Частотник для регулировки оборотов электродвигателей, особенности использования и варианты регулировки

Регулируемый асинхронный привод широко распространен и популярен так, что фактически заменил собой синхронные электродвигатели и привод постоянного тока.

Варианты регулировки скорости электродвигателя включают несколько существующих способов:

1. Изменение подачи напряжения;
2. Переключение обмоток асинхронных двигателей;
3. Частотная регулировка скорости электродвигателя с помощью изменения токовых величин;
4. Применение электронного коммутатора.

Во многом это произошло благодаря появлению частотных преобразователей, обеспечивающих энергетические и динамические показатели. Использование частотного регулятора скорости считается самым прогрессивным и востребованным методом, входящим в способы регулировки оборотов вращения асинхронных двигателей.

Основное предназначение, которое выполняет частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя основывается на осуществлении питания таким образом, чтобы рабочие характеристики агрегата радикально отличались от обычных параметров, получаемых из сети. При этом напряжение в сети и частота должны остаться неизменными.

Устройство и принцип работы, структура частотного регулятора

Принцип работы частотного регулятора для асинхронного двигателя заключается в питании электродвигателя переменным напряжением с меняющимися по необходимости, параметрами амплитуды и частоты. При этом поддержка соотношения напряжение/частота остаются четко определенными и неизменными. Генерирование переменного напряжения происходит благодаря силовому электронному преобразователю.

Рис. №1 Принципиальная схема преобразователя частоты.

Принцип работы подразумевает использование широтно-импульсной модуляции. Принцип подразумевает подачу импульсного напряжения на обмотки двигателя с амплитудой равной напряжению, полученному от выпрямителя. Импульсы модулированы по ширине и создают напряжение переменного тока с изменяющейся амплитудой. Наглядным примером могут считаться кривые междуфазного напряжения и тока в одной обмотке двигателя при соединении обмоток треугольником.

Рис. №2 График напряжения на выходе ШИМ и ток в двигательной обмотке при соединении трехфазного асинхронного двигателя в треугольник.

Основные элементы, которые входят в структуру частотного преобразователя

Частотный преобразователь состоит из следующих компонентов:

1. Мостовой выпрямитель на 1 или 3 фазы, оборудован конденсатором на выходе, является источником постоянного напряжения.
2. Мостовой инвертор (IGBT) питается постоянным напряжением с помощью широтно-импульсного метода модуляции, служит для генерации напряжения переменного тока с изменяемой амплитудой и частотой.
3. Модуль управления, который подает команды проводимости на инвертор. Они зависят от сигналов, подаваемых оператором и сведений о результатах измерений электрических величин (сетевое напряжение, нагрузочный ток двигателя).

Структура частотного регулятора

В настоящее время детально разработаны и широко применяются две основные топологии многоуровневых частотных преобразователей. Это каскадные и преобразователи на базе многоуровневых частотных инверторов напряжения.

Рис. №3 Структурная схема частотного преобразователя многоуровневого типа высокого напряжения, построенная на базе IGBT-транзисторов с воздушным или водяным охлаждением.

В состав устройства включен многообмоточный трансформатор. К особенностям схемы относится наличие силовых ячеек с последовательным соединением, благодаря чему на выходе устройства получается суммарное высокое напряжение. Подобная схема служит для получения формы выходного напряжения практически приближенной к идеальному синусу. Наличие шунтируемых в момент неисправности ячеек обуславливает высокую надежность схемы.

Как продолжение предыдущей схемы рассмотрим схему преобразователя на базе трансформаторного многоуровневого инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией с применением IGBT-модулей. Для устройства характерна фиксированная частота ШИМ – 3кГц. В структуру устройства включены система защиты с использованием микропроцессора.

Рис. 4 Структурная схема преобразователя.

На схеме видно, что все блоки функционально взаимосвязаны. На схеме показано как работает частотный регулятор для асинхронного двигателя, устройство и принцип работы.

В первом блоке находится входной трансформатор, в блоке осуществляется передача электроэнергии от трехфазного высоковольтного источника питания. От многоуровневого трансформатора производится распределение пониженного напряжения в шкаф инвертора на многоуровневый инвертор.

Шкаф инвертора включает в состав многоуровневый трехфазный инвертор, состоящий из ячеек – преобразователей. В каждой находится шестиимпульсный фильтр для выпрямления звена постоянного тока и мостовой инвертор напряжения на IGBT-транзисторах. По схеме происходит выпрямление входного переменного тока, который благодаря инвертору изменяется в переменный ток, обладающий регулируемыми показателями частоты и напряжения.

В шкафу защиты управления находятся микропроцессорный блок, обладающий многофункциональными возможностями и системой питания от ТСН преобразователя, устройство ввода преобразователя и первичные сенсоры, обозначающие режимы работы преобразователя.

Микропроцессор служит для формирования сигналов управления инвертором в зависимости от обозначенного алгоритма работы. Он служит для обработки сведений, собранных с датчиков напряжения и тока. Микропроцессор формирует сигналы для управления защитами и аварийными кнопками управления, корректирует алгоритм управления.

Для передачи сведений и связи используется оптоволоконный кабель. Для бесперебойной работы имеется независимый встроенный источник питания. Редактирование параметров выполняется пультом дистанционного управления.

Для надежного отключения и безопасного проведения различного рода работ преобразователь оборудован линейным разъединителем.

Рис. №5 Обобщенная схема ячейки преобразователя

Источники управляемого переменного напряжения формируют фазу напряжения для выполнения их последовательного соединения. Выходная схема питающей сети асинхронного двигателя происходит по схеме соединения обмоток «Звезда». Напряжение в трехфазном инверторе распределяется по схеме.

Рис. №6 Схема распределения напряжения в инверторе на три фазы.

Частотные преобразователи для однофазного асинхронного электродвигателя

Использование малогабаритных частотных преобразователей применяется при управлении скоростью вращения однофазных двигателей, применяемых в конструкциях бытовых устройств и для производства технологических процессов. Подробней про регулирование однофазного асинхронного двигателя с помощью частотного преобразователя смотрите здесь.

Частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя будет необычайно актуальным в схемах управления такими приборами, как кондиционеры воздуха, холодильные камеры, электрические вентиляторы, насосы, все оборудование с использованием асинхронных электродвигателей.

Особенности использования регуляторов скорости для однофазных электродвигателей

В конструкцию частотного регулятора входит несколько элементов, обеспечивающих эффективность работы устройства, к ним относятся:

1. Встроенный конвертер интерфейсов RS485 (работает опционно);
2. Встроенный ПЛК контроллер;
3. Встроенный ПИД-регулятор (формирует сигнал для управления устройством).

К преимущественным особенностям использования регуляторов скорости относятся инновационные технологии векторного управления. Значительная энергосберегающая эффективность – это функция, которая обеспечивается в автоматическом режиме. Управление регулятором скорости можно выполнять с помощью дистанционного пульта управления, минимальное расстояние для управления 5м.

Важно: в конструкции преобразователя частоты предусмотрена возможность автоматически регулировать выходное напряжение.

Популярные модели регуляторов скорости для однофазного двигателя

Среди многообразия устройств, выполняющих функцию управления электродвигателем, существуют две основные разновидности моделей регуляторов оборотов. Это электронные тиристорные однофазные регуляторы скорости, которые работают за счет плавного изменения напряжения питания. Вторая разновидность моделей регуляторов оборотов – трансформаторный однофазный регулятор скорости. Его работа заключается в изменении положения трехступенчатого кулачкового переключателя, с помощью которого происходит изменение комбинации переключения обмоток.

Частотное управление регулированием скоростью асинхронного электродвигателя в наше время является техническим стандартом. Использование частотного регулятора вытеснило очень многие способы управления. Симметричное и несимметричное управление напряжением и использование добавочных сопротивлений, изменение числа пар полюсов ушли в прошлое.

Частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя

Регулировка скорости изменением величины напряжения снижает момент и также увеличивает потери мощности. Регулировка частоты вращения путем изменения числа полюсов осуществляется ступенчато, кроме того, этот способ пригоден только для специальных многоскоростных двигателей с несколькими обмотками неподвижной части.

Асинхронный двигатель – самый распространенный электропривод технологического оборудования. Главная особенность таких электрических машин – постоянная скорость вращения вала. Ее регулировку осуществляют:

• Механическим способом. Для этого вал подключают к редукторам, муфтам и другим устройствам.
• Путем изменения числа пар полюсов, величины или частоты питающего напряжения обмоток статора.

Механическое регулирование усложняет кинематическую схему электропривода, ведет к потерям мощности и нерациональному расходу электроэнергии.

Наиболее перспективный метод регулирования уголовной скорости ротора – преобразование частоты питающего напряжения. Этот способ обеспечивает сохранение механических характеристик во всем диапазоне и обладает рядом других преимуществ.

Устройство и принцип работы частотного регулятора

Принцип частотного регулирования основан на зависимости угловой скорости вращения ротора от частоты напряжения на обмотках статора. С появлением IGBT-транзисторов и GTO-тиристоров наибольшее распространение получила схема преобразования частоты на базе широтно-импульсного модулятора.

Такие преобразователи частоты состоят:

• Из силового выпрямителя с С или LC фильтром для сглаживания пульсаций.
• Из инвертора на IGBT-транзисторах для преобразования постоянного напряжения в переменное, заданной частоты и амплитуды.
• Из блока управления для генерации отпирающих силовые транзисторы импульсов.

Переменное напряжение выпрямляется и преобразуется в постоянное, затем снова инвертируется в переменное. Частота на силовом выходе ПЧ определяется длительностью отпирающих силовые транзисторы импульсов, поступающих со схемы управления.

Такой способ регулирования позволяет изменять частоту и амплитуду напряжения в силовой цепи электродвигателя, а значит управлять скоростью вращения ротора и моментом на валу электрической машины.

Структура частотного регулятора

Большинство частотных преобразователей для электродвигателей до 690 В выполнены по схеме двухуровневых инверторов напряжения. Они позволяют моделировать напряжение питания необходимой формы, амплитуды частоты. Такие устройства состоят из неуправляемого выпрямителя, 2-х транзисторных ключей на каждую фазу и конденсатора. Выходное напряжение содержит высшие гармоники, которые сглаживаются индуктивной нагрузкой. Специальные фильтры применяют относительно редко.

К недостаткам такой схемы является ограничение величины выходного напряжения, которое определяется максимальным напряжением полупроводниковых устройств.

Для высоковольтных приводов используются многоуровневые схемы регулирования. Они состоят из нескольких однофазных инверторов, соединенных последовательно. Такая схема позволяет избежать резонансов, обеспечивает высокое быстродействие, снижает скорость нарастания напряжения. Такие ПЧ имеют модульную конструкцию. При выходе из строя одной из ячеек, ее легко заменить. К недостаткам этой схемы относятся необходимость отдельного источника питания для каждого модуля, функции которого выполняет трансформатор специального назначения.

Преобразователи частоты с плавающими конденсаторами позволяют обойтись без входного трансформатора и увеличивать число ячеек в зависимости от требуемой мощности. Такое решение обеспечивает снижение высших гармоник, уменьшает скорость нарастания напряжения.

Для регулировки скорости электродвигателей с повторно-кратковременным режимом работы частыми реверсами применяют инверторы тока. Эти устройства представляют собой управляемый выпрямитель и инвертор на тиристорах. Для уменьшения помех в цепи нагрузки в схему включается расщепленный индуктивный фильтр. Выходное напряжение таких устройств имеет форму аппроксимированной синусоиды. Для сглаживания его формы обязательно включение перед электродвигателем конденсаторов. Главное достоинство таких ПЧ – возможность рекуперации электроэнергии обратно в электросеть.

Прямые преобразователи частоты не содержат конденсаторов. Главное их преимущество – небольшие габариты и значительная мощность нагрузки. Такие устройства используются в составе мощных электроприводов работающих на низких скоростях. ПЧ этого типа выполнены на базе тиристорных преобразователей. На входе прямых ПЧ установлен фазосдвигающий трансформатор, устраняющий низшие гармоники и выполняющий функцию источника питания для каждого преобразователя. Прямые ПЧ требуют сложной схемы управления.

Состав частотных преобразователей

Кроме выпрямителя, ШИМ-модулятора и инвертора, в состав частотного преобразователя входят:

Устройство для ввода данных и обмена информаций с ПК, другими частотными преобразователями.

• Встроенная энергонезависимая память. В этом устройстве фиксируются аварийные отключения, изменения настроек, а также другие данные.
• Управляющий контроллер, обеспечивающий реализацию алгоритмов управления, обработку данных с датчиков, защитное отключение при ненормальных режимах работы.
• ЭМ-фильтр. Это устройство обеспечивает снижение реактивной высокочастотной составляющей, снижающей качество электроэнергии и отрицательно влияющей на работу электродвигателя.
• Вентилятор и радиатор для принудительного охлаждения и отвода тепла силовых транзисторов.
• Тормозной прерыватель и другие элементы.

Кроме аппаратной части, преобразователи частоты содержат программное обеспечение. Контроллеры с открытой логикой позволяют вносить изменения в стандартное ПО, поставляемое производителем, и самостоятельно программировать ПЧ.

Однофазные преобразователи частоты

Однофазные асинхронные электродвигатели широко применяются в качестве приводов насосных агрегатов, вентиляторов, маломощных станков. Для регулирования частоты вращения этих электрических машин применяются 2 основных способа:

• Изменение величины напряжения питания.
• Изменение частоты питающего напряжения.

Для регулирования питающего напряжения применяются трансформаторные, автотрансформаторные, тиристорные, симисторные и транзисторные преобразователи. Изменение частоты вращения путем регулирования напряжения имеет ряд серьезных недостатков:

• Увеличение скольжения и сильный нагрев обмоток статора.
• Узкий диапазон регулирования.

Кроме того, постоянная составляющая питающего напряжения на выходе тиристорных и симисторных устройств вызовает увеличение шума при работе, рывки и другие нежелательные явления.

Частотное регулирование лишено этих недостатков. Однофазные ПЧ применяются в холодильном оборудовании, системах вентиляции, бытовых насосах.

Такие электроприводы обеспечивают:

• Стабильную работу однофазного двигателя при любой частоте вращения.
• Снижение потребления электроэнергии.
• Возможность автоматической регулировки частоты вращения с обратной связью по изменению одного или нескольких технологических параметров.
• Удаленное управление и контроль характеристик.
• Защиту от ненормальных режимов работы и коротких замыканий.
• Интеллектуальное управление электродвигателем в соответствии с заданным алгоритмом.
• Возможность пуска без фазосдвигающего элемента.
• Поддержание необходимого момента на валу во всем диапазоне изменения скорости.

Кроме базовых составляющих, в состав однофазного преобразователя частоты входят ПИД-регулятор, ПЛК-контроллер, устройство для обмена данными с удаленным оборудованием, пульт дистанционного управления. При введении дополнительных настроек допустимо применение трехфазного ПЧ для однофазных двигателей переменного тока.

Таким образом, управление однофазными и трехфазными асинхронными электродвигателями путем изменения частоты значительно превосходит метод регулирования величины напряжения, механические способы.