Меню

Частотный преобразователь напряжения для асинхронного двигателя

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.

Таким образом, при частотном регулировании питающее напряжение сначала преобразуется в постоянное, затем инвертируется в переменное напряжение требуемой частоты.

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.
Читайте также:  Стабилизатора напряжения elitech асн 2000

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.

Источник



Как работает и для чего предназначен частотный преобразователь для асинхронных устройств

Эффективность работы множества механизмов и устройств зависит от скорости вращения. Для управления скоростью вращения асинхронных устройств необходим частотный преобразователь для электродвигателя.

Частотный преобразователь (ПЧ) имеет названия – частотник или инвертор. Частотный преобразователь 220 380 регулятор оборотов электродвигателя позволяет обеспечить регулировку скорости вращения ротора, снизить пусковой ток – в четыре, пять раз. Что означает сделать работу асинхронного двигателя безупречной.

Область применения

Применения частотных преобразователей на насосных станциях

Использование частотных преобразователей достаточно популярное, благодаря результативности применения в различных сферах:

  • насосы холодной и горячей воды,
  • центрифуги различных типов,
  • лифты,
  • краны и эскалаторы,
  • карбюраторные системы,
  • управление лопастями вентилятора с эффектом ветряных мельниц,
  • производство картона, плёнки,
  • станки.

Список может быть дополнен не одним специализированным оборудованием.

На рисунке изображен пример применения одного частотного преобразователя и двух насосов для насосной станции.

Виды ПЧ

Виды частотников основаны на двух принципах управления ПЧ. Существует два классических принципа управления инверторами.

  1. Скалярный метод управления

В основе регулирования лежит один закон, согласно принципу, которого изменяются параметры напряжения асинхронного двигателя. Это основной принцип управления, который зависит от изменения частоты и амплитуды питания.

  1. Векторный метод управления

Регулирование оборотов на валу является высокоточным и выполняется в широком масштабе. При измерении оборотов вала привод ускоряется, а моментом вращения можно управлять напрямую. Преобразователи векторного управления бывают двух систем: разомкнутый контур управляется без датчика и с обратной связью.

Использование бездатчиковой системы допустимо, когда изменение скорости равно не более 1:100, а точность управления вращением двигателя равна 0,5%. При уменьшении оборотов управление становиться неосуществимым, так как включается датчик обратной связи.

Мощность устройства

Выбор ПЧ зависит от мощности и напряжения двигателя. Мощность, обозначенная на частотном преобразователе, указывается к использованию прибора с однофазным или трехфазным асинхронным двигателем четырёх полей. Для однофазной сети 220 ограничение мощностей до 3,7кВт. На деле применяются приводы, которые могут увеличивать нагрузку. ПЧ обеспечивает снижение токовых и механически нагрузок благодаря плавному впуску. Ток при этом может снизиться в 6 раз.

Преимущества применения

  • Экономия электроэнергии из-за возможности регулирования технологическими характеристиками. Например, скорость конвейера, давление насоса, скорость движения станка. Особенная экономия выходит при транспортировке жидкости. На смену задвижкам, клапанов, входных лопастей используется один ПЧ. Высокая цена оправдывает его пользу.
  • Двигателю не грозит перегревание, замыкание, перебои в питании, перегрузка, проблемы с фазами.
  • Пусковой момент работает с максимальной мощностью.
  • Увеличивается эффективность работы карбюраторного двигателя и устройства в целом. Благодаря плавному впуску и такому же торможению.
  • Если нагрузка увеличивается или уменьшается, стабилизируется скорость вращения.

К недостаткам можно отнести значительную цену частотного преобразователя.

Структура устройства

Схема частотных преобразователей основывается на принципе двойного преобразования. В схему входят система управления и автоматическая регулировка, звено постоянного тока, импульсный инвертор, дроссель, конденсатор.

Звено постоянного тока имеет в составе неуправляемый выпрямитель и фильтр. Переменный ток сети питания становится постоянным током.

Схема частотного преобразователя

Инвертор 3х фазный имеет шесть ключей транзистора. Через один ключ присоединяется обмотка электродвигателя к одному выпрямителю, который имеет положительный и отрицательный вывод. Длительность процесса происходит согласно синусоидальному закону. При регулировке скоростью, скольжение асинхронного двигателя не становится больше. Это обеспечивает работу без потерь мощности. Происходит сглаживание фильтром, состоящим из дросселя и конденсатора. Инвертор преобразовывает ток, выпрямляя его в 3х фазное напряжение с переменным током необходимой частоты.

В инверторных каскадах на выходе применяются транзисторы, которые выступают в роли ключей. Транзисторы имеют преимущество над тиристорами в большей частоте переключения, благодаря которой минимизируется искажения выходного сигнала.

Принцип работы

В основе принципа лежит правило вычисления скорости углового вращения коленчатого вала двигателя. Скорость потока магнитаобусловлена угловой скоростью коленчатого вала. Изменяется частота питания обмоток, скорость моторного вращения тоже переменяется. Мощность устройства снижается. Поэтому для сохранения КПД прибора необходимо изменение величины напряжения на обмотках.

Название инвертор частотные преобразователи получили из-за процесса инвертирования элементами мощности входного переменного тока в постоянный. Величина напряжения и частота импульсов на выходе регулируется. Выходные сигналы управляются широтным импульсным регулированием, выходным каскадом в элементах полупроводников. Электродвигатель получает пачки импульсов, фазное напряжение.

Функция регулирования

Среди важнейших функций ПЧ можно выделить следующие: коэффициент полезного действия и мощности, срок службы, плавное регулирование. Для результативной работы необходимо настроить на выходе правильное соотношение между рабочей частотой и напряжением. Изменения частоты напряжения, поступающее на двигатель изменяет частоту вращающего магнитного поля, которое влияет на скорость механического вращения коленчатого вала.

Читайте также:  Тоны сердца при ибс стенокардии напряжения

Преобразователь частоты оказывает действие на напряжение коленчатого вала электродвигателя и токи подшипников. Чему способствует применение преобразователей частоты и ограничению несбалансированного напряжения наведенного тока коленчатого вала. Подшипниковые токи могут быть уменьшены, схема подключения указана на рисунках ниже.

Моторы с одним и двумя коленчатыми валами

Значение напряжения зависимо от момента нагрузки. Когда момент постоянный, статорное напряжение регулируется пропорционально частоте. При увеличении частоты в 2 раза, напряжение изменяется в 4 раза.

Подключение ПЧ к электродвигателю

Правильного подключение частотного преобразователя рассмотрено на схеме. Но соблюдать все соединения ещё недостаточно. Необходимо учитывать провод, измерение сечения, использование дополнительного оборудования. На схеме изображено устройство для установки агрегатов,например, тормозной блок, реактор постоянного тока, фильтр.

Подключение ПЧ к электродвигателю

Должное внимание нужно уделить выбору автоматического ограничителя. Номинал должен быть на уровне, так как при незначительном дребезжании биметаллической пластинки возникнут размыкания цепи, произойдёт нарушение звена постоянного тока частотного преобразователя. Иногда при монтажных работах меняют местами две входные и выходные клеммы ПЧ, поэтому необходимо обращать внимания на маркировку, указанную на элементах, схемах. В случае, неправильного подключения, цена ремонта будет значительной.

Дискретные входы соединяются внешними контактами, замыкая внутренние внутри частотного преобразователя.

Цена начастотный преобразователь 220 380 регулятор оборотов электродвигателя довольно высокая. Выбор зависит от мощности устройства, цена на один малогабаритный Русэлком RI10 – 8000 рублей, цена на один мощнейший FCI-G355/P375-4F– 1 240 710 рублей.

Использование преобразователя частоты является самым эффективным способом регулирования скоростью электродвигателя. Для того чтобы подобрать необходимую модель частотника, необходимо изучить его цены и проверить характеристики. Тогда выбор и цена будут оправданными.

Источник

Принцип работы частотного преобразователя

Огромное значение для современной промышленности имеют мощные асинхронные электродвигатели. Для осуществления их плавного старта используются частотные преобразователи – небольшие устройства, контролирующие значение пусковых токов и иногда позволяющие изменять скорость вращения.

Зачем нужен преобразователь частоты

Асинхронный двигатель существенно превосходит электрические машины других типов в производительности и мощности, однако не лишен характерных недостатков. Так, например, для контроля над скоростью вращения ротора прибор необходимо оснащать дополнительными элементами. То же самое и с пуском – пусковой ток асинхронного двигателя превышает значение номинального в 5-7 раз. Из-за этого возникают дополнительные ударные нагрузки, потери электроэнергии, что в совокупности лишь уменьшает срок работы агрегата.

Для решения этих проблем в результате упорных исследований был создан класс специальных устройств, предназначенных для автоматического электронного контроля пусковых токов – частотные преобразователи.

Частотный преобразователь для электродвигателя уменьшает величину пусковых токов в 4-5 раз и не только осуществляет плавный запуск, но и управляет ротором путем регулировки напряжения и частоты. Использование прибора имеет и другие достоинства:

позволяет сэкономить до 50% электроэнергии при запуске;
с его помощью обеспечивается обратная связь смежных приводов.

Фактически это не преобразователь, а генератор трёхфазного напряжения необходимой величины и частоты.

Принцип работы

Основу преобразователя частоты составляет инвертор с двойным преобразованием. Принцип его работы заключается в следующем:

  • сначала входной переменный ток синусоидального типа с напряжением 380 или 220 вольт проходит через диодный мост и выпрямляется;
  • затем подается на группу конденсаторов для сглаживания и фильтрации;
  • далее ток передается на управляющие микросхемы и мостовые ключи из IGBT (Биполярный транзистор с изолированным затвором, БТИЗ) транзисторов, формирующие из него трёхфазную широтно-импульсную последовательность с заданными параметрами;
  • на выходе сформированные импульсы прямоугольной формы под влиянием индуктивности обмоток преобразуются в синусоидальное напряжение.

Следующая схема отображает принцип работы преобразователя частоты асинхронного электрического двигателя.

Как выбирать

Для производителей преобразователей частоты и другого электронного оборудования основным инструментом завоевания рынка является цена. С целью её уменьшения они создают приборы с минимальным набором функций. Соответственно, чем универсальнее конкретная модель, тем выше её цена. Для нас это имеет большое значение по той причине, что для эффективной и долгой работы двигателя может потребоваться ПЧ с определенными функциями. Давайте рассмотрим основные критерии, на которые следует обращать внимание.

Управление

По способу управления частотные преобразователи делят на векторные и скалярные. Первые на сегодня встречаются гораздо чаще, однако имеют более высокую цену по сравнению со вторыми. Преимущество векторного управления заключается в высокой точности регулировки. Скалярное управление очень просто, оно может лишь удерживать соотношение выходного напряжения и частоты на заданной величине. Такой преобразователь целесообразно ставить на небольшой прибор без высокой нагрузки на двигатель, например, вентилятор.

Мощность

Безусловно, чем это значение выше, тем лучше. К слову, в данном вопросе цифры не столь важны. Обратите большее внимание на фирму-производителя – чем «родственнее» ваше оборудование друг к другу, тем более эффективно оно будет работать. Кроме того, использование нескольких преобразователей от одного бренда поддерживает принцип взаимозаменяемости и простоты обслуживания. Подумайте и наличии в вашем городе соответствующего сервисного центра.

Читайте также:  Синхронным бесщеточным генератором с автоматическим регулятором напряжения

Сетевое напряжение

В данном случае действует тот же принцип, что и в предыдущем разделе – чем шире рабочий диапазон напряжения, тем лучше для нас. Отечественные электросети, к сожалению, слабо знакомы с понятием «стандарт», поэтому лучше максимально обезопасить аппаратуру от вероятных перепадов. Падение напряжения едва ли приведет к серьезным последствиям (преобразователь, скорее всего, просто отключится), а вот большое повышение опасно – оно может привести поломке устройства в результате взрыва электролитических сетевых конденсаторов.

Диапазон частотной регулировки

В данном случае следует опираться исключительно на требования производства и конкретных устройств. Так, например, для такого оборудования, как шлифовальные машины важно значение максимальной частоты (от 1000 Гц). Стандартом нижнего предела считается соотношение 1 к 10 по отношению к верхнему. На практике чаще всего используются преобразователи с диапазоном от 10 до 100 Гц. Заметьте, что широким диапазоном регулировки обладают только модели преобразователей с векторным управлением.

Входы управления

Для передачи команд управления в преобразователях предназначены дискретные входы. С помощью них осуществляется запуск двигателя, остановка, торможение, обратное вращение и т.д. Для сигналов обратной связи, осуществляющих текущий контроль и настройку привода непосредственно во время работы, используются аналоговые входы. А цифровые используются для передачи сигналов с высокой частотой, генерируемых энкодерами (датчиками угла поворота).

Фактически, чем больше вводов, тем лучше, однако большое их количество не только делает сложной настройку прибора, но и повышает его стоимость.

Количество выходных сигналов

Дискретные выходы преобразователя необходимы для вывода сигналов, сообщающих о возникновении проблем, таких как, перегрев устройства, отклонение величины входного напряжения от нормы, авария, ошибка и т.п. Аналоговые выходы необходимы для передачи обратных связей в сложных системах. Принцип выбора тот же: ищите баланс между количеством сигналов и стоимость прибора.

Шина управления

В поиске подходящей шины управления поможет схема подключения преобразователя частоты – количество выходов и входов должно быть, как минимум, равным, но лучше купите шину с небольшим запасом – значительно облегчите себе дальнейшее усовершенствование устройства.

Перегрузочные способности

Нормой считается, если мощность частотного преобразователя выше мощности двигателя на 10-15%. Ток тоже должен быть немного выше номинала двигателя. Однако такой подбор «на глаз» рекомендуется только в случае, когда нет необходимой технической документации на двигатель. При ее наличии – тщательно ознакомьтесь с требованиями и подберите соответствующий преобразователь. Если важны ударные нагрузки, пиковый ток преобразователя должен быть больше указанного значения на 10%.

Самостоятельная сборка

Несмотря на то, что покупка надежного и долговечного частотного преобразователя является приоритетным вариантом, такой прибор можно собрать своими руками. Во всемирной сети выложена не одна схема и инструкция, как это сделать. В действительности, сборка своими руками может стать отличной альтернативой в ситуации, когда преобразователь нужен для небольшого бытового устройства. Самодельное устройство справится со своими задачами не хуже покупного, а будет стоить значительно дешевле. Но попытки создания подходящего преобразователя для работы мощных асинхронных двигателей лучше оставить – здесь, как ни старайся, превзойти профессиональные приборы по эффективности и качеству не получится.

Итак, давайте подробно рассмотрим, как собрать частотный преобразователь для асинхронного двигателя своими руками. Обратите внимание, что параметры домашней однофазной электросети позволяют использовать в данном случае двигатель с мощностью не больше 1 кВт.

  1. Для того чтобы сконструировать преобразователь своими руками нам необходимы следующие компоненты:
    • любой микроконтроллер аналогичный AT90PWM3B;
    • драйвер трехфазного моста (аналог IR2135);
    • 6 транзисторов IRG4BC30W;
    • 6 кнопок;
    • индикатор.
  2. В конструкцию создаваемого нами прибора входят две платы, на одной из которых располагаются драйвер, блок питания, входные клеммы и транзисторы, а на второй – индикатор и микроконтроллер. Для соединения плат между собой воспользуемся гибким шлейфом.
  3. Для сборки частотного преобразователя необходимо использовать импульсный блок питания. Можно воспользоваться готовым устройством, или собрать его самостоятельно (не будем описывать данный процесс – это тема для отдельной статьи).
  4. Для контроля за работой двигателя необходимо подвести внешний управляющий ток, однако мы можем воспользоваться микросхемой IL300 с линейной развязкой.
    Изображение
  5. Транзисторы и диодный мост устанавливаются на общем радиаторе.
  6. Для дублирования управляющих кнопок используются оптроны ОС2-4.
  7. Установка трансформатора на однофазный преобразователь частот для двигателя небольшой мощности не является обязательным шагом. Можно обойтись токовым шунтом с сечением проводов 0,5 мм, и к нему подключить усилитель DA-1 (кстати, он же будет служить для измерения напряжения).
  8. В нашем случае мы собираем своими руками преобразователь для асинхронного двигателя мощность в 400 Вт, поэтому не станем устанавливать термодатчик – схема и без него достаточно сложна.
  9. По окончанию сборки необходимо изолировать кнопки с помощью пластмассовых толкателей. Управление кнопками осуществляется с помощью опторазвязки.

Обратите внимание, что при использовании длинных проводов, на них необходимо надеть помехоподавляющие кольца.

Источник

Adblock
detector