Преобразователь частоты вращения электродвигателя

Трехфазные асинхронные двигатели нашли самое широкое применение в промышленности и других областях. Современное оборудование просто невозможно представить без этих агрегатов. Одной из важнейших составляющих рабочего цикла машин и механизмов является их плавный пуск и такая же плавная остановка после выполнения поставленной задачи. Такой режим обеспечивается путем использования преобразователей частоты. Эти устройства проявили себя наиболее эффективными в больших электродвигателях, обладающих высокой мощностью.

С помощью преобразователей частоты успешно выполняется регулировка пусковых токов, с возможностью контроля и ограничения их величины до нужных значений. Для правильного использования данной аппаратуры необходимо знать принцип работы частотного преобразователя для асинхронного двигателя. Его применение позволяет существенно увеличить срок службы оборудования и снизить потери электроэнергии. Электронное управление, кроме мягкого пуска, обеспечивает плавную регулировку работы привода в соответствии с установленным соотношением между частотой и напряжением.

Что такое частотный преобразователь

Основной функцией частотных преобразователей является плавная регулировка скорости вращения асинхронных двигателей. С этой целью на выходе устройства создается трехфазное напряжение с переменной частотой.

Преобразователи частоты нередко называются инверторами. Их основной принцип действия заключается в выпрямлении переменного напряжения промышленной сети. Для этого применяются выпрямительные диоды, объединенные в общий блок. Фильтрация тока осуществляется конденсаторами с высокой емкостью, которые снижают до минимума пульсации поступающего напряжения. В этом и заключается ответ на вопрос для чего нужен частотный преобразователь.

В некоторых случаях в схему может быть включена так называемая цепь слива энергии, состоящая из транзистора и резистора с большой мощностью рассеивания. Данная схема применяется в режиме торможения, чтобы погасить напряжение, генерируемое электродвигателем. Таким образом, предотвращается перезарядка конденсаторов и преждевременный выход их из строя. В результате использования частотников, асинхронные двигатели успешно заменяют электроприводы постоянного тока, имеющие серьезные недостатки. Несмотря на простоту регулировки, они считаются ненадежными и дорогими в эксплуатации. В процессе работы постоянно искрят щетки, а электроэрозия приводит к износу коллектора. Двигатели постоянного тока совершенно не подходят для взрывоопасной и запыленной среды.

В отличие от них, асинхронные двигатели значительно проще по своему устройству и надежнее, благодаря отсутствию подвижных контактов. Они более компактные и дешевые в эксплуатации. К основному недостатку можно отнести сложную регулировку скорости вращения традиционными способами. Для этого было необходимо изменять питающее напряжение и вводить дополнительные сопротивления в цепь обмоток. Кроме того, применялись и другие способы, которые на практике оказывались неэкономичными и не обеспечивали качественной регулировки скорости. Но, после того как появился преобразователь частоты для асинхронного двигателя, позволяющий плавно регулировать скорость в широком диапазоне, все проблемы разрешились.

Одновременно с частотой изменяется и подводимое напряжение, что позволяет увеличить КПД и коэффициент мощности электродвигателя. Все это позволяет получить высокие энергетические показатели асинхронных двигателей, продлить срок их эксплуатации.

Принцип действия частотного преобразователя

Эффективное и качественное управление асинхронными электродвигателями стало возможно за счет использования совместно с ними частотных преобразователей. Общая конструкция представляет собой частотно-регулируемый привод, который позволил существенно улучшить технические характеристики машин и механизмов.

В качестве управляющего элемента данной системы выступает преобразователь частоты, основной функцией которого является изменение частоты питающего напряжения. Его конструкция выполнена в виде статического электронного узла, а формирование переменного напряжения с заданной изменяемой частотой осуществляется на выходных клеммах. Таким образом, за счет изменения амплитуды напряжения и частоты регулируется скорость вращения электродвигателя.

Управление асинхронными двигателями осуществляется двумя способами:

• Скалярное управление действует в соответствии с линейным законом, согласно которому амплитуда и частота находятся в пропорциональной зависимости между собой. Изменяющаяся частота приводит к изменениям амплитуды поступающего напряжения, оказывая влияние на уровень крутящего момента, коэффициент полезного действия и коэффициент мощности агрегата. Следует учитывать зависимость выходной частоты и питающего напряжения от момента нагрузки на валу двигателя. Для того чтобы момент нагрузки был всегда равномерным, отношение амплитуды напряжения к выходной частоте должно быть постоянным. Данное равновесие как раз и поддерживается частотным преобразователем.
• Векторное управление удерживает момент нагрузки в постоянном виде во всем диапазоне частотных регулировок. Повышается точность управления, электропривод более гибко реагирует на изменяющуюся выходную нагрузку. В результате, момент вращения двигателя находится под непосредственным управлением преобразователя. Нужно учитывать, что момент вращения образуется в зависимости от тока статора, а точнее – от создаваемого им магнитного поля. Под векторным управлением фаза статорного тока изменяется. Эта фаза и есть вектор тока осуществляющий непосредственное управление моментом вращения.

Настройка частотного преобразователя для электродвигателя

Для того чтобы преобразователь частоты для асинхронного двигателя в полном объеме выполнял свои функции, его необходимо правильно подключить и настроить. В самом начале подключения в сети перед прибором размещается автоматический выключатель. Его номинал должен совпадать с величиной тока, потребляемого двигателем. Если частотник предполагается эксплуатировать в трехфазной сети, то автомат также должен быть трехфазным, с общим рычагом. В этом случае при коротком замыкании на одной из фаз можно оперативно отключить и другие фазы.

Ток срабатывания должен обладать характеристиками, полностью соответствующими току отдельной фазы электродвигателя. Если частотный преобразователь планируется использовать в однофазной сети, в этом случае рекомендуется воспользоваться одинарным автоматом, номинал которого должен в три раза превышать ток одной фазы. Независимо от количества фаз, при установке частотника, автоматы не должны включаться в разрыв заземляющего или нулевого провода. Рекомендуется использовать только прямое подключение.

При правильной настройке и подключении частотного преобразователя, его фазные провода должны соединяться с соответствующими контактами электродвигателя. Предварительно обмотки в двигателе соединяются по схеме «звезда» или «треугольник», в зависимости от напряжения, выдаваемого преобразователем. Если оно совпадает с меньшим значением, указанным на корпусе двигателя, то применяется соединение треугольником. При более высоком значении используется схема «звезда».

Далее выполняется подключение частотного преобразователя к контроллеру и пульту управления, который входит в комплект поставки. Все соединения осуществляются в соответствии со схемой, приведенной в руководстве по эксплуатации. Рукоятка должна находиться в нейтральном положении, после чего включается автомат. Нормальное включение подтверждается световым индикатором, загорающимся на пульте. Для того чтобы преобразователь заработал, нажимается кнопка RUN, запрограммированная по умолчанию.

После незначительного поворота рукоятки, двигатель начинает постепенно вращаться. Для переключения вращения в обратную сторону, существует специальная кнопка реверса. Затем с помощью рукоятки настраивается нужная частота вращения. На некоторых пультах вместо частоты вращения электродвигателя, отображаются данные о частоте напряжения. Поэтому рекомендуется заранее внимательно изучить интерфейс установленной аппаратуры.

Частотные преобразователи для асинхронных двигателей

Благодаря частотным преобразователям, работа современных асинхронных двигателей отличается высокой эффективностью, устойчивостью и безопасностью. Это особенно важно, поскольку каждый электродвигатель отличается индивидуальными особенностями режима работы. Поэтому оптимизации параметров питания агрегатов с использованием преобразователей частоты придается большое значение. Когда частотный преобразователь выбирается для каких-либо конкретных целей, в этом случае должны обязательно учитываться его рабочие параметры.

Нормальная работа устройства будет зависеть от типа электродвигателя, его мощности, диапазона, скорости и точности регулировок, а также от поддержания стабильного момента вращения вала. Эти показатели имеют первостепенное значение и должны органично сочетаться с габаритами и формой аппарата. Следует обратить особое внимание на то, как расположены элементы управления и будет ли удобно им пользоваться.

Выбирая устройство, необходимо заранее знать, в каких условиях оно будет эксплуатироваться. Если сеть однофазная, то и преобразователь должен быть таким же. То же самое касается и трехфазных аппаратов. Многое зависит от мощности асинхронных двигателей. Если при запуске на валу необходим высокий пусковой момент, то и частотный преобразователь должен быть рассчитан на большее значение тока.

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

Частотный преобразователь обеспечивает:

• высокий пусковой момент при низком пусковом токе и низких оборотах двигателя (за счёт эффективного управления электромагнитным полем)
• высокий перегрузочный момент двигателя
• длительный плавный разгон или останов двигателя с высокоинерционной нагрузкой
• эффективное динамическое торможение двигателя
• управление работой двигателя, как в двигательном, так и в генераторном режиме
• максимальный КПД двигателя во всех режимах работы
• управление электромагнитным тормозом (в подъёмниках)
• ПИД-регулирование переменной процесса
• работу двигателя с обратной связью по скорости и положению
• локальное управление технологическим процессом (в ПЧ может быть встроен логический контроллер, расширяемые входы для подключения датчиков и выходы для управления исполнительными устройствами).

Цели внедрения преобразователей частоты

Стабилизация технологического процесса

Автоматическое регулирование скорости вращения приводных механизмов (вентиляторов, насосов, конвейеров и др.) позволяет лучше стабилизировать технологический процесс:

• Привод быстрее и точнее отрабатывает задание и возмущения
• Кривую переходного процесса можно настроить под конкретную задачу.

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

Раньше приводы постоянного тока применялись достаточно широко, сейчас их с успехом заменяют приводами переменного тока, которые работают со стандартными асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором:

• Снижаются эксплуатационные расходы, которые в большей степени связаны с обслуживанием коллектора
• Улучшаются энергетические показатели
• Стандартные асинхронные двигатели дешевле и доступнее, чем двигатели 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

В СССР широко применялись двигатели на напряжение 6кВ и 10кВ. Замена старых высоковольтных двигателей на новые низковольтные двигатели с низковольтными преобразователями частоты часто экономически более оправдана, чем установка высоковольтных ПЧ:

• Низковольтные ПЧ дешевле
• Обслуживание низковольтной техники проще и дешевле
• Современные низковольтные двигатели можно подобрать тех же установочных размеров, что и старые высоковольтные двигатели.

Повышение надёжности работы и увеличение срока службы основного технологического оборудования

• При работе насосов и вентиляторов на пониженных скоростях увеличивается срок эксплуатации подшипников, замедляется износ оборудования из-за трения
• Плавные пуски и остановы насосов предотвращают прорывы труб из-за гидроударов
• Контроль токов и моментов исключает поломки агрегатов из-за механических напряжений, заклинивания и т.п.
• Преобразователи частоты при правильной эксплуатации не требуют обслуживания в отличие, например, от механических задвижек с электроприводом
• Автоматический пропуск резонансных частот исключает разрушение агрегата из-за механического резонанса
• Подхват вращающегося двигателя в обоих направлениях при восстановлении питания.

Увеличение производительности

• За счёт улучшения управляемости технологическим процессом и повышения точности регулирования
• При определённых условиях двигатель можно разогнать выше номинальной скорости
• Повышенные пусковые моменты и интенсивное торможение за счёт более эффективного рассеивания тепла в самом двигателе и на внешнем тормозном резисторе позволяют увеличить производительность автоматической линии.

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

Встроенные в преобразователи частоты функции позволяют реализовать достаточно сложные задачи автоматического управления без использования дополнительного оборудования:

• Работа на разных скоростях, реверс (не нужен контактор)
• Полная защита двигателя (не нужно тепловое реле, реле контроля фаз)
• Cos ф≈1 (не нужны компенсаторы реактивной мощности двигателей)
• Защита насоса от сухого хода (без датчика сухого хода)
• Защита от обрыва ремня вентиляторов (не нужны дополнительные датчики)
• Логическая обработка входных дискретных сигналов
• Встроенные ПИД-регуляторы процесса, скорости (не нужны внешние регуляторы)
• Встроенный каскадный контроллер (для турбомеханизмов)
• Встроенные часы реального времени.

Автоматизация

• ПЧ может архивировать в своей памяти, отображать на своём дисплее и передавать для дальнейшей обработки по полевой шине все электрические параметры двигателя, информацию от датчиков, подключенных к ПЧ, рабочие и аварийные сообщения
• Снижение человеческого фактора.

Как выбрать преобразователь частоты

Конфигурация "Выпрямитель — Инвертор"

• В одном корпусе ПЧ находится и выпрямитель, и инвертор
• Выпрямитель и инверторы выполнены в разных корпусах, при этом несколько инверторов подключаются к шине постоянного тока одного выпрямителя "стенка-к-стенке". Такая конфигурация более экономична в многодвигательных приводах:

• выпрямитель имеет функцию рекуперации энергии обратно в сеть
• приводы работают одновременно в разных режимах — двигательных и генераторных
• длина "батареи" приводов физически ограничена размерами помещения.

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.

• 6-пульсные выпрямители генерирует гармоники 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25 и т.д.
• 12-пульсные выпрямители генерирует гармоники 11, 13, 17, 19, 23, 25 и т.д.
• 18-пульсные выпрямители генерирует гармоники 17, 19, 23, 25 и т.д.

Тип охлаждения

• Воздушное
• Жидкостное (для мощных ПЧ)
• Через заднюю стенку (для приводов небольшой мощности). В этом случае ПЧ может устанавливаться в герметичный шкаф, с наружной стороны которого крепится радиатор. Тепло проходит через стенки ПЧ и шкафа и рассеивается на радиаторе. Такая технология называется "Холодная плита" (Cold Plate).

Тип нагрузки

При выборе преобразователя частоты необходимо учитывать тип нагрузки:

• С постоянным моментом (конвейер) или переменным моментом (насос, вентилятор)
• Инерционная или малоинерционная
• Активная или пассивная
• Крановая.

Тип двигателя

• ПЧ работают с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. При подключении двигателя с фазным ротором фазные сопротивления необходимо закоротить
• Некоторые ПЧ могут работать с синхронными двигателями или с серводвигателями с постоянными магнитами
• Низковольтный ПЧ может работать с высоковольтным двигателем через повышающий трансформатор.

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

Необходимо также учесть кратковременные пусковые перегрузки и выбрать ПЧ с подходящей перегрузочной способностью по току (для насосов и вентиляторов, например, бывает достаточно 110%, а для конвейеров — 150%).

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

Переразмеривание – это выбор частотного преобразователя большей мощности, чем нужно для работы в нормальных условиях. Переразмеривать ПЧ нужно в случае:

• Работы ПЧ в более широком температурном диапазоне
• Работы ПЧ с перегрузочным моментом больше допустимого для данной модели привода
• Установки ПЧ выше 1000 метров над уровнем моря
• Повышения частоты коммутации силовых ключей.

Класс защиты корпуса IP

Необходимо правильно подобрать класс защиты корпуса ПЧ для защиты от пыли и воды:

• IP00 или IP20, если ПЧ предназначен для установки в шкаф (который сам имеет необходимую защиту)
• IP21, если ПЧ устанавливается в специальном помещении
• IP54 или IP55, если ПЧ устанавливается в производственном помещении
• IP66, если ПЧ поливается из шланга (моется) вместе со всем технологическим оборудованием.

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)

Любой ПЧ является источником электромагнитных помех:

• Радиопомех, которые передаются как по сети, так и по воздуху
• Гармонических искажений тока и напряжения

Поэтому при выборе ПЧ необходимо обеспечить ЭМС для устойчивой работы всего электрооборудования:

• Возможно, понадобится радио-фильтр (RFI)
• Возможно, понадобится входной фильтр гармоник (сетевой фильтр).

Силовые опции для защиты ПЧ и двигателя

• Для защиты ПЧ рекомендуется использовать быстродействующие полупроводниковые предохранители
• Для защиты привода от бросков в сети можно установить сетевой дроссель или выбрать ПЧ со встроенным фильтром гармоник
• Для защиты двигателя, не предназначенного для работы от ПЧ, необходимо подобрать выходной фильтр du/dt или синусный фильтр.

Торможение

При выборе ПЧ необходимо учитывать его способность утилизировать энергию, выделяющуюся при динамическом торможении:

• AC/DC-торможение без использования тормозного резистора
• Динамическое торможение с использованием тормозного резистора, для подключения которого у ПЧ должен быть тормозной ключ (чоппер); тормозной резистор подбирается по нагрузочному циклу
• Рекуперация энергии в сеть

Многие ПЧ умеют управлять механическим тормозом через свои встроенные релейные выходы.

Особенности работы двигателя с преобразователем частоты

• При длительной работе от ПЧ на низких оборотах с номинальным моментом двигатель может греться, поэтому необходимо предусмотреть его принудительное охлаждение
• Если класс изоляции (сопротивление обмоток) двигателя не рассчитан для работы с ПЧ, необходимо предусмотреть фильтр между ПЧ и двигателе
• При работе с ПЧ рекомендуется использовать двигатель с термисторами для контроля температуры обмоток двигателя
• Категорически не допускается включение между ПЧ и двигателем компенсаторов реактивной мощности. ПЧ сам компенсирует реактивную мощность подключенного к нему двигателя. Если компенсаторы необходимы для компенсации реактивной мощности других потребителей, то они могут быть включены только со стороны входа ПЧ
• ПЧ сам полностью защищает двигатель (кроме случая параллельного подключения нескольких двигателей к одному ПЧ).

Скорость вращения

ПЧ может увеличить скорость вращения двигателя выше номинальной. Насколько — это уже зависит от двигателя (см. каталог на двигатели). В ПЧ легко настроить ограничение минимальной скорости вращения насоса. Преобразователи частоты с векторным управлением потоком и обратной связью по скорости могут удерживать неподвижный вал двигателя с номинальным моментом.

Точность и диапазон регулирования

Точность и динамика привода зависят от типа управления:

• Скалярный
• Скалярный с компенсацией скольжения
• Управление вектором напряжения
• Управление вектором тока
• Управление вектором потока
• Работа с обратной связью (по технологическому параметру, по скорости)

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.

Векторный режим не будет работать, если:

• ПЧ не может построить математическую модель двигателя (старый перемотанный двигатель)
• К ПЧ параллельно подключены несколько двигателей
• Мощность двигателя намного меньше мощности ПЧ
• Между ПЧ и двигателем установлен синусный фильтр.

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

Преобразователи частоты имеют различные встроенные возможности для локального управления, использование которых может полностью исключить или существенно снизить стоимость дополнительного внешнего оборудования:

• ПИД-регуляторы процесса с автоматической настройкой и возможностью реализации подчинённого (каскадного) управления
• ПИД-регуляторы скорости
• Логические контроллеры
• Контроллеры синхронизации и позиционирования
• Интерфейсы для подключения различных датчиков обратной связи.

Насосные и вентиляторные функции

• Каскадное управление несколькими турбомеханизмами
• Защита от сухого хода насоса
• Защита от обрыва приводного ремня
• Автоматический пропуск резонансных частот
• Защита от протечек в трубе
• Попеременная работа с двумя насосами для выравнивания моторесурса
• Регулирование перепада давления (ПЧ сам рассчитывает разность давлений)
• Спящий режим
• Режим энергосбережения
• Регулирование расхода по давлению.

Панель оператора

Панели оператора бывают разные:

• Встроенные или съёмные
• Цифровые, текстовые или графические
• С поддержкой русского языка
• С отображением справочной информации (Help) с описанием параметров
• С кнопками для переключения межу режимами: ручным (Manual) и автоматическим (Auto)
• С кнопками «JOG» и «Реверс»
• С ручкой потенциометра для изменения задания скорости
• С памятью для хранения нескольких наборов параметров для нескольких ПЧ
• С возможностью управления несколькими ПЧ от одной панели
• С возможностью программирования от ПК без подключения к ПЧ
• С возможностью выносного монтажа на двери шкафа
• Со встроенными часами реального времени

Программирование преобразователя частоты

• От ПК через встроенный в ПЧ порт USB с помощью стандартного компьютерного кабеля
• От ПК через встроенный в ПЧ порт RS485 или RS232 с помощью специального адаптера интерфейсов
• Через панель оператора
• Настройки можно переписать в ПЧ с карты памяти, предварительно запрограммированной через ПК.

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).

Однофазные асинхронные двигатели питаются от обычной сети переменного напряжения 220 В.

Наиболее распространённая конструкция таких двигателей содержит две (или более) обмотки — рабочую и фазосдвигающую. Рабочая питается напрямую, а дополнительная через конденсатор, который сдвигает фазу на 90 градусов, что создаёт вращающееся магнитное поле. Поэтому такие двигатели ещё называют двухфазные или конденсаторные.

Регулировать скорость вращения таких двигателей необходимо, например, для:

• изменения расхода воздуха в системе вентиляции
• регулирования производительности насосов
• изменения скорости движущихся деталей, например в станках, конвеерах

В системах вентиляции это позволяет экономить электроэнергию, снизить уровень акустического шума установки, установить необходимую производительность.

Способы регулирования

Рассматривать механические способы изменения скорости вращения, например редукторы, муфты, шестерёнчатые трансмиссии мы не будем. Также не затронем способ изменения количества полюсов обмоток.

Рассмотрим способы с изменением электрических параметров:

• изменение напряжения питания двигателя
• изменение частоты питающего напряжения

Регулирование напряжением

Регулирование скорости этим способом связано с изменением, так называемого, скольжения двигателя — разностью между скоростью вращения магнитного поля, создаваемого неподвижным статором двигателя и его движущимся ротором:

n₁ — скорость вращения магнитного поля

n₂ — скорость вращения ротора

При этом обязательно выделяется энергия скольжения — из-за чего сильнее нагреваются обмотки двигателя.

Данный способ имеет небольшой диапазон регулирования, примерно 2:1, а также может осуществляться только вниз — то есть, снижением питающего напряжения.

При регулировании скорости таким способом необходимо устанавливать двигатели завышенной мощности.

Но несмотря на это, этот способ используется довольно часто для двигателей небольшой мощности с вентиляторной нагрузкой.

На практике для этого применяют различные схемы регуляторов.

Автотрансформаторное регулирование напряжения

Автотрансформатор — это обычный трансформатор, но с одной обмоткой и с отводами от части витков. При этом нет гальванической развязки от сети, но она в данном случае и не нужна, поэтому получается экономия из-за отсутствия вторичной обмотки.

На схеме изображён автотрансформатор T1, переключатель SW1, на который приходят отводы с разным напряжением, и двигатель М1.

Регулировка получается ступенчатой, обычно используют не более 5 ступеней регулирования.

Преимущества данной схемы:

• неискажённая форма выходного напряжения (чистая синусоида)
• хорошая перегрузочная способность трансформатора

Недостатки:

• большая масса и габариты трансформатора (зависят от мощности нагрузочного мотора)
• все недостатки присущие регулировке напряжением

Тиристорный регулятор оборотов двигателя

В данной схеме используются ключи — два тиристора, включённых встречно-параллельно (напряжение переменное, поэтому каждый тиристор пропускает свою полуволну напряжения) или симистор.

Схема управления регулирует момент открытия и закрытия тиристоров относительно фазового перехода через ноль, соответственно "отрезается" кусок вначале или, реже в конце волны напряжения.

Таким образом изменяется среднеквадратичное значение напряжения.

Данная схема довольно широко используется для регулирования активной нагрузки — ламп накаливания и всевозможных нагревательных приборов (так называемые диммеры).

Ещё один способ регулирования — пропуск полупериодов волны напряжения, но при частоте в сети 50 Гц для двигателя это будет заметно — шумы и рывки при работе.

Для управления двигателями регуляторы модифицируют из-за особенностей индуктивной нагрузки:

• устанавливают защитные LRC-цепи для защиты силового ключа (конденсаторы, резисторы, дроссели)
• добавляют на выходе конденсатор для корректировки формы волны напряжения
• ограничивают минимальную мощность регулирования напряжения — для гарантированного старта двигателя
• используют тиристоры с током в несколько раз превышающим ток электромотора

Достоинства тиристорных регуляторов:

Недостатки:

• можно использовать для двигателей небольшой мощности
• при работе возможен шум, треск, рывки двигателя
• при использовании симисторов на двигатель попадает постоянное напряжение
• все недостатки регулирования напряжением

Стоит отметить, что в большинстве современных кондиционеров среднего и высшего уровня скорость вентилятора регулируется именно таким способом.

Транзисторный регулятор напряжения

Как называет его сам производитель — электронный автотрансформатор или ШИМ-регулятор.

Изменение напряжения осуществляется по принципу ШИМ (широтно-импульсная модуляция), а в выходном каскаде используются транзисторы — полевые или биполярные с изолированным затвором (IGBT).

Выходные транзисторы коммутируются с высокой частотой (около 50 кГц), если при этом изменить ширину импульсов и пауз между ними, то изменится и результирующее напряжение на нагрузке. Чем короче импульс и длиннее паузы между ними, тем меньше в итоге напряжение и подводимая мощность.

Для двигателя, на частоте в несколько десятков кГц, изменение ширины импульсов равносильно изменению напряжения.

Выходной каскад такой же как и у частотного преобразователя, только для одной фазы — диодный выпрямитель и два транзистора вместо шести, а схема управления изменяет выходное напряжение.

Плюсы электронного автотрансформатора:

• Небольшие габариты и масса прибора
• Невысокая стоимость
• Чистая, неискажённая форма выходного тока
• Отсутствует гул на низких оборотах
• Управление сигналом 0-10 Вольт

Слабые стороны:

• Расстояние от прибора до двигателя не более 5 метров (этот недостаток устраняется при использовании дистанционного регулятора)
• Все недостатки регулировки напряжением

Частотное регулирование

Ещё совсем недавно (10 лет назад) частотных регуляторов скорости двигателей на рынке было ограниченное количество, и стоили они довольно дорого. Причина — не было дешёвых силовых высоковольтных транзисторов и модулей.

Но разработки в области твердотельной электроники позволили вывести на рынок силовые IGBT-модули. Как следствие — массовое появление на рынке инверторных кондиционеров, сварочных инверторов, преобразователей частоты.

На данный момент частотное преобразование — основной способ регулирования мощности, производительности, скорости всех устройств и механизмов приводом в которых является электродвигатель.

Однако, преобразователи частоты предназначены для управления трёхфазными электродвигателями.

Однофазные двигатели могут управляться:

• специализированными однофазными ПЧ
• трёхфазными ПЧ с исключением конденсатора

Преобразователи для однофазных двигателей

В настоящее время только один производитель заявляет о серийном выпуске специализированного ПЧ для конденсаторных двигателей — INVERTEK DRIVES.

Это модель Optidrive E2

Для стабильного запуска и работы двигателя используются специальные алгоритмы.

При этом регулировка частоты возможна и вверх, но в ограниченном диапазоне частот, этому мешает конденсатор установленный в цепи фазосдвигающей обмотки, так как его сопротивление напрямую зависит от частоты тока:

f — частота тока

С — ёмкость конденсатора

В выходном каскаде используется мостовая схема с четырьмя выходными IGBT транзисторами:

Optidrive E2 позволяет управлять двигателем без исключения из схемы конденсатора, то есть без изменения конструкции двигателя — в некоторых моделях это сделать довольно сложно.

Преимущества специализированного частотного преобразователя:

• интеллектуальное управление двигателем
• стабильно устойчивая работа двигателя
• огромные возможности современных ПЧ:

• возможность управлять работой двигателя для поддержания определённых характеристик (давления воды, расхода воздуха, скорости при изменяющейся нагрузке)
• многочисленные защиты (двигателя и самого прибора)
• входы для датчиков (цифровые и аналоговые)
• различные выходы
• коммуникационный интерфейс (для управления, мониторинга)
• предустановленные скорости
• ПИД-регулятор

Минусы использования однофазного ПЧ:

Использование ЧП для трёхфазных двигателей

Стандартный частотник имеет на выходе трёхфазное напряжение. При подключении к ему однофазного двигателя из него извлекают конденсатор и соединяют по приведённой ниже схеме:

Геометрическое расположение обмоток друг относительно друга в статоре асинхронного двигателя составляет 90°:

Фазовый сдвиг трёхфазного напряжения -120°, как следствие этого — магнитное поле будет не круговое , а пульсирующее и его уровень будет меньше чем при питании со сдвигом в 90°.

В некоторых конденсаторных двигателях дополнительная обмотка выполняется более тонким проводом и соответственно имеет более высокое сопротивление.

При работе без конденсатора это приведёт к:

• более сильному нагреву обмотки (срок службы сокращается, возможны кз и межвитковые замыкания)
• разному току в обмотках

Многие ПЧ имеют защиту от асимметрии токов в обмотках, при невозможности отключить эту функцию в приборе работа по данной схеме будет невозможна

Преимущества:

• более низкая стоимость по сравнению со специализированными ПЧ
• огромный выбор по мощности и производителям
• более широкий диапазон регулирования частоты
• все преимущества ПЧ (входы/выходы, интеллектуальные алгоритмы работы, коммуникационные интерфейсы)

Недостатки метода:

• необходимость предварительного подбора ПЧ и двигателя для совместной работы
• пульсирующий и пониженный момент
• повышенный нагрев
• отсутствие гарантии при выходе из строя, т.к. трёхфазные ПЧ не предназначены для работы с однофазными двигателями