Как настроить преобразователь частоты для асинхронных электродвигателей

Как работают преобразователи частоты для асинхронных двигателей

Асинхронные электродвигатели – самые распространенные электрические машины. Они отличаются простотой конструкции, дешевизной, высокой ремонтопригодностью, а также другими преимуществами. Они широко используются для привода промышленного оборудования, механизмов и устройств самого разного назначения. Сферу их применения несколько ограничивают высокие пусковые токи, затруднение регулирования скорости, ударные механические нагрузки на оборудование, соединенное с валом при пуске.

Частотные преобразователи позволяют осуществлять мягкий пуск электрических машин, ограничивать пусковые токи, синхронизировать момент силы на валу с моментом нагрузки, осуществлять точную регулировку скорости вращения, подключать трехфазные двигатели в однофазную сеть без конденсаторов.

Электродвигатель – устройство для преобразования электроэнергии во вращательное движение вращающейся части электрической машины. Преобразование энергии в двигателях происходит за счет взаимодействия магнитных полей обмоток статора и ротора. Эти электрические машины широко используются во всех отраслях промышленности, в качестве привода электротранспорта и инструментов, в системах автоматизации, бытовой техники и так далее.

Принцип действия частотных преобразователей

Принцип действия частотного регулирования основан на зависимости скорости вращения и момента силы на валу двигателя переменного тока от частоты напряжения питания. Частотные регуляторы изменяют частоту поданного на электродвигатель напряжения, тем самым регулируя скорость вращения ротора и момент силы.

Преобразование частоты может осуществляться несколькими способами. Схема преобразования частоты с непосредственной электрической связью с сетью представляет собой управляемый выпрямитель на тиристорах. Управляющий блок генерирует сигналы, поочередно отпирающие полупроводниковые устройства, подающие напряжение заданной частоты на обмотки электрической машины.

Такая схема отличается высоким к.п.д., обеспечивает стабильную работу двигателя при небольших скоростях вращения ротора, передачу генерируемой электроэнергии при торможении двигателя в сеть.

Однако, такие недостатки, как невозможность изменять частоту в большую сторону, наличие в выходном напряжении постоянной составляющей и субгармоник, вызывающих перегрев обмоток и появление электромагнитных помех, ограничивают сферы применения частотников с непосредственной связью.

Большинство современных частотных преобразователей построено на базе схем двойного преобразования. Такое техническое решение имеет следующие преимущества:

• Возможность изменять частоту как в большую, так и меньшую сторону.
• Выходное напряжение чистой синусоидальной формы.
• Отсутствие высших гармоник.
• Плавное, высокоточное регулирование частоты питающего напряжения двигателя.

Состоит такой преобразователь частоты из трех блоков:

• Диодного или тиристорного выпрямителя с емкостными, индуктивными или комбинированными фильтрами. Этот узел осуществляет выпрямление сетевого напряжения и его сглаживание.
• Инвертирующего блока. Этот элемент осуществляет обратное преобразование постоянного напряжения в переменное. Индуктивный элемент на выходе осуществляет фильтрацию постоянной составляющей, а также высокочастотных помех, наличие которых негативно сказывается на работе электродвигателя.
• Управляющей схемы на базе микропроцессора. Основные ее функции – задание частоты выходного напряжения и тока. Частота тока на выходе инвертора определяется шириной или длительностью управляющих импульсов со схемы управления (широтно- или частотно- импульсная модуляция). Процессор также осуществляет связь с удаленными пунктами управления, автоматическое регулирование по обратной связи по механическим и электрическим характеристикам подключенной к нему электрической машины, а также другие функции.

Выбор частотного преобразователя

При проектировании частотно-регулируемого электропривода необходимо учесть множество нюансов. При выборе частотника руководствуются следующими критериями:

• Назначение преобразователя. Многие производители выпускают ПЧ, предназначенные для электродвигателей насосов, лифтов, электроприводов вентиляционных систем, а также универсальные устройства общепромышленного назначения. Специализированные частотники производят под конкретное технологическое оборудование. Возможность их адаптации существенно ограничена. Общепромышленные регуляторы частоты можно настраивать под различные приводы.
• Способ управления и поддержка различных протоколов связи. Регулируемые по частоте электроприводы обычно интегрируются в комплексные системы автоматизации и удаленного контроля и управления. Частотный преобразователь должен быть укомплектован контроллером, который поддерживает связь по протоколу, применяемому в конкретной АСУТП.
• Мощность и перезагрузочная способность. Номинальная электрическая мощность преобразователя должна быть больше аналогичного параметра электродвигателя на 15-30%. При расчете мощности учитывают пусковые токи электрической машины, пиковые нагрузки на двигатель и их длительность. Ошибки ведут к перегреву частотника, выходу из строя силовых транзисторов или тиристоров.
• Диапазон и точность регулирования. Интервал изменения частоты и точность ее задания должны соответствовать требованиям условий технологического процесса. Возможность изменения частоты у скалярных преобразователей 1:10, если требуется более широкий диапазон, необходим частотник с векторным управлением.
• Электромагнитная совместимость. Частотный преобразователь чувствителен к электромагнитным помехам и сам является их источником. Выбор устройства осуществляется на основании условий его установки. При необходимости может потребоваться его установка в отдельном помещении, подключение специальных фильтров и использование экранированных кабелей. Компания «Данфосс» выпускает преобразователи, укомплектованные встроенными ЭМ-фильтрами.
• Наличие функций отключения двигателя при перегреве, дисбалансе фаз, перегрузках, других аварийных и ненормальных режимов работы.
• Наличие автоматизированного управления по событиям. Для синхронизации работы промышленного оборудования необходимы частотники, имеющие функции регулирования по достижению определенной величины технологических параметров.
• Количество входов и выходов для подключения удаленных устройств управления и контроля. На случай модернизации САР или усложнения АСТП рекомендуется выбрать частотники с избыточным количеством аналоговых и дискретных разъемов. Для электроприводов автоматизированных систем рекомендуется подобрать частотный регулятор со встроенной памятью и функцией ведения журнала событий.
• Номинальный ток и напряжение. Электрические параметры частотника должны соответствовать характеристикам электродвигателя.

Выбор частотного регулятора для промышленного оборудования делается на основании расчетов по специализированным методикам. Малейшие ошибки могут привести к авариям, которые могут иметь непредсказуемые последствия. Проектирование электропривода и выбор ПЧ целесообразно доверить специалистам по автоматизации. Правильный выбор частотника обеспечивает экономию электроэнергии до 40-50%, снижение затрат на ремонт и обслуживание электропривода и дает неплохой экономический эффект.

ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Менеджеры компании с радостью ответят на ваши вопросы и произведут расчет стоимости услуг и подготовят индивидуальное коммерческое предложение.

Задать вопрос

Хотя еще рано сбрасывать со счетов электропривод постоянного тока, в промышленности и бытовой сфере в практически любых технических системах используется сочетание асинхронного двигателя и преобразователя частоты. Несмотря на очевидные преимущества асинхронного двигателя перед двигателем постоянного тока, его слабой стороной являлась сложность регулирования скорости вращения. В настоящее время данная проблема устранена благодаря современным частотным преобразователям.

ЧТО ТАКОЕ ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОРАЗОВАТЕЛЬ

Говоря простым языком — частотный преобразователь – устройство для управления асинхронным двигателем. Возможно регулирование скорости вращения и другими методами — установкой вариатора, редуктора, муфты, но это не позволяет менять скорость в широком диапазоне, усложнят монтаж и не является энергосберегающим решением.

ЗАЧЕМ НУЖЕН ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Частотный преобразователь в случае асинхронных электродвигателей самых различных агрегатах как промышленного, так и потребительского назначения используется для оптимизации управления двигателем, приводящей в итоге к экономии электроэнергии, увеличению срока службы устройства. Использование частотных преобразователей позволяет произвести эффективную, простую и надёжную автоматизацию процесса управления оборудованием.

Основные задачи, которые решает преобразователь частоты, кроме увеличения/уменьшения скорости вращения это:

• Плавный пуск и плавный останов двигателя, что позволяет избежать высоких механических нагрузок на оборудование.
• Уменьшение затрат электроэнергии, что актуально не только для больших промышленных предприятий, но при бытовом использовании в составе насосной станции на даче, например.
• Защита от перегрузки двигателя, что продлевает срок его эксплуатации.
• Сохранение высокого крутящего момента на низких оборотах, что очень важно при тяжелом пуске (например, в составе оборудования дробилок для щебня)

И как говорилось выше, всё, что связано с управлением скоростью вращения – изменяемое или адаптивное вращение (пример: линии конвейера, где вращение может быть задано с непостоянной скоростью). Высокая точность вращения – что важно при использовании на различных обрабатывающих станках.

УСТРОЙСТВО ЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Как на заре появления транзисторных радиоприёмников в народе их стали называть просто “транзисторами”, по названию основного электронного компонента этих устройств, так и название “частотный преобразователь” нельзя считать совсем точным.

На самом деле мы рассматриваем устройство, состоящее из выпрямительного модуля, преобразующего переменный ток на входе в постоянный, и модуля преобразователя частоты, преобразующего полученный на выходе выпрямительного модуля постоянный ток в переменный заданной частоты и амплитуды, возможно ШИМ-модулированный.

Само же это устройство в целом является одним из компонентов электропривода.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

В зависимости от технических деталей принципа управления, частотные преобразователи условно подразделяются на “векторные” и “скалярные”. Первые отличаются в основном более стабильным поддержанием момента вращения двигателя в широком диапазоне частот (числа оборотов).

Скалярное управление наиболее распространено и максимально удовлетворяет требованиям таких механизмов, как насосы, вентиляторы, компрессоры, а также тех, для которых важно поддерживать скорость вращения. Метод довольно прост, но имеет небольшой диапазон регулирования скорости и требует установки дополнительных датчиков для реализации управления по скорости и моменту.

Разнообразие векторных вариантов управления впечатляет, но может быть условно разделено на две группы:

• Управление по вектору тока (довольно простой метод, присущий абсолютному большинству преобразователей)
• Управление по вектору напряжения. Основано на том, что напряжение пропорционально моменту, что позволяет без дополнительных пересчетов получить управление последней характеристикой.

Все остальные методы, по большому счету, являются их дополнением, каждый производитель совершенствует по своему усмотрению расчеты и измерения таких показателей, как индуктивность, намагниченность, вектор электромагнитного поля и т.д.

Собственно детали методов управления являются весьма сложными, а сами методы постоянно совершенствуются. Важным моментом при выборе частотного преобразователя является знание потенциальным потребителем минимальных требований, которые налагает объект управления (вентилятор, насос, конвейер и т.д.). Это позволит с одной стороны не переплачивать за преобразователь с ненужными свойствами, а с другой – не оказаться в ситуации, когда привод, скомпонованный из частотника и асинхронного двигателя, не обеспечивает должное функционирование объекта управления.

ВИДЫ ЧАСТОТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЛЕЙ

Помимо определения способа управления, который определяется техническими требованиями оборудования и стоимостью частотного преобразователя, необходимо знать мощность и тип подключения к двигателю, то есть количество фаз на входе и выходе.

Схема подключения частотного преобразователя: звезда – треугольник

Для управления трехфазным асинхронным двигателем применяются частотные преобразователи (инверторы), рассчитанные на однофазное или трехфазное входное напряжение. Инверторы обеспечивают возможность мягкого запуска двигателя и регулировки частоты оборотов, защиту от перегрузок. Кроме этого, частотник позволяет подключать трехфазные двигатели к однофазным сетям без потерь мощности. Преобразователи частоты трансформируют напряжение электросети частотой 50 Гц в импульсное с частотой от 0 Гц до 1 кГц.

Внимание: представленная схема является общей. При подключении используйте схему из инструкции по эксплуатации!

Однофазные преобразователи частоты рассчитаны на входное напряжение 1 фаза 220 В и на выходе формируют трехфазное напряжение 220 В заданной частоты. Иными словами, однофазный инвертор обеспечивает трехфазное питание асинхронного двигателя от бытовых электросетей. При использовании однофазных частотных преобразователей, в клеммной коробке двигателя, клеммы подключают по схеме «треугольник» (Δ). При подключении трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети 220 В, при использовании конденсаторной схемы, неизбежна большая потеря мощности. В то время как, при пользовании однофазного частотного преобразователя, подключаемого в двигателю по схеме «треугольник» (Δ), потерь мощности не происходит.

Более совершенные трехфазные преобразователи частоты работают от промышленных трехфазных сетей с напряжением 380 В, 50 Гц. Частота напряжения на выходе – от 0 Гц до 1кГц. Трехфазные инверторы подключают по схеме «звезда» (Y).

Трехфазный частотный преобразователь подключают асинхронному двигателю по схеме звезда:

Однофазный частотный преобразователь подключают асинхронному двигателю по схеме треугольник:

Для ограничения пускового тока и снижения пускового момента при пуске асинхронного двигателя мощностью более 5 кВт может применяться метод переключения «звезда-треугольник». В момент пуска напряжение на статор подключается по схеме «звезда», как только двигатель разгонится до номинальной скорости, производится переключение питания на схему «треугольник». Пусковой ток при переключении втрое меньше, чем при прямом пуске двигателя от сети. Этот метод пуска оптимально подходит для механизма с большой маховой массой, если нагрузка набрасывается после разгона.

Способ пуска переключением «звезда-треугольник» можно использовать только для двигателей, имеющих возможность подключения по обеим схемам. При пуске наблюдается уменьшение пускового момента на треть от номинального. Если переключение произойдет до того, как двигатель разгонится, ток увеличится до значений, соответствующих току прямого пуска.

При пуске переключением «звезда-треугольник» неизбежны резкие скачки токов, в отличие от плавного нарастания при прямом пуске. В момент переключения на «треугольник» на двигатель не подается напряжение и скорость вращения может резко снизится. Для восстановления частоты оборотов требуется увеличение тока.

Перейти в каталог продукции: Частотные преобразователи

Подключение и настройка частотного преобразователя

Частотный преобразователь используется для изменения частоты напряжения, питающего трехфазный двигатель. Кроме того, частотник позволяет подключить трехфазный электрический двигатель к однофазной сети без потерь мощности. В случае, когда для этих целей применяются конденсаторы, последнее невыполнимо.

Подключение частотника предполагает размещение перед ним автоматического выключателя, работающего с током, равным номинальному (или ближайшему большему в ряду номинальных токов автоматов) потребляемому току двигателя. Если ПЧ адаптирован на работу от трехфазной сети, необходимо задействовать трехфазный автомат, имеющий общий рычаг. Такой подход позволяет в случае короткого замыкания одной из фаз оперативно обесточить и все остальные фазы. Характеристики тока срабатывания должны полностью соответствовать току одной фазы электрического двигателя. Если же частотник предназначен для однофазного питания, имеет смысл применить одинарный автомат, рассчитанный на утроенный ток одной фазы. В любом случае, установка частотника не должна осуществляется путем включения автоматов в разрыв нулевого или заземляющего провода. Здесь подключение выполняется только напрямую.

Далее настройка преобразователя частоты предусматривает присоединение его фазных проводов к соответствующим контактам электрического двигателя. Перед этим необходимо соединить в электродвигателе обмотки по схеме «треугольник» или «звезда». Конкретный тип соединения определяется характером напряжения, вырабатываемого непосредственно преобразователем частоты.

Как правило, на корпусе двигателя приведены два значения напряжения. В ситуации, когда вырабатываемому частотником напряжению соответствует меньшее из указанных, необходимо применить схему «треугольник». В противном случае обмотки соединяются по принципу «звезды».

Пульт управления, входящий в комплект поставки частотного преобразователя, располагают в удобном месте. Подключить его необходимо согласно схеме, приведенной в инструкции к ПЧ. Далее рукоятка устанавливается в нулевое положение и выполняется включение автомата. При этом на пульте загорается световой индикатор. Для работы преобразователя необходимо нажать кнопку «RUN» (запрограммировано по умолчанию). Затем необходимо немного повернуть рукоятку, чтобы электродвигатель начал постепенное вращение. В случае, если двигатель вращается в противоположную сторону, нажимается кнопка реверса. Далее следует настроить рукояткой необходимую частоту вращения. Важно учесть, что на пультах многих частотников отображается не частота вращения электрического двигателя (об/мин), а частота питающего электродвигатель напряжения, выраженная в герцах.

Схема подключения частотного преобразователя

Если у Вас остались вопросы по подключению и настройке преобразователей, обращайтесь за помощью к нашим техническим специалистам. Также предлагаем ознакомиться с каталогом частотных преобразователей Siemens и Prostar.