управления в нескольких режимах:
1) Ручное управление.
2) Внешнее управление.
3) Управление по дискретным входам или “сухим контактам”.
4) Управление по событиям.
Преимущества частотных преобразователей.
1) Экономия электроэнергии.
2) Увеличение срока службы промышленного оборудования.
3) Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.
4) Возможность удаленного управления и контроля параметров оборудования с электроприводом.
5) Широкий диапазон мощности двигателей.
6) Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.
7) Снижение уровня шума работающего двигателя.
Сферы применения
Частотно-регулируемые приводы применяют:
Внедрение частотно-регулируемых приводов дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и ТО двигателей и оборудования, возможности использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до трех лет.
Преобразователи частоты
Назначение преобразователей частоты
Преобразователи частоты (ПЧ) предназначены для регулирования скорости или момента электродвигателя в широком диапазоне и с максимальным КПД.
Преобразователь частоты обеспечивает полную защиту двигателя: от короткого замыкания на землю и между фазами, тепловую защиту от перегрузки по току и моменту.
Преобразователь частоты измеряет, регистрирует, отображает и передаёт по сети АСУ ТП параметры двигателя: ток, скорость, момент, мощность, напряжение, температуру, потреблённую электроэнергию
Цели внедрения преобразователей частоты
Стабилизация технологического процесса
Энергосбережение
При регулировании технологических параметров (расхода, давления, температуры) традиционным способом (задвижкой, клапаном, шибером) энергопотребление электродвигателя (насоса или вентилятора) изменяется незначительно. Преобразователь частоты регулирует технологические параметры, изменяя скорость вращения двигателя, при этом энергопотребление снижается существенно. Для турбомеханизмов с вентиляторной нагрузкой мощность находится в кубической зависимости от скорости вращения двигателя. Другими словами, если, например, для поддержания требуемого давления насос вращается со скоростью, равной половине номинальной, то энергии он будет потреблять на 87,5% меньше, чем в номинальном режиме.
Замена двигателей постоянного тока
Замена двигателей c фазным ротором
Регулирование скорости двигателя с фазным ротором осуществляется путём изменения реостатного сопротивления в цепи ротора. Такие электроприводы не имеют полноценного режима торможения и не предназначены для обеспечения длительного глубокого регулирования скорости, так как они обладают небольшой продолжительностью включения (порядка 10…30%) на малых скоростях и малым диапазоном регулирования скорости (обычно 1:3). При добавлении сопротивления в цепи ротора, механическая характеристика становится мягкой. КПД таких электроприводов порядка 50%. Данный способ регулирования скорости морально устарел и с успехом заменяется частотным регулированием.
Замена старых тиристорных приводов
Выходные силовые каскады современных преобразователей частоты реализованы на базе IGBT-транзисторов. Старые тиристорные приводы, как правило, ремонтируются «на коленке», специалистов по сервису и запчасти для них найти становится всё сложнее. Современные приводы существенно превосходят своих предшественников, как по экономическим, так и по массогабаритным показателям.
Замена высоковольтных двигателей на низковольтные
Повышение надёжности работы и увеличение срока службы основного технологического оборудования
Увеличение производительности
Снижение простоя оборудования
Например, производительность центробежного сепаратора и крупность выделяемого им материала зависит от скорости воздушного потока, которая регулируется изменением угла наклона лопастей. Такая переналадка занимает много времени. Преобразователь частоты регулирует скорость в непрерывном режиме.
Снижение стоимости установленного оборудования
Автоматизация
Как выбрать преобразователь частоты
Конфигурация выпрямителя
Все преобразователи частоты являются источниками гармонического искажение тока сети. Чем выше пульсность выпрямителя, тем меньше это искажение. Мощные ПЧ выпускаются с 12-ти и 18-пульсными выпрямителями.
Тип охлаждения
Тип нагрузки
Тип двигателя
Выходной ток преобразователя частоты
Частотные преобразователь выбирается так, чтобы его номинальный выходной ток был не меньше тока полной нагрузки двигателя (или суммы токов полной нагрузки двигателей, подключенных в параллель к одному ПЧ). ПЧ одинаковой мощности разных производителей могут иметь разные номинальные токи. Так и разные двигатели одинаковой мощности могут быть рассчитаны на разные токи.
Перегрузочный момент
Входной ток преобразователя частоты
Входной ток можно уменьшить, если выбрать ПЧ с фильтром гармоник. Соответственно меньше нагружается питающий трансформатор, сечение питающего кабеля можно уменьшить, выбрать предохранители или автоматический выключатель на меньший ток, т.е. сэкономить.
Выходное напряжение преобразователя частоты
Преобразователь частоты сначала выпрямляет сетевое напряжение, а затем преобразует его в трёхфазное напряжение. ПЧ может иметь однофазный или 3-х фазный вход. Стандартные ПЧ не могут повышать напряжение. Выход у ПЧ всегда трёхфазный, поэтому подключить к ПЧ мы можем только 3-х фазный асинхронный двигатель, номинальное напряжение питания которого равно выходному номинальному напряжению ПЧ.
Переразмеривание
Класс защиты корпуса IP
Для работы в условиях повышенной влажности или агрессивной окружающей среды дополнительно рекомендуются ПЧ со специальным компаундным покрытием электронных плат.
Длина моторного кабеля
При выборе модели ПЧ необходимо учитывать максимально допустимую длину моторного кабеля (между ПЧ и двигателем). Некоторые производители рекомендуют использовать выходные фильтры для увеличения длины моторного кабеля. Допустимая длина моторного кабеля зависит как от модели ПЧ, так и от типа кабеля (для экранированных кабелей длина уменьшается из-за увеличения утечек тока на землю). При параллельном подключении нескольких двигателей к одному ПЧ допустимая длина моторного кабеля рассчитывается как сумма длин кабелей всех двигателей.
Электро-магнитная совместимость (ЭМС)
Силовые опции для защиты ПЧ и двигателя
Торможение
Многие ПЧ умеют управлять механическим тормозом через свои встроенные релейные выходы.
Особенности работы двигателя с преобразователем частоты
Скорость вращения
Точность и диапазон регулирования
Диапазон регулирования 1:100 означает, что ПЧ может изменять скорость двигателя от 100% до 1% от номинальной.
Скалярный или векторный
Векторный привод динамичнее и точнее, но дороже скалярного. Векторные приводы бывают разные: с регулированием вектора напряжения, вектора тока или вектора потока.
Регулирование момента или скорости
Некоторые векторные ПЧ могут регулировать момент и без энкодера. При регулировании скорости можно запрограммировать реакцию ПЧ на выход за граничные значения по моменту.
Функции локального управления
Насосные и вентиляторные функции
Панель оператора
Программирование преобразователя частоты
Интеграция в АСУ ТП
Для подключения к полевой коммуникационной шине преобразователь частоты должен обладать подходящим интерфейсом или сетевой картой: свободно-программируемый RS485, Modbus RTU, PROFIBUS DP, PROFINET, DeviceNet, Ethernet/IP, Lon, CANOpen, BACNet и др.
Бесперебойную работу сети и передачу по ней диагностической информации во время сбоя питания можно обеспечить, если в ПЧ есть возможность запитать плату управления, панель оператора и коммуникационную карту от внешнего ИБП.
Свои «лишние» входы-выходы некоторые ПЧ могут предоставить в распоряжение в качестве децентрализованной периферии центральным ПЛК, с которыми они общаются по промышленной шине, для управления технологическим процессом в месте установки привода.
Функции безопасности
В опасных для жизни персонала приложениях (прессы, роботы) необходимо использовать оборудование соответствующей категории безопасности. Многие производители предлагают ПЧ со встроенными функциями безопасности (Safety).