Частотный преобразователь — виды, принцип действия, схемы подключения

Ротор любого электродвигателя приводится в движение под действием сил, вызванных вращающимся электромагнитным полем внутри обмотки статора. Скорость его оборотов обычно определяется промышленной частотой электрической сети.

Ее стандартная величина в 50 герц подразумевает совершение пятидесяти периодов колебаний в течение одной секунды. За одну минуту их число возрастает в 60 раз и составляет 50х60=3000 оборотов. Такое же число раз проворачивается ротор под воздействием приложенного электромагнитного поля.

Если изменять величину частоты сети, приложенной к статору, то можно регулировать скорость вращения ротора и подключенного к нему привода. Этот принцип заложен в основу управления электродвигателями.

Виды частотных преобразователей

По конструкции частотные преобразователи бывают:

1. индукционного типа;

Асинхронные электродвигатели, выполненные по схеме с фазным ротором и запущенные в режим генератора, являются представителями первого вида. Они при работе обладают низким КПД и отмечаются маленькой эффективностью. Поэтому они не нашли широкого применения в производстве и используются крайне редко.

Способ электронного преобразования частоты позволяет плавно регулировать обороты как асинхронных, так и синхронных машин. При этом может быть реализован один из двух принципов управления:

1. по заранее заданной характеристике зависимости скорости вращения от частоты (V/f);

2. метод векторного управления.

Первый способ является наиболее простым и менее совершенным, а второй используется для точного регулирования скоростей вращения ответственного промышленного оборудования.

Особенности векторного управления частотным преобразованием

Отличием этого способа является взаимодействие, влияние устройства управления преобразователя на «пространственный вектор» магнитного потока, вращающийся с частотой поля ротора.

Алгоритмы для работы преобразователей по этому принципу создаются двумя способами:

1. бессенсорного управления;

Первый метод основан на назначении определенной зависимости чередования последовательностей широтно-импульсной модуляции (ШИМ) инвертора для заранее подготовленных алгоритмов. При этом амплитуда и частота напряжения на выходе преобразователя регулируются по скольжению и нагрузочному току, но без использования обратных связей по скорости вращения ротора.

Этим способом пользуются при управлении несколькими электродвигателями, подключенными параллельно к преобразователю частоты. Потокорегулирование подразумевает контроль рабочих токов внутри двигателя с разложением их на активную и реактивную составляющие и внесение корректив в работу преобразователя для выставления амплитуды, частоты и угла для векторов выходного напряжения.

Это позволяет повысить точность работы двигателя и увеличить границы его регулирования. Применение потокорегулирования расширяет возможности приводов, работающих на малых оборотах с большими динамическими нагрузками, такими как подъемные крановые устройства или намоточные промышленные станки.

Использование векторной технологии позволяет применять динамическую регулировку вращающихся моментов к трехфазным асинхронным двигателям.

Принципиальную упрощенную электрическую схему асинхронного двигателя можно представить следующим видом.

На обмотки статора, обладающие активным R1 и индуктивным X1 сопротивлениями, приложено напряжение u1. Оно, преодолевая сопротивление воздушного зазора Хв, трансформируется в обмотку ротора, вызывая в ней ток, который преодолевает ее сопротивление.

Векторная диаграмма схемы замещения

Ее построение помогает понять происходящие процессы внутри асинхронного двигателя.

Энергия тока статора разделяется на две части:

iµ — потокообразующую долю;

iw — моментообразующую составляющую.

При этом ротор обладает активным сопротивлением R2/s, зависящим от скольжения.

Для бессенсорного управления измеряются:

По их значениям рассчитывают:

iµ — потокообразующую составляющую тока;

iw — моментообразующую величину.

В алгоритм расчета уже заложили электронную эквивалентную схему асинхронного двигателя с регуляторами тока, в которой учтены условия насыщения электромагнитного поля и потерь магнитной энергии в стали.

Обе этих составляющих векторов тока, отличающиеся по углу и амплитуде, вращаются совместно с системой координат ротора и пересчитываются в стационарную систему ориентации по статору.

По этому принципу подстраиваются параметры частотного преобразователя под нагрузку асинхронного двигателя.

Принцип работы частотного преобразователя

В основу этого устройства, которое еще называют инвертором, заложено двойное изменение формы сигнала питающей электрической сети.

Вначале промышленное напряжение подается на силовой выпрямительный блок с мощными диодами, которые убирают синусоидальные гармоники, но оставляют пульсации сигнала. Для их ликвидации предусмотрена батарея конденсаторов с индуктивностью (LC-фильтр), обеспечивающая стабильную, сглаженную форму выпрямленному напряжению.

Затем сигнал поступает на вход преобразователя частоты, который представляет собой мостовую трехфазную схему из шести силовых транзисторов серии IGBT или MOSFET с диодами защиты от пробоя напряжений обратной полярности. Используемые ранее для этих целей тиристоры не обладают достаточным быстродействием и работают с большими помехами.

Для включения режима «торможения» двигателя в схему может быть установлен управляемый транзистор с мощным резистором, рассеивающим энергию. Такой прием позволяет убирать генерируемое двигателем напряжение для защиты конденсаторов фильтра от перезарядки и выхода из строя.

Способ векторного управления частотой преобразователя позволяет создавать схемы, осуществляющие автоматическое регулирование сигнала системами САР. Для этого используется система управления:

2. ШИМ (широтного импульсного моделирования).

Метод амплитудного регулирования основан на изменении входного напряжения, а ШИМ — алгоритма переключений силовых транзисторов при неизменном напряжении входа.

При ШИМ регулировании создается период модуляции сигнала, когда обмотка статора подключается по строгой очередности к положительным и отрицательным выводам выпрямителя.

Поскольку частота такта генератора довольно высокая, то в обмотке электродвигателя, обладающего индуктивным сопротивлением, происходит их сглаживание до синусоиды нормального вида.

Способы ШИМ управления позволяют максимально исключить потери энергии и обеспечивают высокий КПД преобразования за счет одновременного управления частотой и амплитудой. Они стали доступны благодаря развитию технологий управления силовыми запираемыми тиристорами серии GTO или биполярных марок транзисторов IGBT, обладающих изолированным затвором.

Принципы их включения для управления трехфазным двигателем показаны на картинке.

Каждый из шести IGBT-транзисторов подключается по встречно-параллельной схеме к своему диоду обратного тока. При этом через силовую цепь каждого транзистора проходит активный ток асинхронного двигателя, а его реактивная составляющая направляется через диоды.

Для ликвидации влияния внешних электрических помех на работу инвертора и двигателя в конструкцию схемы преобразователя частоты может включаться помехозащитный фильтр, ликвидирующий:

наводимые работающим оборудованием электрические разряды.

Их возникновение сигнализирует контроллер, а для уменьшения воздействия используется экранированная проводка между двигателем и выходными клеммами инвертора.

С целью улучшения точности работы асинхронных двигателей в схему управления частотных преобразователей включают:

ввода связи с расширенными возможностями интерфейса;

информационный Led-дисплей, отображающий основные выходные параметры;

тормозной прерыватель и встроенный ЭМС фильтр;

систему охлаждения схемы, основанную на обдуве вентиляторами повышенного ресурса;

функцию прогрева двигателя посредством постоянного тока и некоторые другие возможности.

Эксплуатационные схемы подключения

Частотные преобразователи создаются для работы с однофазными или трехфазными сетями. Однако, если есть промышленные источники постоянного тока с напряжением 220 вольт, то от них тоже можно запитывать инверторы.

Трехфазные модели рассчитываются на напряжение сети 380 вольт и выдают его на электродвигатель. Однофазные же инверторы питаются от 220 вольт и на выходе выдают три разнесенных по времени фазы.

Схема подключения частотного преобразователя к двигателю может быть выполнена по схемам:

Обмотки двигателя собираются в «звезду» для преобразователя, запитанного от трехфазной сети 380 вольт.

По схеме «треугольник» собирают обмотки двигателя, когда питающий его преобразователь подключен к однофазной сети 220 вольт.

Выбирая способ подключения электрического двигателя к преобразователю частоты надо обращать внимание на соотношение мощностей, которые может создать работающий двигатель на всех режимах, включая медленный, нагруженный запуск, с возможностями инвертора.

Нельзя постоянно перегружать частотный преобразователь, а небольшой запас его выходной мощности обеспечит ему длительную и безаварийную работу.

Преобразователь частоты для электродвигателя: назначение, свойства, схемы подключения

Электродвигатели — составляющая часть бытовой и строительной техники, производственного оборудования. Небольшой мощности моторы стоят в кулерах, обеспечивающих охлаждение компьютерной техники и электронных устройств. Но далеко не все хорошие и дешевые двигатели могут работать с разной скоростью, а это ограничивает область их применения. Частотный преобразователь для электродвигателя как раз и предназначен для того, чтобы обойти эту сложность. Этот прибор изменяет частоту электрического тока, что позволяет решить многие проблемы.

Частотный преобразователь для электродвигателя: назначение и функции

Инверторный преобразователь частоты — электронное устройство для изменения частоты электрического тока и напряжения. Пределы изменений солидные. Частота может меняться от 1 Гц до 500 Гц. И это не максимум, а предел регулировки нормального частотника. Современные частотные инверторы делают на основе электроники, что позволяет точно поддерживать частоту и напряжение. При желании можно создать условия для плавного старта. Все это позволяет применять относительно недорогие электромоторы постоянного тока там, где раньше это было невозможно.

Некоторые частотные преобразователи управляются микропроцессорами

Частотный инвертор с асинхронным электромотором

Асинхронные двигатели при включении потребляют в разы больше энергии чем при штатной работе. Пусковые токи могут быть в 6-8 раз выше рабочих. Такие мгновенные скачки просаживают сеть. Напряжение резко падает, потом также скачкообразно восстанавливается. При включении особо мощного движка, сетевые параметры изменяются настолько сильно, что воспринимаются чувствительной техникой как пропадание. В результате перезапускается компьютерная техника, моргают или совсем гаснут лампы, перегорают блоки питания у котлов отопления и т.д.

Раньше остроту проблемы снижали установкой конденсаторов, которые сглаживали скачки. Но конденсаторы требуются большой емкости — по 70 мкФ на каждый киловатт мощности, плюс такую же емкость необходимо подключать для нейтрализации пускового тока. Но даже в этом случае скачки были, как и перегрузки двигателя на старте. К тому же подключение через емкость «съедало» значительную часть мощности мотора. Для компенсации потери необходимо было покупать более мощные агрегаты, ставить более мощные пусковые конденсаторы. В общем, решение не лучшее, но другого по сути, не было.

Преобразователи частоты выбирают по мощности подключаемого оборудования (должен быть запас не менее 20%) и по току (тоже с запасом)

С появлением преобразователей частоты (ПЧ) проблема решается намного эффективнее. Основная функция этого оборудования — плавный и постепенный разгон двигателя с нуля до полной мощности. На протяжении определенного промежутка времени (может задаваться, а может быть фиксированной величиной), подаваемый на двигатель ток плавно изменяет свои параметры, выводя движок на рабочий режим. Никаких перегрузок, влияния на сети. И конденсаторы не нужны, значит мощность двигателя может быть примерно на 40% меньше чем раньше (именно настолько она снижалась с конденсаторами). Точно так же, постепенно, происходит отключение. Электромотор постепенно замедляется, затем останавливается. В общем, частотный преобразователь для электродвигателя продлевает срок его эксплуатации, убирает проблему пусковых токов, стабилизирует параметры сети.

Что дает применение частотного инвертора с синхронным двигателем

Синхронные электродвигатели постоянного тока имеют несложное устройство, после выхода на требуемую скорость работают стабильно. Недостатки — сложности с пуском и невозможность регулирования частоты вращения вала. Проблему пуска давно научились обходить — делают асинхронную пусковую обмотку, которой разгоняют до нужной частоты. А вот невозможность менять скорость очень сильно ограничивает область применения. Не так много устройств, в которых нет необходимости в разных скоростных режимах работы двигателя. Это вентсистемы, кулеры.

Таблица с несколькими моделями, их параметрами и ценами

Если с синхронным электродвигателем использовать частотный преобразователь, проблема изменения скоростей решается на раз. Причем эта связка работает настолько удачно, что японцы уже выпустили новые электропоезда на такой тяге. Стало появляться и другое подобное оборудование. Причем не только тяговое — новые электроинструменты некоторые производители стали выпускать с такими моторами. Да, стоит такое оборудование дороже, но имеет хороший КПД, работает стабильно.

Принцип работы

Частотный преобразователь — это устройство, которое плавно изменяет частоту исходного напряжения. Есть устройства, работающие как от однофазной (220 В), так и от трехфазной сети (380 В). Предел изменения частоты — от 0,1 Гц до 500 Гц. Существуют преобразователи двух типов — индукционного и электронного. Индукционные имеют невысокий КПД, так что используются реже. Практически все современные частотные преобразователи — электроника с системой управления и контроля.

Как работает преобразователь частоты с электродвигателем? Известно, что вал асинхронного электрического двигателя с короткозамкнутым ротором вращается со скоростью, которая зависит от частоты питающего напряжения. Частота вращения ротора определяется по следующей формуле:

n = 60 * f / p

где n — частота вращения ротора; f — частота питающего напряжения, p — число пар полюсов статора. Как видите, зависимость прямая. Чем выше частота питающего напряжения, тем быстрее вращается ротор, чем меньше частота, тем медленнее вращение. Вот на этой зависимости и построено управление асинхронным двигателем при помощи преобразователя частоты, его плавный старт и останов. Осталось разобраться как частотный регулятор это делает.

Устройство частотного преобразователя

Работает частотный преобразователь для электродвигателя следующим образом:

1. Сетевое напряжение подается на выпрямитель, где преобразуется в постоянное.
2. На блоке инвертора из постоянного напряжения формируются полярные импульсы (положительные и отрицательные) требуемой частоты. Импульсы формируются по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
3. Импульсы преобразуются в синусоиду той же частоты.

Как видите, устройство не слишком сложное, но это базовый набор блоков. В более сложные модели встраиваются дополнительные, обеспечивающие контроль параметров и защиту.

Блок-схема частотного преобразователя

Основной узел частотного преобразователя для электродвигателей — инвертор. Его собирают не основе IGBT транзисторов. Включая и выключая их, из постоянного напряжения формируем импульсы. Задавая частоту включения и выключения, на выходе получаем импульс с заданной частотой.

Если изменять скважность импульсов — отношение длительности периода к длительности импульса — меняется площадь импульса, а значит, и напряжение на выходе. Вот и получаем возможность используя частотный преобразователь для электродвигателя менять не только частоту, но и напряжение.

Последний блок — сглаживающий импульсы и превращающий их в синусоиду — присутствует далеко не всегда. Частота импульсов на выходе инверторного блока может достигать нескольких килогерц. А обмотки двигателя имеют высокую индуктивность, и сами работают как выходной фильтр.

Применение

Основные плюсы применения частотного преобразователя для электродвигателя — снижение влияния старта и торможения, возможность плавного регулирования скорости. Это дает возможность управлять работой двигателя без останова. Кроме этого, можно управлять группой двигателей, подключать движок на 220 В к сети 380 В и наоборот. Все это можно делать с асинхронными двигателями:

• Вентиляторы, швейные машины.
• Насосы, дымососы, компрессоры.
• Центрифуги.
• Крупная строительная техника (бетономешалки, манипуляторы и т.д.).
• Токарные или фрезерные станки.

Любой электрический двигатель при подключении через частотный преобразователь работает стабильно. Ведь большая часть устройств позволяет подобрать нужный режим питания для обеспечения нормальной работы.

Выпускают разной мощности — от нескольких ватт до десятков киловатт

Преобразователь частоты может работать и с синхронными двигателями. Но выбирать его надо ориентируясь на потребляемый ток. Как правило, мощность ПЧ получается завышенной, но с этим ничего не поделаешь. Иначе работать двигатель не будет. И стоит иметь в виду, что синхронный двигатель при работе на повышенных частотах (выше 50 Гц) будет сильно шуметь, быстрее изнашиваться.

Классификация и виды

Все частотные преобразователи для электромоторов условно можно разделить на несколько групп:

• Индивидуальные. Разработаны под какой-то определенный тип и характеристики мотора.
• Универсальные. Благодаря возможности изменять параметры могут работать с различными двигателями.
• Специализированные. Разрабатываются для конкретных типов оборудования. Например, преобразователи для насосных станций (насосов) и вентиляторов (Mitsubishi FR-F740).
• Интеллектуальные. Имеют встроенный персональный компьютер, имеют функции самодиагностики. ПЧ сам следит за состоянием изнашиваемых частей и сообщает о необходимости из замены, когда ресурс подходит к концу.

Самые дешевые — индивидуальные. Но они могут работать только исключительно с моторами одного типа/мощности. Специализированные тоже имеют довольно ограниченный диапазон подключаемого оборудования. Универсальные, с этой точки зрения, хороши, но стоит они значительно дороже (сложнее схема и больше компонентов).

Выбирать надо под конкретное устройство

Но, все-таки, самые дорогие — интеллектуальные. Многие из них управляться могут при помощи сенсорной панели, а не набора регуляторов. Кроме того, большинство моделей имеет пульт дистанционного управления. Это удобно, так как частотный регулятор может быть установлен далеко. Обычно их ставят в шкафах или где-то на вводе. При наличии пульта ДУ можно регулировать работу, находясь возле двигателя и не бегая к шкафу.

Выбор по мощности

Главный критерий выбора частотного преобразователя для электродвигателя — мощность. Частотник не должен быть менее мощным чем управляемый им двигатель. Мощнее быть может, слабее — нет. Но все не так просто, так как конкретное соотношение мощностей зависит от типа оборудования, к которому будет подключаться преобразователь. Частотный преобразователь для электродвигателя с двумя парами полюсов, должен иметь мощность:

• равную двигателю, если движок работает постоянно (транспортеры);
• не ниже 150% от мощности, если движок работает с перегрузкой;
• не менее 120% от мощности движка для центробежных насосов и вентиляторов;
• для управления моторами подъемной техники, может понадобиться двукратное превышение мощности.

При выборе стоит обратить внимание на описание ПЧ, так как производители часто нормируют нагрузки на постоянный и переменный момент. В некоторых есть отдельные линейки под работу с постоянным и переменным моментом. Например, частотные преобразователи Delta (Дельта).

Мощность и потребляемый ток — два основных критерия выбора

Кроме этого, необходимо отслеживать такие параметры:

• Номинальный длительный ток преобразователя частоты должен быть не меньше рабочего потребления тока управляемого оборудования.
• Если подключаться будет несколько двигателей, ток ПЧ должен быть не менее чем на 25% больше суммарно потребляемого подключенными устройствами.

Если надо обеспечить быстрый разгон устройств, лучше выбрать более мощный преобразователь — он быстрее справляется с задачей.

Дополнительные функции и параметры

Современный частотный преобразователь для электродвигателя — сложное устройство. Если он выполнен на базе процессора, то функций имеет немало. Даже недорогие модели могут обладать широкой функциональностью. Для оправданного выбора стоит знать, что означает каждый из параметров и для чего нужна та или иная функция.

• Выходная частота или диапазон ее изменения. Тут все понятно. Этим параметром описываются возможности изменения частоты на выходе.
• Пределы регулирования напряжения. Вопросов тоже не возникает.
• Тип преобразования частоты. Может быть векторным и скалярным. Скалярный используется в более простых моделях. Параметры отслеживаются по соотношению напряжения и частоты. Векторный тип преобразования частоты в ЧМ подстраивает работу так, чтобы по отношению к нагрузке, момент вращения был постоянным. Такой способ управления более сложный и надежный, используется в более дорогих моделях.
• Наличие ПИД-регулятора. Удерживает давление, температуру и скорость в заданных пределах (выставляются при помощи ручки или программируются). Для связи с другими средствами управления должен иметь сигнальные выводы (аналоговые и/или цифровые).
• Юстировка скорости. Помогает при смене или скачках питания стабилизировать работу двигателя.

Перечень характеристик преобразователя частоты SV015IG5A-4

Кроме параметров и дополнительных возможностей, на работу влияет качество сборки. Естественно, лучше брать оборудование известных производителей. Хорошо себя зарекомендовали ABB, Siemens, Mitsubishi, Omron. Но их частотники дешевыми назвать нельзя. Если нужно сэкономить и внешний вид не так важен, обратите внимание на отечественных и белорусских производителей. Внешнее оформление, как водится, желает быть лучше, а характеристики и стабильность работы неплохие.

Особенности эксплуатации двигателей с частотными преобразователями

Как уже сказано выше, используя частотный преобразователь для электродвигателя, снижаем потери мощности за счет снижения реактивной составляющей тока. Кроме того, есть некоторые моменты, которые необходимо знать:

• При работе на сниженных оборотах возможен перегрев двигателя. Это происходит за счет снижения скорости естественного обдува. Особенно заметен перегрев на скоростях, близких к номинальным. Для снижения температуры в таком случае желательно использовать дополнительный обдув.
• При работе стандартного электромотора (на 50 Гц) на повышенных скоростях вращения, стоит учитывать состояние подшипников. Из-за возникающей более сильной вибрации они быстрее выходят из строя. Для нивелирования этого явления можно использовать виброгасящие подкладки. Кроме того, частоту надо выбирать так, чтобы не возникало резонанса. И учтите: на повышенных скоростях шуметь вентилятор электромотора будет больше.

Надо учитывать особенности работы

Частотный преобразователь для электродвигателя расширяет возможности его использования. Это важно, но не менее важно правильно его подобрать, учитывая все особенности работы. Это гарантирует длительную эксплуатацию обоих устройств.

Подключение к электродвигателю

Для обеспечения безопасной работы, перед частотным преобразователем желательно ставить автомат защиты. Причем на трехфазную сеть нужен трехфазный автомат, а не три отдельных однофазных. Это позволит быстро отключить сразу все фазы как при перегрузке проводки, так и при перекосе на одной из фаз. Номинал автоматов выбирают по току нагрузки.

Подключение нулевого и заземляющего проводников обязательно. Тянут их от соответствующих шин напрямую — при помощи провода требуемого сечения. Для защиты человека и контроля за состоянием изоляции, в схему желательно добавить еще УЗО (устройство защитного отключения). Его включают перед автоматом. При возникновении тока утечки, УЗО одновременно разорвет фазы и ноль, полностью обесточив схему.

Схема разрабатывается в зависимости от назначения устройства с которым работает электродвигатель

При покупке дешевых моделей преобразователей, для пуска и останова может понадобиться установка специального реле, фиксирующего контакты в нужном положении. В этом случае с выхода автомата провода подаются на реле, а с его выхода идут на частотный преобразователь. Само подключение двигателей к ПЧ происходит напрямую.

Схема подключения частотного преобразователя для двух электродвигателей

Как известно, асинхронные двигатели могут работать как с однофазным, так и с трехфазным напряжением. Перед подключением движка к преобразователю частоты, надо проверить как подключены обмотки. Они должны быть:

• «звездой» — если напряжение на выходе ПЧ трехфазное;
• «треугольником» — если преобразователь выдает однофазное питание.

Частотный преобразователь для электродвигателя: подключение напрямую возможно не для всех двигателей

Частотный преобразователь для электродвигателя подключается при помощи кабелей (не проводов), сечение и параметры которых соответствуют параметрам устройства. Эти данные, как и рекомендации по подключению, должны быть в паспорте прибора. Так что внимательно проштудируйте мануал. Это может спасти от многих неприятностей. Все-таки могут быть особенности.

Первый пуск и настройка

Перед первым включением собранной схемы, на преобразователе частоты выставляется минимально возможная скорость вращения вала. После этого включаем автомат, подаем питание на инверторный преобразователь частоты. На нем должны загореться светодиоды. В моделях с дисплеем, на экране отобразятся стартовые показатели прибора. Далее действия такие:

• Кратковременно нажимаем кнопку «пуск» на частотнике.
• Вал начинает медленно вращаться. Если он движется не в ту сторону, можно либо перепрограммировать направление вращения (смотрим в инструкции), либо перекинуть фазы предварительно отключив автомат.
• Если вал вращается в нужном направлении, при помощи регулятора задаем требуемую частоту.

В некоторых моделях на экране отображается не частота вращения вала, а частота подаваемого напряжения. Если это так, необходимо будет по таблице пересчитывать значения.