Для чего нужен преобразователь частоты

Для чего нужен частотный преобразователь

Для чего нужен частотный преобразователь

Для чего нужен частотный преобразователь

Последнее время на производствах наблюдается тенденция, заключающаяся в переходе с синхронных электродвигателей или двигателей с фазным ротором на асинхронные. Этот сдвиг можно объяснить различными причинами и большинство из них связано с экономией. Асинхронные двигатели более компактны и требуют меньшего обслуживания, нежели двигатели с фазным ротором или синхронные электродвигатели с щетками. Да и в целом если сравнить цену асинхронного и синхронного двигателя одинаковой мощности и напряжения, то станет очевидным почему все больше руководителей предприятий стремятся к этому переходу.

Но одним из недостатков асинхронных двигателей является меньшая точность позиционирования вала и соответственно менее точное управление скоростью его вращения. Так же оператору необходимо иметь возможность оптимизировать режим работы электродвигателя так, чтобы не было ненужной, потраченной впустую энергии. Для этого важно понимать возможности практического применения частотно-регулируемого привода (ЧРП)

Среди вопросов, которые нужно изучить:

Ответы на эти вопросы позволят понять и максимально использовать возможности преобразователя частоты и минимизировать затраты на эксплуатацию двигателя переменного тока в условиях производства.

Прямой пуск, устройства плавного пуска или частотные преобразователи

Электромагнитный пускатель

Есть несколько способов запустить и управлять электродвигателем. В основном запуск двигателя происходит прямым пуском через электромагнитный пускатель. При таком подходе на двигатель подается полное напряжение, и он максимально быстро развивает номинальную скорость.

Проблема с которой сталкиваются операторы при прямом пуске заключается в том, что импульс пускового тока может в 7 раз превышать ток полной нагрузки двигателя. В течение очень короткого периода времени на двигатель и его элементы подается очень сильный импульс тока. Если мощный двигатель будет часто запускаться и останавливаться, то он быстрее износится и выйдет из строя, а также может вывести из строя исполнительный механизм работающий от него.

Устройство плавного пуска

Напротив, устройство плавного пуска сокращает пусковые токи до 2-4 крат, уменьшая нагрузку и крутящий момент, прилагаемый к двигателю. Такой подход позволяет двигателю разгоняться со скоростью, которая определяется настройкой самого устройства плавного пуска. Оператор может установить конкретное время разгона, и с момента запуска до назначенного времени двигатель будет плавно разгоняться. Такой подход позволяет снизить пусковой ток, снизить риск преждевременного выхода из строя оборудования и сэкономить немного электроэнергии. Устройства плавного пуска идеально подходят в тех случаях, где линейное изменение скорости и управление крутящим моментом являются критически важными компонентами, а также в системах трубопроводов, чтобы избежать гидроударов при пуске и останове насосов.

Частотный преобразователь

ЧРП продвигает эту концепцию на шаг вперед, позволяя оператору всегда контролировать пусковой ток и скорость вращения электродвигателя. ЧРП может управлять двигателем как во время цикла пуска/останова, так и в течение всего времени его работы. ЧРП необходим там, где требуется полный контроль скорости, а основной проблемой является повышенное потребление энергии.

По первоначальным вложениям средств устройство плавного пуска является менее дорогим вариантом, но экономический эффект от внедрения преобразователя частоты может в разы окупить его стоимость.

Основные функции преобразователя частоты

Управление расходом является одним из наиболее распространенных применений ЧРП. Реальные условия часто требуют пониженной скорости потока жидкости, поэтому возможность изменять скорость работы насоса для управления расходом имеет первостепенное значение. Для уменьшения потока в подавляющем большинстве случаев используются задвижки и клапаны, но эта стратегия не способствует энергосбережению. И наоборот, ЧРП может контролировать скорость потока, одновременно оптимизируя потребление электроэнергии.

Может возникнуть ситуация, когда оператору необходимо в определенное время дня запускать двигатель с максимальной производительностью, а в другое время работать на неполной нагрузке. Это и есть реальная причина популярности ЧРП, так как при работе на сниженных оборотах можно экономить электроэнергию и уменьшать эксплуатационные расходы. Если оператору необходимо просто запустить асинхронный двигатель с постоянной скоростью, которая меньше номинальной скорости двигателя, можно использовать редуктор. Однако, если исполнительный механизм представляет собой нагрузку с переменным крутящим моментом, то лучший вариант – это частотный преобразователь.

Например, представьте, что для запуска вентилятора на градирне используется асинхронный электродвигатель. Чем быстрее нужно вращаться вентилятору, тем он больше будет потреблять энергии. Из-за изменения условий внешней среды в течение дня температура окружающего воздуха может снизиться. Из-за этого, возможно, вентилятору достаточно работать на скорости, которая меньше, чем требовалось в жаркую часть дня. Вращаясь на полной скорости вентилятор тратит дорогостоящую энергию впустую в то время, как мог бы вращаться медленнее.

Дополнительные преимущества

Помимо функции энергосбережения большинство ЧРП позволяют оператору устанавливать различные параметры для ограничения крутящего момента. Это делается путем ограничения выходного тока на двигателе. Необходимо защитить все элементы приводного механизма, так как они имеют механические ограничения. Превышение этих ограничений из-за чрезмерного затягивания пуска может привести к серьезным повреждениям или дорогостоящей неисправности.

Большинство ЧРП чрезвычайно гибки в настройке и имеют встроенные входы и выходы (I/O). Эти входы/выходы могут использоваться для настройки различных функций, включая функции пуска/останова, изменения направления вращения, выбора постоянной скорости, регулировки скорости и т.д. Кроме того, аналоговые выходы ЧРП могут быть сконфигурированы для обеспечения обратной связи с системой управления предприятия, включая энергопотребление, фактическую скорость, частоту, крутящий момент и т.д. При изменении технологического процесса, например, при необходимости изменить скорость, система управления установкой сама может передать сигнал в соответствии с назначенной уставкой.

На сегодняшний день частотные преобразователи развились до такой степени, что для управления расходом многие из них могут быть совмещены с насосом или вентилятором прямо «из коробки», используя предопределенный макрос. В этом случае расходомер будет подключаться непосредственно к аналоговому входу привода. Оператор может задать желаемый поток дистанционно, и ЧРП будет поддерживать этот поток, выполняя внутренний цикл ПИД. Некоторые приводы позволяют оператору настраивать почасовые графики расхода, а также могут подключать дополнительные насосы по мере необходимости в режиме онлайн.

Встроенный вход/выход ЧРП – не единственный способ управления приводом. Многие из них позволяют использовать различные протоколы связи, которые могут управлять ЧРП с контроллеров большинства производителей. Все стандартные протоколы доступны для большинства ЧРП, что позволяет оператору иметь двунаправленную связь одним кабелем.

Почему это важно? Благодаря использованию одного кабеля, в отличие от прокладывания нескольких проводов, затраты на установку ЧРП сводятся к минимуму, и по этому кабелю может передаваться гораздо больший объем данных. Эти данные относятся не только к расширенному управлению, но и к мониторингу. Обычно операторы следят за скоростью, крутящим моментом, током и температурой привода.

Наконец, расходы на техническое обслуживание могут быть значительно снижены из-за уменьшения износа оборудования благодаря контролируемому пуску. Кроме того, в случаях, когда применение ЧРП устраняет необходимость в использовании заслонок и клапанов, затраты на техническое обслуживание этих элементов системы также могут быть исключены.

Частотные преобразователи продолжают набирать популярность в разных отраслях промышленности по мере роста преимуществ их внедрения, большинство из которых так или иначе связаны с уменьшением затрат и экономией электроэнергии.

Источник

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

В различных ситуациях может возникнуть необходимость преобразования частоты исходного тока в ток с напряжением регулируемой частоты. Это требуется, например, при работе асинхронных двигателей для изменения их скорости вращения. В этой статье будет рассмотрены назначение и принцип работы частотного преобразователя.

Что такое частотный преобразователь

Частотный преобразователь (ПЧ) – это электротехническое устройство, которое преобразовывает и плавно регулирует однофазный или трехфазный переменный ток с частотой 50 Гц в аналогичный по типу ток с частотой от 1 до 800 Гц. Такие устройства широко применяются для управления работой различных электрических машин асинхронного типа, например, для изменения частоты их вращения. Также существуют аппараты для использования в промышленных высоковольтных сетях.

Простые преобразователи регулируют частоту и напряжение в соответствии с характеристикой V/f, сложные приборы используют векторное управление.

Частотный преобразователь является технически сложным устройством и состоит не только из преобразователя частоты, но и имеет защиту от перегрузок по току, от перенапряжения и короткого замыкания. Также такое оборудование может иметь дроссель для улучшения формы сигнала и фильтры для уменьшения различных электромагнитных помех. Различают электронные преобразователи, а также электромашинные устройства.

Принцип работы частотного преобразователя

Электронный преобразователь состоит из нескольких основных компонентов: выпрямителя, фильтра, микропроцессора и инвертора.

Выпрямитель имеет связку из диодов или тиристоров, которые выпрямляют исходный ток на входе в преобразователь. Диодные ПЧ характеризуются полным отсутствием пульсаций, являются недорогими, но при этом надежными приборами. Преобразователи на основе тиристоров создают возможность для протекания тока в обоих направлениях и позволяют возвращать электрическую энергию в сеть при торможении двигателя.

Фильтр используется в тиристорных устройствах для снижения или исключения пульсаций напряжения. Сглаживание производится с помощью ёмкостных или индуктивно-ёмкостных фильтров.

Микропроцессор – является управляющим и анализирующим звеном преобразователя. Он принимает и обрабатывает сигналы с датчиков, что позволяет регулировать выходной сигнал с преобразователя частоты встроенным ПИД-регулятором. Также данный компонент системы записывает и хранит данные о событиях, регистрирует и защищает аппарат от перегрузок, короткого замыкания, анализирует режим работы и отключает устройство при аварийной работе.

Инвертор напряжения и тока используется для управления электрическими машинами, то есть для плавного регулирования частоты тока. Такое устройство выдает на выходе «чистый синус», что позволяет использовать его во многих сферах промышленности.

Принцип работы электронного частотного преобразователя (инвертора) заключается в следующих этапах работы:

Виды преобразователей частоты

Существует несколько типов частотников, которые на данный момент являются самыми распространенными для производства и использования:

Электромашинные (электроиндукционные) преобразователи: используются в тех случаях, когда невозможно или нецелесообразно применение электронных ПЧ. Конструктивно такие устройства являются асинхронными двигателями с фазным ротором, которые работают в режиме генератора-преобразователя.

Данные устройства являются преобразователями со скалярным управлением. На выходе из данного аппарата создается напряжение заданной амплитуды и частоты для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Они применяются в тех случаях, когда не требуется поддерживать скорость вращения ротора в зависимости от нагрузки (насосы, вентиляторы и прочее оборудование).

Электронные преобразователи: широко применяется в любых условиях работы для различного оборудования. Такие устройства являются векторными, они автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора и обеспечивают постоянное значение частоты вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

По сфере применения оборудование может быть:

Каждый тип частотного преобразователя имеет определенные преимущества и недостатки и применим для различного оборудования и нагрузок, а также условий работы.

Управление частотным преобразователем может быть ручным или внешним. Ручное управление осуществляется с пульта управления ПЧ, которым можно отрегулировать частоту вращения или остановить работу. Внешнее управление выполняется при помощи автоматических систем управления (АСУТП), которые могут контролировать все параметры устройства и позволяют переключать схему или режим работы (через ПЧ или байпас). Также внешнее управление позволяет программировать работу преобразователя в зависимости от условий работы, нагрузки, времени, что позволяет работать в автоматическом режиме.

Для чего может быть нужен электродвигателю частотный преобразователь

Применение частотных преобразователей позволяет снизить затраты на электроэнергию, расходы на амортизацию двигателей и оборудования. Их возможно использовать для дешевых двигателей с короткозамкнутым ротором, что снижает издержки производства.

Многие электродвигатели работают в условиях частой смены режимов работы (частые пуски и остановки, изменяющуюся нагрузку). Частотные преобразователи позволяют плавно запускать электродвигатель и снижают максимальный пусковой момент и нагрев оборудования. Это важно, например, в грузоподъемных машинах и позволяет снизить негативное влияние резких пусков, а также исключить раскачивание груза и рывки при остановке.

При помощи ПЧ можно плавно регулировать работу нагнетательных вентиляторов, насосов и позволяет автоматизировать технологические процессы (применяются в котельных, на горнодобывающих производствах, в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей сферах, на водопроводных станциях и других предприятиях).

Использование частотных преобразователей в транспортерах, конвейерах, лифтах позволяет увеличить срок службы их узлов, так как снижает рывки, удары и другие негативные факторы при пусках и остановке оборудования. Они могут плавно увеличивать и уменьшать частоту вращения двигателя, осуществлять реверсивное движение, что важно для большого количества высокоточного промышленного оборудования.

Преимущества частотных преобразователей:

Конечно, глядя на такой список достоинств можно задаться вопросом, почему бы их не использовать для всех двигателей на предприятии? Ответ тут очевиден, увы, но это высокая стоимость частотников, их монтаж и наладка. Не каждое предприятие может позволить себе эти расходы.

Особенности и схема подключения частотного преобразователя к разным типам электродвигателей

Схема работы устройства плавного пуска, его назначение и конструкция

Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт

Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей

Что такое импульсный блок питания и где применяется

Что такое контактор: назначение, принцип работы, виды, схемы подключения

Источник

Частотный преобразователь

Частотный преобразователь напряжения — это электрический прибор, служащий для преобразования напряжения и частоты переменного тока в напряжение с заданной амплитудой и частотой. Он также способен преобразовывать постоянное напряжение в переменное с заданными характеристиками.

Для чего нужен частотный преобразователь?

Этот вопрос задают множество людей, которым впервые понадобилось подключить трехфазный двигатель насоса или вентилятора. Конечно, любой электродвигатель можно напрямую подключить к сети переменного тока через соответствующую защитную аппаратуру (моторный автоматический выключатель или контактор с тепловым реле).

Рассмотрим процессы, происходящие в электродвигателе в момент прямого пуска с помощью автоматического выключателя или кнопки включения контактора на примере обычного трехфазного асинхронного двигателя.

На статорные обмотки электродвигателя подается переменное напряжение, которое генерирует соответствующее электромагнитное поле этих обмоток. Это поле, направленное в сторону ротора, в свою очередь заставляет генерироваться электрический ток в короткозамкнутых витках ротора. Затем ток в обмотках ротора генерирует ответное магнитное поле, которое и приводит к движению ротора относительно статора. Все эти процессы, возникающие в момент пуска, называются процессом намагничивания статора и ротора.

Трехфазный электродвигатель сам по себе не нужен: на его валу обязательно присутствует нагрузка (самая простая — в виде лопастей вентилятора). В ситуации с нагруженным конвейером всё сложнее. Тем не менее, у этой нагрузки есть момент инерции – момент, который необходимо преодолеть двигателю для запуска вращения вала. Таким образом, все эти электромагнитные и механические силы в момент пуска напрямую соотносятся с обычным пусковым током двигателя. Как несложно догадаться, этот ток будет в несколько раз (2-7) больше номинального тока двигателя, который получится в установившемся режиме работы.

Скорость вращения электродвигателя или число оборотов в минуту

Скорость вращения вала как асинхронных, так и синхронных электродвигателей определяется частотой вращения магнитного поля статора. Магнитное поле вращается соответственно подаваемому на обмотки статора переменному току по трем фазам. Именно это «вращение» электрического тока в статоре приводит к вращающемуся магнитному полю и определяется по формуле:

n = (60 • f / p) • (1 — s)

где n – номинальное число оборотов вала асинхронного электродвигателя, p – число пар полюсов (см. на паспортной табличке), s – скольжение (разность скоростей поля ротора и поля статора), f – частота переменного тока (например, 50 Гц). Число пар полюсов статора зависит от конструкции катушек статора. Скольжение зависит от нагрузки на валу электродвигателя. Таким образом, подключив электродвигатель к сети переменного тока, мы получим вращение с постоянной скоростью.

Зачем нужно регулировать скорость и как это делается?

Заданное в паспортной табличке число оборотов двигателя на 1 минуту не всегда устраивает потребителя. Иногда скорость механизма хочется уменьшить, а давление в трубе наоборот поднять. Возникает потребность в изменении частоты вращения вала электродвигателя. Как видно из формулы выше, наиболее простой способ изменения частоты вращения вала электродвигателя –изменить частоту переменного тока f.

Принцип работы частотного преобразователя

Вот тут и приходит на помощь частотный преобразователь, иначе говоря ЧРП (частотно-регулируемый привод). Он, как говорилось в самом начале, позволяет задавать на своем выходе заданные в настройках амплитуду напряжения и частоту переменного тока.

Частота вы выходе может регулироваться в диапазоне 0.01 — 590 Гц если брать инверторы серии AS3 Toshiba. Для серии S15 Toshiba диапазон регулирования находится в пределах 0.01 — 500 Гц. Для серии nC3E Toshiba диапазон регулирования находится в пределах 0.01 — 400 Гц. Это объясняется функциональным назначением разных серий ПЧ.

Напряжение на выходе может изменяться в диапазоне от 0 В до напряжения питания ПЧ, т.е. текущего напряжения на входе частотного преобразователя. Это свойство можно использовать для получения нужного выходного напряжения и частоты, что ценно, например, для испытания стендового оборудования. Правда для этого придется использовать специальный выходной синусный фильтр, чтобы получить чистые синусоидальное напряжение и ток.

С частотой все понятно, но зачем нужно изменять напряжение?

Дело в том, что для поддержания определенного магнитного поля в обмотках статора требуется изменять не только частоту, но и напряжение. Получается, что частота должна соответствовать определенному напряжению. Этот называется законом скалярного управления U/f (V/f), где U или V — напряжение.

Также существует закон векторного регулирования. Векторное регулирование используется для оборудования, где требуется поддерживать необходимый крутящий момент на валу при низких скоростях электродвигателя, высокое быстродействие и точность регулирования частоты вращения. Векторное управление представляет собой математический аппарат в «мозге» частотного преобразователя, который позволяет точно определять угол поворота ротора по токам фаз двигателя.

Использование частотника позволяет убрать большой пусковой ток, достигая таким образом значительного экономического эффекта при частых пусках и остановках электродвигателя.

Схема частотного преобразователя

Ниже представлена типовая схема частотного преобразователя. Входное сетевое трехфазное или однофазное напряжение подается через опциональный входной фильтр на клеммы диодного моста. Неуправляемый диодный (или управляемый тиристорный) мост преобразует переменное напряжение сети в постоянное пульсирующее напряжение. Для фильтрации пульсаций служит звено постоянного тока из одного или нескольких конденсаторов C.

Напряжение в звене постоянного тока после выпрямления трехфазного напряжения будет равно согласно формуле: 380*1,35 = 513 В.

Дроссель DCL в звене постоянного тока позволяет дополнительно сгладить пульсации напряжения после диодного моста и выполняет функции снижения гармоник выпрямителя, инжектируемых в питающую сеть.

Транзисторы T1-T6 инвертора с помощью специального алгоритма системы управления генерируют на клеммы электродвигателя 3 пакета импульсов, разнесенных по трем фазам на 120 градусов во времени. Ни рисунке ниже показана только одна фаза: пачка выходных импульсов широтно-импульсной модуляции (ШИМ), проходя через обмотку электродвигателя, сгладится до формы, напоминающей синусоиду. Частота импульсов ШИМ (опорная частота) в промышленных преобразователях обычно составляет 3-4 кГц, но для ПЧ малой мощности может доходить до 16 кГц. Чем выше частоты ШИМ, тем будет меньше гармонических искажений «синусоиды» на выходе инвертора. Но при этом возрастают тепловые потери на силовых транзисторах, что уменьшает КПД. В ПЧ Toshiba величину частоты можно изменять, регулируя таким образом тепловые потери.

Выходное напряжение частотного преобразователя будет всегда ниже входного сетевого напряжения. Это связано с потерями в силовом модуле и алгоритме получения ШИМ импульсов.

Между частотным преобразователем и электродвигателем можно установить дополнительный фильтр, позволяющий значительно улучшить форму выходного напряжения после частотника. Это необходимо для того, чтобы импульсы ШИМ не разрушали изоляцию обмоток двигателя и не вызывали перенапряжения на конце длинного кабеля. Подробнее о выходных фильтрах.

Тормозной прерыватель (Brake Chopper)

На схеме частотного преобразователя можно заметить еще один транзисторный ключ T7. Его назначение — сброс энергии звена постоянного тока при значительном превышении напряжения на конденсаторах. Перенапряжение возникает в том случае, когда частота вращения вала электродвигателя превышает частоту тока на клеммах электродвигателя (например, при торможении). Это часто встречается на кранах или крупных вентиляторах, когда невозможно быстро затормозить вращение.

При наступления события превышения напряжения DC, этот транзисторный ключ T7 замыкается, передавая энергию звена постоянного тока на тормозной резистор. Конечно, резистор при этом может очень сильно нагреться и даже разрушится, но при этом не пострадает наиболее дорогое оборудование — частотный преобразователь.

Тормозной резистор является опциональным оборудованием и подключается к специальным клеммам преобразователя частоты.

КПД частотного преобразователя

Такие важные параметры как КПД частотника и производительность воздушного потока для его охлаждения можно посмотреть в соответствующем столбце следующей таблицы на примере серии VF-AS3 TOSHIBA.

*1) В таблице приведены данные для нормального (не тяжелого) режима работы преобразователя частоты.

Области применения и экономический эффект использования частотных преобразователей

Сферы применения преобразователей частоты

Преимущества частотных преобразователей

Внедрение частотных преобразователей дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и техническое обслуживание электродвигателей и оборудования. Появляется возможность 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 3-х лет.

Частотные преобразователи Toshiba

Компания СПИК СЗМА как единственный официальный дилер Toshiba в России и СНГ предлагает купить частотные преобразователи серии VF-AS3 для решения задач регулирования скорости электродвигателя. Вы получаете максимально качественную техническую поддержку и гарантию долгой работы преобразователя частоты.

Высоковольтные преобразователи частоты ВПЧ

Выше рассмотрены низковольтные частотные преобразователи. Но также существует множество вариантов высоковольтных преобразователей частоты. Компания СПИК СЗМА является дистрибьютором ПЧ среднего напряжения TMEIC.

Источник