Частотный преобразователь для изменения оборотов двигателя

Изменение скорости вращения электродвигателя при помощи кнопок

В данной статье будет рассмотренна настройка преобразователя частоты для изменения частоты вращения при помощи кнопок.

Для ввода преобразователя частоты Danfoss в эксплуатацию необходимо выполнить следующие действия:

1. Выполнить монтаж с соблюдением норм безопасности!
2. Проверить параметры оборудования (параметры сети, входа питание ПЧ, двигателя)
3. Проверить условия установки и эксплуатации преобразователя частоты (отсутствие пыли и влаги, температурный режим и установочные зазоры).
4. Электрический монтаж осуществить в соответствии с схемой подключения указанной на рисунке 1

Рисунок 1. Принципиальная электрическая схема подключения преобразователя частоты VLT Micro Drive

Преобразователи частоты. Видео

В этом разделе можно познакомиться с видеоматериалами по преобразователям частоты, представленными на нашем сайте. Надеемся, что инструкции по настройке частотных преобразователей, информация по функциональным особенностям конкретных моделей и примеры применения данного оборудования в различных сферах будут вам полезны. Если у вас есть интересные видоматериалы по данной тематике, мы готовы разместить их в этом разделе со ссылкой на первоисточник

Обзор принципов работы преобразователей частоты (инверторов). Рассматривается структура, принцип работы скалярных преобразователей частоты, а также схема самодельного ПЧ.

Преобразователь сетевого напряжения 220В в трехфазное напряжение для питания трехфазных двигателей. Или три фазы в доме.

К новым полностью управляемым полупроводниковым приборам относятся биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и запираемые тиристоры с комбинированным управлением. На их основе стало возможным создание преобразователей частоты для питания двигателей переменного тока и плавного регулирования их скорости вращения. В данном разделе будут рассмотрены характеристики новых силовых полупроводниковых приборов и приведены их параметры.

Преобразователи частоты Delta Electronics способны эффективно управлять частотой вращения двигателя, улучшить машинную автоматизацию и экономить электроэнергию. В номенклатуру инверторов Delta Electronics входят серии экономичных и компактных частотников, универсальных общепромышленных и ряд частотников для специализированных применений (лифтов, насосов и вентиляторов).

Преобразователи частоты серии Frenic Multi предназначены для решения широкого спектра задач в различных отраслях промышленности.

Обладают высокой функциональностью,что позволяет использовать их для решения широкого спектра задач. Эта серия оснащена специализированными функциями ограничения момента и ограничения тока.

Серия общепромышленных преобразователей частоты Frenic Mega, вобравшая в себя все последние достижения фирмы Fuji Electric в области приводной техники, разработанная для широкого спектра задач. Высокая точность, динамика, возможность позиционирования и синхронизации позволит решить любые задачи управления.

Наиболее эффективным способом регулирования скорости асинхронного двигателя является изменение частоты и амплитуды трехфазного напряжения, прикладываемого к обмоткам асинхронного двигателя. Этот способ регулирования в последние годы получил самое широкое применение для электроприводов различного назначения, как низковольтных с напряжением до 400 В, так и высоковольтных большой мощности напряжением 6,0 и 10,0 кВ.

Применение преобразователей частоты в жилищно-коммунальных хозяйствах. Применение частотных преобразователей позволит снизить финансовые издержки на оплату электроэнергии в коммунальном хозяйстве, а следовательно, обеспечит стабильные тарифы на тепловую энергию, водоснабжение для населения страны.

Altivar Machine ATV340 — преобразователь частоты для трехфазных двигателей мощностью от 0,75 до 75 кВт, разработанные специально для производителей высокопроизводительного оборудования с повышенными требованиями к перегрузкам.

Частотные преобразователи. Работа и устройство. Типы и применение

Ротор электродвигателя начинает свое вращение с помощью электромагнитных сил от вращающегося магнитного поля, вызванного обмоткой якоря. Число оборотов определяется частотой тока в сети. Стандартное значение частоты тока составляет 50 герц. Это означает, что 50 периодов колебаний совершается за 1 секунду. В минуту число колебаний составит 50 х 60 = 3000. Значит, ротор будет вращаться 3000 оборотов в минуту.

Если научиться изменять частоту тока, то появится возможность регулировки скорости двигателя. Именно по этому принципу действуют частотные преобразователи.

Современное исполнение преобразователей частоты выглядит в виде высокотехнологичного устройства, состоящего из полупроводниковых приборов, совместно с микроконтроллером электронной системы. С помощью этой системы управления изменяются важные параметры электродвигателя, например, число оборотов.

Изменить скорость привода можно и с помощью механического редуктора шестеренчатого типа, либо на основе вариатора. Но такие механизмы имеют громоздкую конструкцию, их нужно обслуживать. С использованием частотника (инвертора) снижается расход на техническое обслуживание, повышается функциональность привода механизма.

По конструктивным особенностям частотные преобразователи делятся:

• Индукционные.
• Электронные.

Электродвигатели асинхронного типа с фазным ротором, подключенные в режим генератора, представляют подобие индукционного частотного преобразователя. Они имеют малые КПД и эффективность. В связи с этим такие виды преобразователей не нашли популярности в использовании.

Электронные виды частотников дают возможность плавного изменения оборотов электродвигателей.

При этом реализуются два возможных принципа управления:

1. По определенной зависимости скорости от частоты тока.
2. По способу векторного управления.

Первый принцип самый простой, но не совершенный. Второй принцип применяется для точного изменения оборотов двигателя.

Конструктивные особенности

Рис. 1

Частотные преобразователи имеют в составе основные модули:

• Выпрямитель.
• Фильтр напряжения.
• Инверторный узел.
• Микропроцессорная система.

Все модули связаны между собой. Действие выходного каскада (инвертора) контролирует блок управления, с помощью которого меняются свойства переменного тока. Частотный преобразователь для электромотора имеет свои особенности. В его состав входит несколько защит, управление которыми осуществляется микроконтроллером. Например, проверяется температура полупроводников, работает защита от превышения тока и короткого замыкания. Частотник подключается к сети питания через устройства защиты. Для запуска электродвигателя не нужен магнитный пускатель.

Выпрямитель

Это первый модуль, по которому проходит ток. Он преобразует переменный ток в постоянный, благодаря полупроводниковым диодам. Особенностью частотника является возможность его питания от однофазной сети. Разница в конструкции состоит в разных типах выпрямителей.

Если мы говорим про однофазный частотник для двигателя, то нужно использовать в выпрямителе четыре диода по мостовой схеме. При трехфазном питании выбирается схема из шести диодов. В итоге получается выпрямление переменного тока, появляется два полюса: плюс и минус.

Фильтр напряжения

Из выпрямителя выходит постоянное напряжение, которое имеет значительные пульсации, заимствованные от переменного тока. Для их сглаживания используют такие элементы, как электролитический конденсатор и катушка индуктивности.

Катушка имеет много витков, и обладает реактивным сопротивлением. Это дает возможность сглаживать импульсы тока. Конденсатор, подключенный к двум полюсам, имеет интересные характеристики. При прохождении постоянного тока он в силу закона Киргофа должен быть заменен обрывом, как будто между полюсами ничего нет. При прохождении переменного тока он должен быть проводником, то есть, не иметь сопротивления. В результате доля переменного тока замыкается и исчезает.

Инверторный модуль

Это узел, имеющий наибольшую важность в преобразователе частоты. Он изменяет параметры тока выхода, состоит из шести транзисторов. Для каждой фазы подключены по два транзистора. В каскаде инвертора применяются современные транзисторы IGBT.

Если изготавливать частотные преобразователи своими руками, то необходимо выбирать элементы конструкции, исходя из мощности потребления. Поэтому нужно сразу определить тип электродвигателя, который будет питаться от частотника.

Микропроцессорная система

В самодельной конструкции не получится добиться таких параметров, имеющихся у заводских моделей, так как в домашних условиях сделать управляющий модуль сложно. Дело не в пайке деталей, а в создании программы для микроконтроллера. Простой способ – это сделать управляющий блок, которым можно регулировать обороты двигателя, осуществлять реверс, защищать двигатель от перегрева и перегрузки по току.

Чтобы изменить обороты мотора, нужно применить переменное сопротивление, подключенное к вводу микроконтроллера. Это устройство подает сигнал на микросхему, которая производит анализ изменения напряжения и сравнивает его с эталоном (5 вольт). Система действует по алгоритму, который создается до начала создания программы. По нему действует микропроцессорная система.

Приобрели большую популярность управляющие модули Siemens. Частотные преобразователи этой фирмы надежны, могут применяться для любых электродвигателей.

Принцип действия

Основа работы инвертора состоит в двойном изменении формы электрического тока.

Напряжение подается на блок выпрямления с мощными диодами. Они удаляют гармонические колебания, однако оставляют импульсы сигнала. Чтобы их удалить, подключен конденсатор с катушкой индуктивности, образующие фильтр, который стабилизирует форму напряжения.

Далее, сигнал идет на частотный преобразователь. Он состоит из шести мощных транзисторов с диодами, защищающими от пробоя напряжения. Ранее для таких целей применялись тиристоры, но они не обладали таким быстродействием, и создавали помехи.

Чтобы подключить режим замедления мотора, в схему устанавливают транзистор управления с резистором, который рассеивает энергию. Такой способ дает возможность удалять образуемое двигателем напряжение, чтобы защитить емкости фильтра от выхода из строя вследствие перезарядки.

Метод управления векторного типа частотой инвертора дает возможность создания схемы, которая автоматически регулирует сигнал. Для этого применяется управляющая система:

• Амплитудная.
• Широтно-импульсная.

Амплитудная регулировка работает на изменении напряжения входа, а ШИМ – порядка действия переключений транзисторов при постоянном напряжении на входе.

При регулировании ШИМ образуется период модуляции, когда обмотка якоря подключается по очереди к выводам выпрямителя. Так как тактовая частота генератора высокая и находится в интервале 2-15 килогерц, то в обмотке мотора, имеющего индуктивность, осуществляется сглаживание напряжения до нормальной синусоиды.

Принцип подключения ключей на транзисторах

Каждый из транзисторов включается по встречно-параллельной схеме к диоду (Рис. 1). Через цепь транзистора протекает активный ток электродвигателя, реактивная часть поступает на диоды.

Чтобы исключить влияние помех на действие инвертора и электродвигателя, в схему подключают фильтр, который удаляет:

• Радиопомехи.
• Помехи от электрооборудования.

Об их образовании дает сигнал контроллер, чтобы снизить помехи, применяются экранированные провода от двигателя до выхода инвертора.

Чтобы оптимизировать точность функционирования асинхронных двигателей, в цепь управления инверторов подключают:

• Ввод связи.
• Контроллер.
• Карта памяти.
• Программа.
• Дисплей.
• Тормозной прерыватель с фильтром.
• Охлаждение схемы вентилятором.
• Прогрев двигателя.

Схемы подключения

Частотные преобразователи служат для работы в 1-фазных и 3-фазных сетях. Но если имеются промышленные источники питания на 220 вольт постоянного тока, то инверторы также можно подключать к ним.

Частотные преобразователи для 3-фазной сети рассчитаны на 380 вольт, их подают на мотор. 1-фазные частотники работают от сети 220 вольт, выдают на выходе 3 фазы. Частотник может подключаться к электродвигателю по схеме звезды или треугольника.

Обмотки мотора соединяются в «звезду» для частотника, работающего от трех фаз 380 вольт.

Обмотки двигателя соединяют «треугольником», когда инвертор запитан от 1-фазной сети.

При выборе метода подключения электродвигателя к частотнику необходимо определить мощности, которые создает двигатель на разных режимах, в том числе и медленный режим, тяжелый запуск. Преобразователь частоты нельзя эксплуатировать с перегрузкой длительное время. Его мощность должна быть с запасом, тогда работа будет без аварий, и срок службы продлится.

Скважинные насосы ЭЦВ

от 23 100 руб.

Узел прохода УП3-13 — 9200 руб.

Eco Flowatсh — 2600 руб.
Mini Flowatch — 4250 руб.
экономичная модель

по цене 8250 руб.

Вопросы выбора частотного преобразователя

♦ Таблица подбора частотных преобразователей по мощности и по току в формате Excel ♦

Мощность преобразователя частоты

Одним из наиболее важных параметров электропривода является его мощность. По этой причине при выборе частотного преобразователя, в первую очередь, следует определится с его нагрузочной способностью. В соответствии с имеющейся номинальной мощностью двигателя выбирается преобразователь частоты, рассчитанный на такую же мощность. И такой выбор будет являться правильным при условии, что нагрузка на валу не будет динамично изменяться, ток не будет значительно превышать номинальное установленное значение, как для данного двигателя, так и преобразователя. Поэтому более корректным было бы производить выбор по максимальному значению тока потребляемого двигателем от частотного преобразователя с учетом перегрузочной способности последнего. Обычно способность к перегрузкам указывается в процентах от номинального тока совместно с максимально допустимым временем действия данной перегрузки до активации непосредственной защиты. Таким образом, для правильного выбора нужно знать характер перегрузок именно вашего механизма, в частности: каков уровень перегрузок, какова их длительность и как часто они появляются.

Питающее напряжение

Не менее важным является вопрос о питающем напряжении. Наиболее распространенный случай — это питание от трехфазной промышленной сети 380В, но возможны варианты, когда привод рассчитан на работу от однофазной сети 220-240В. Как правило, последний ограничивается рядом мощностей до 3,7кВт. Существуют варианты и высоковольтного привода, дающие возможность управлять более мощными двигателями, с мощностями измеряющимися уже в МВт, при относительно меньших значения тока. Каждый из вариантов применим для различного рода решений, и зависит как от возможностей электроснабжения, так и от ряда возможностей обусловленных применением соответствующего привода.

Диапазон регулирования

Если скорость не будет падать ниже 10% от номинальной, то подойдет практически любой частотный преобразователь двигателя, но если нужно снижать скорость и далее, обеспечивая при этом номинальный момент на валу, нужно убедиться в способности частотного преобразователя двигателя обеспечить работу на частотах, близких к нулю. Кроме того, с диапазоном регулирования частоты вращения связан еще один вопрос, который требует решения, — охлаждение двигателя. Обычно асинхронный двигатель (с самовентиляцией) охлаждается вентилятором, закрепленным на его валу, поэтому при снижении скорости эффективность охлаждения резко падает. Некоторые преобразователи частоты снабжены функцией контроля теплового режима с помощью обратной связи через датчик температуры установленного на самом двигателе. Существуют и другие варианты решения данного вопроса, но уже без использования частотного преобразователя.

Режим торможения

Торможение выбегом (инерционное торможение), аналогично отключению двигателя от питающей сети, при этом процесс может занять продолжительное время. Особенно если это высокоинерционные механизмы. С помощью частотного преобразователя можно осуществить останов или торможение двигателя с переходом на более низкую скорость работы за более короткий промежуток времени. Возможно несколько вариантов:

• отдать в сеть электроэнергию (режим рекуперативного торможения);
• выполнить остановку подачей на обмотки статора напряжения более низкой частоты или постоянного напряжения, тогда избыток запасенной кинетической энергии выделится в виде тепла через радиаторы преобразователя частоты и сам двигатель (режим торможения постоянным током);
• выполнить остановку или торможение с использованием тормозного прерывателя и комплекта тормозных резисторов.

Целесообразность применения того или иного метода рассматривается в основном с точки зрения экономической выгоды. Так рекуперация в сеть более выгодна в плане экономии электроэнергии, привод с использованием тормозного сопротивления — более дешевое техническое решение, торможение двигателем вообще не требует дополнительных затрат, но в свою очередь возможно только при малых мощностях.

Способы управления электродвигателем

Некоторые механизмы должны управляться от задающего сигнала на условиях плавного изменения оборотов двигателя, а в некоторых случаях требуется работа на фиксированных скоростях. Причем, и в том и другом случае возможно управление, как с пульта управления преобразователя, так и с использованием клемм цепей управления преобразователя, кнопок, переключателей и потенциометров. При реализации последнего варианта необходимо убедиться в достаточном количестве требуемых входов. В случае использования внешнего управляющего устройства (контроллера, логического реле и т.д.), необходимо убедиться в согласовании по техническим параметрам. Обычно это токовые или вольтовый сигналы с диапазонами 0%u202620мА, 4%u202620мА и 0%u202610В соответственно. Если управление преобразователем происходит по сети, то необходимы наличие соответствующего интерфейса и поддержка соответствующего протокола передачи данных. Управление двигателем может проходить автоматически, для этого необходимо наличие ПИД-регулятора и возможность организовать обратную связь от датчика контролируемого параметра

Индикация параметров

Как правило, любой преобразователь частоты имеет панель с дисплеем и необходимыми органами управления для проведения пуско-наладки и управления частотным преобразователем. Этот же дисплей в процессе функционирования преобразователя возможно использовать для отображения каких-либо параметров. Дисплеи могут отличаться количеством строчек, а значит, информативностью, типом самого дисплея (семисегментный индикаторный либо жидкокристаллический). В случае невозможности во время работы наблюдать параметры на дисплее самого преобразователя, используя аналоговые и дискретные (релейные, транзисторные) выходы, можно вывести необходимую информацию на пульт дистанционного управления. Помимо индикации параметров (состояния «работа», «авария», «режим торможения», значение тока нагрузки, обороты двигателя, частота и напряжение питающей сети и др.) некоторые преобразователи имеют возможность формировать сигналы управления посредством тех же аналоговых и дискретных выходов, тем самым реализовывать более сложные системы управления.

Защитные функции

Кроме функций управления на преобразователь частоты обычно возлагаются функции защиты. Как правило, основным набором являются:

• ограничение тока при пуске, при продолжительной работе, при остановке и коротком замыкании;
• защита от перенапряжения и пониженного напряжения;
• контроль температуры двигателя;
• защита от перегрева радиатора;
• защита выходных IGBT.

Монтаж и установка преобразователя

Немаловажным этапом является выбор предполагаемого места установки преобразователя, а отсюда условий его эксплуатации:

• ограничение тока при пуске, при продолжительной работе, при остановке и коротком замыкании
• диапазон рабочих температур
• влажность
• высотность
• вибрации
• степень защиты (IP)

Компактность в некоторых случаях является решающим фактором на этапе выбора. Каковы габариты устанавливаемого привода и способ установки? Возможно ли радиаторы силовой части преобразователя вынести на тыльную часть, обеспечив при меньших габаритах шкафа достаточную вентиляцию? Информация об условиях окружающей среды является неотъемлемой частью технических характеристик, при выборе частотного преобразователя, и не соблюдение их при установке может привести к выходу из строя частотного преобразователя. В процессе установки возникает множество вопросов, но это одни из первых с которыми приходится столкнуться.

Функциональные возможности преобразователя

Современные преобразователи частоты имеют множество функциональных возможностей. Перечислим часто встречающиеся по мере их важности.

Работа при нестабильном питании.

Это актуальный параметр особенно при использовании в России. Отсюда вопрос: «каков допустимый диапазон питающего напряжения?». Хорошим диапазоном напряжения питающей сети для современных преобразователей является 380-460 В с отклонением ±10%. Следует уточнить каковы действия преобразователя при просадке или полном отключении питания на короткое или очень короткое время? Возможно ли сохранение работоспособности с пропорциональным изменением скорости, момента двигателя, автоматический перезапуск после восстановления питания, подхват скорости работающего двигателя при повторном пуске после пропадания питания и т.д. Если имеющиеся функциональные возможности обеспечивают допустимый режим работы механизма с сохранением его работоспособного состояния, то можно считать, что вопрос о нестабильном питании для вас снят, в противном случае стоит либо решить вопрос с электроснабжением, либо задуматься о выборе другого преобразователя.

Исключение работы на резонансных частотах.

Некоторые механизмы имеют собственные резонансные частоты при работе на которых наблюдаются недопустимые вибрации, что может привести к поломке оборудования. В таких случаях функция исключения недопустимых частот в преобразователе позволит обезопасить механизм от его преждевременного выхода из строя.

Сетевой обмен.

Обычно требуется либо включить привод в систему автоматического управления, либо предусмотреть перспективу такого использования преобразователя в будущем. Для этого необходимо разобраться со стандартом и протоколом связи. В настоящее время существует большое их разнообразие, позволяющее сделать работу в режиме САУ наиболее оптимальной. Отличаться они могут удаленностью, количеством связываемых объектов и помехозащищенностью. Наиболее распространенный вариант %u2013 это интерфейс RS-485 и протокол передачи данных Modbus, но для согласования работы в составе системы автоматического управления этот вопрос следует более подробно уточнить у поставщика либо у производителя.

Автоматическая настройка.

На сегодняшний день выбор преобразователей велик, но еще встречаются простейшие модели в которых не производится настройка под параметры двигателя, а точнее его обмотки. В более поздних моделях требуется вводить ряд дополнительных справочных данных двигателя. Частотные преобразователи имеют возможность провести так называемый идентификационный пуск (режим автонастройки), при котором еще до пуска, либо уже у вращающегося двигателя параметры обмоток определяются автоматически. Если на выбираемом приводе предполагается реализовать прецизионную систему управления, то этот вопрос является особенно актуальным.

Принцип управления.

В наиболее распространенном частотно-регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются скалярное и векторное управление. Скалярное управление строится на принципе постоянства отношения выходного напряжения преобразователя к его выходной частоте. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность двигателя. Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей. Скалярное управление применимо для большинства практических случаев использования частотного электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения до 1:40. Векторное управление, в свою очередь, позволяет существенно повысить точность поддержания выходной частоты, точность регулирования по скорости, а также точность поддержания момента. Так же отличительной особенностью векторного регулирования является возможность управлять моментом на валу электродвигателя при его работе на частотах близких к нулю.

Возможность использования нескольких наборов параметров.

Последнее поколение преобразователей имеет функциональную возможность выбирать различные комбинации настроек для нескольких режимов работы одного и того же двигателя или для нескольких двигателей, имеющих различные технические параметры. Количество функций описанных выше — малая часть из их огромного множества, исчисляемого уже сотнями в преобразователях последнего поколения. Выбирать необходимые нужно исходя из тех требований, которые диктуют предполагаемые области их применения. Вряд ли этап подбора частотного преобразователя ограничивается решением выше указанных вопросов, но это те из них с которыми приходится столкнуться на первоначальном этапе. Выбор частотного преобразователя, как высокотехнологичного оборудования, сам по себе не прост и в конечном итоге сводится к экономической целесообразности приобретения и использования. Отсюда, не стоит слишком завышать требования и тем самым переплачивать за неиспользуемые опции, и в тоже время отказываться от необходимых, в надежде сделать механизм, привод и систему в целом работоспособными.