Изучаем принцип работы, собираем и подключаем частотный преобразователь для асинхронных двигателей. Частотный преобразователь для электродвигателя

Частотное регулирование угловой скорости вращения электропривода с асинхронным двигателем в настоящее время широко применяется, так как позволяет в широком интервале плавно изменять обороты вращения ротора как выше, так и ниже номинальных значении.

Частотные преобразователи являются современными, высокотехнологичными устройствами, обладающими большим диапазоном регулирования, имеющими обширный набор функций для управления асинхронными двигателями. Высочайшее качество и надежность дают возможность применять их в различных отраслях для управления приводами насосов, вентиляторов, транспортеров и т.д.

Частотные преобразователи по напряжению питания подразделяются на однофазные и трехфазные, а но конструктивному исполнению на электромашинные вращающиеся и статические. В электромашинных преобразователях переменная частота получается за счет использования обычных или специальных электрических машин. В изменение частоты питающего тока достигается за счет применения не имеющих движения электрических элементов.

Преобразователи частоты для однофазной сети позволяют обеспечить электропривод производственного оборудования мощностью до 7,5 кВт. Особенностью конструкции современных однофазных преобразователей является то, что на входе имеется одна фаза с напряжением 220В, а на выходе - три фазы с тем же значением напряжения, что позволяет подключать к устройству трехфазные электродвигатели без применения конденсаторов.

Преобразователи частоты с питанием от трехфазной сети 380В выпускаются в диапазоне мощностей от 0,75 до 630 кВт. В зависимости от величины мощности устройства изготавливаются в полимерных комбинированных и металлических корпусах.

Самой популярной стратегией управления асинхронными электродвигателями является векторное управление. В настоящее время большинство частотных преобразователей реализуют векторное управление или даже векторное бездатчиковое управление (этот тренд встречается в частотных преобразователях, первоначально реализующих скалярное управление и не имеющих клемм для подключения датчика скорости).

Исходя из вида нагрузки на выходе, преобразователи частоты подразделяются по типу исполнения:

для насосного и вентиляторного привода;

для общепромышленного электропривода;

эксплуатируется в составе электродвигателей, работающих с перегрузкой.

Современные преобразователи частоты обладают разнообразным набором функциональных особенностей, например, имеют ручное и автоматическое управление скоростью и направлением вращения двигателя, а также на панели управления. Наделены возможностью регулирования диапазона выходных частот от 0 до 800 Гц.

Преобразователи способны выполнять автоматическое управление асинхронным двигателем по сигналам с периферийных датчиков и приводить в действие электропривод по заданному временному алгоритму. Поддерживать функции автоматического восстановления режима работы при кратковременном прерывании питания. Выполнять управление переходными процессами с удаленного пульта и осуществлять защиту электродвигателей от перегрузок.

Связь между угловой скоростью вращения и частотой питающего тока вытекает из уравнения

ω о = 2πf 1 /p

При неизменном напряжении источника питания U1 и изменении частоты изменяется магнитный поток асинхронного двигателя. При этом для лучшего использования магнитной системы при снижении частоты питания необходимо пропорционально уменьшать напряжение, иначе значительно увеличатся намагничивающий ток и потери в стали.

Аналогично при увеличении частоты питания следует пропорционально увеличивать напряжение, чтобы сохранить магнитный поток постоянным, так как в противном случае (при постоянном моменте на валу) это приведет к нарастанию тока ротора, перегрузке его обмоток по току, снижению максимального момента.

Рациональный закон регулирования напряжения зависли от характера момента сопротивления.

При постоянном моменте статической нагрузки (Mс = const) напряжение должно регулироваться пропорционально его частоте U1/f1 = const. Для вентиляторного характера нагрузки соотношение принимает вид U1/f 2 1 = const.

При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости U1/√ f1 = const.

На рисунках ниже представлены упрощенная схема подключения и механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании угловой скорости.

Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя позволяет изменять угловую скорость вращения в диапазоне - 20...30 к 1. Регулирование скорости асинхронного двигателя вниз от основной осуществляется практически до нуля.

При изменении частоты питающей сети верхний предел частоты вращения асинхронного двигателя зависит от ее механических свойств, тем более что на частотах выше номинальной асинхронные двигатель работает с лучшими энергетическими показателями, чем на пониженных частотах. Поэтому, если в системе привода используется редуктор, это управление двигателем по частоте следует производить не только вниз, но и вверх от номинальной точки, вплоть до максимальной частоты вращения, допустимой но условиям механической прочности ротора.

При увеличении оборотов вращения двигателя выше указанного значения в ею паспорте частота источника питания не должна превышать номинальную не более чем 1,5 - 2 раза.

Частотный способ является наиболее перспективным для регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Потери мощности мри гаком регулировании невелики, поскольку не сопровождаются увеличением . Получаемые при этом механические характеристики обладают высокой жесткостью.

Производим и продаем частотные преобразователи:
Цены на преобразователи частоты(21.01.16г.):
Частотники одна фаза в три:
Модель Мощность Цена
CFM110 0.25кВт 2300грн
CFM110 0.37кВт 2400грн
CFM110 0.55кВт 2500грн
CFM210 1,0 кВт 3200грн
CFM210 1,5 кВт 3400грн
CFM210 2,2 кВт 4000грн
CFM210 3,3 кВт 4300грн
AFM210 7,5 кВт 9900грн (единственный на рынке частотник 220 в 380 мощностью 7,5кВт)

Частотники 380В три фазы в три:
CFM310 4.0 кВт 6800грн
CFM310 5.5 кВт 7500грн
CFM310 7.5 кВт 8500грн
Контакты для заказов частотных преобразователей:
+38 050 4571330
chastotnik@сайт

Современный частотно регулируемый электропривод состоит из асинхронного или синхронного электрического двигателя и преобразователя частоты (см. рис.1.).

Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в

механическую энергию и приводит в движение исполнительный орган технологического механизма.

Преобразователь частоты управляет электрическим двигателем и представляет собой электронное статическое устройство. На выходе преобразователя формируется электрическое напряжение с переменными амплитудой и частотой.

Название «частотно регулируемый электропривод» обусловлено тем, что регулирование скорости вращения двигателя осуществляется изменением частоты напряжения питания, подаваемого на двигатель от преобразователя частоты.

На протяжении последних 10 -15 лет в мире наблюдается широкое и успешное внедрение частотно регулируемого электропривода для решения различных технологических задач во многие отрасли экономики. Это объясняется в первую очередь разработкой и созданием преобразователей частоты на принципиально новой элементной базе, главным образом на биполярных транзисторах с изолированным затвором IGBT.

В настоящей статье коротко описаны известные сегодня типы преобразователей частоты, применяемые в частотно регулируемом электроприводе, реализованные в них методы управления, их особенности и характеристики.

При дальнейших рассуждениях будем говорить о трехфазном частотно регулируемом электроприводе, так как он имеет наибольшее промышленное применение.

О методах управления

В синхронном электрическом двигателе частота вращения ротора в

установившемся режиме равна частоте вращения магнитного поля статора.

В асинхронном электрическом двигателе частота вращения ротора

установившемся режиме отличается от частоты вращения на величину скольжения.

Частота вращения магнитного поля зависит от частоты напряжения питания.

При питании обмотки статора электрического двигателя трехфазным напряжением с частотой создается вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля определяется по известной формуле

где - число пар полюсов статора.

Переход от скорости вращения поля, измеряемой в радианах, к частоте вращения, выраженной в оборотах в минуту, осуществляется по следующей формуле

где 60 - коэффициент пересчета размерности.

Подставив в это уравнение скорость вращения поля, получим, что

Таким образом, частота вращения ротора синхронного и асинхронного двигателей зависит от частоты напряжения питания.

На этой зависимости и основан метод частотного регулирования.

Изменяя с помощью преобразователя частоту на входе двигателя, мы регулируем частоту вращения ротора.

В наиболее распространенном частотно регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются скалярное и векторное частотное управление.

При скалярном управлении по определенному закону изменяют амплитуду и частоту приложенного к двигателю напряжения. Изменение частоты питающего напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя, к. п.д., коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения.

В существующих преобразователях частоты при скалярном управлении чаще всего поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. 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.

При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к. п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.

Максимальный момент, развиваемый двигателем, определяется следующей зависимостью

где - постоянный коэффициент.

Поэтому зависимость напряжения питания от частоты определяется характером нагрузки на валу электрического двигателя.

Для постоянного момента нагрузки поддерживается отношение U/f = const, и, по сути, обеспечивается постоянство максимального момента двигателя. Характер зависимости напряжения питания от частоты для случая с постоянным моментом нагрузки изображен на рис. 2. Угол наклона прямой на графике зависит от величин момента сопротивления и максимального крутящего момента двигателя.

Вместе с тем на малых частотах, начиная с некоторого значения частоты, максимальный момент двигателя начинает падать. Для компенсации этого и для увеличения пускового момента используется повышение уровня напряжения питания.

В случае вентиляторной нагрузки реализуется зависимость U/f2 = const. Характер зависимости напряжения питания от частоты для этого случая показан на рис.3. При регулировании в области малых частот максимальный момент также уменьшается, но для данного типа нагрузки это некритично.

Используя зависимость максимального крутящего момента от напряжения и частоты, можно построить график U от f для любого типа нагрузки.

Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей.

Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40.

Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя.

Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом

необходимо изменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление».

Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток.

Менее дорогим является частотно регулируемый электропривод с векторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователя частоты.

Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна.

Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости - сотые доли процента, точность по моменту - единицы процентов.

В синхронном частотно регулируемом приводе применяются те же методы управления, что и в асинхронном.

Однако в чистом виде частотное регулирование частоты вращения синхронных двигателей применяется только при малых мощностях, когда нагрузочные моменты невелики, и мала инерция приводного механизма. При больших мощностях этим условиям полностью отвечает лишь привод с вентиляторной нагрузкой. В случаях с другими типами нагрузки двигатель может выпасть из синхронизма.

Для синхронных электроприводов большой мощности применяется метод частотного управления с самосинхронизацией, который исключает выпадение двигателя из синхронизма. Особенность метода состоит в том, что управление преобразователем частоты осуществляется в строгом соответствии с положением ротора двигателя.

Преобразователь частоты - это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты.

Выходная частота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне и быть как выше, так и ниже частоты питающей сети.

Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть преобразователей обычно выполнена на тиристорах или транзисторах, которые работают в режиме электронных ключей. Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми
электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

Преобразователи частоты,

применяемые в регулируемом

электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой разделяются на два класса:

1. Преобразователи частоты с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.

2. Преобразователи частоты с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока).

Каждый из существующих классов преобразователей имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

Исторически первыми появились преобразователи с непосредственной связью

(рис. 4.), в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристотров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети.

Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. На рис.5. показан пример формирования выходного напряжения для одной из фаз нагрузки. На входе преобразователя действует трехфазное синусоидальное напряжение иа, ив, ис. Выходное напряжение ивь1х имеет несинусоидальную «пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой (утолщенная линия). Из рисунка видно, что частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие малый диапазон управления частоты вращения двигателя (не более 1: 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

Использование не запираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя.

«Резаная» синусоида на выходе преобразователя является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению к. п.д. системы в целом.

Наряду с перечисленными недостатками преобразователей с непосредственной связью, они имеют определенные достоинства. К ним относятся:

Практически самый высокий КПД относительно других преобразователей (98,5% и выше),

Способность работать с большими напряжениями и токами, что делает возможным их использование в мощных высоковольтных приводах,

Относительная дешевизна, несмотря на увеличение абсолютной стоимости за счет схем управления и дополнительного оборудования.

Подобные схемы преобразователей используются в старых приводах и новые конструкции их практически не разрабатываются.

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 6.).

В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к. п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Для формирования синусоидального переменного напряжения используются автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока.

В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.

Они имеют более высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах (95 - 98%).

Преобразователи частоты на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 - 10 кВ и выше. Однако их цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей.

До недавнего прошлого преобразователи частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода.

Тиристор является полууправляемым приборам: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для
этого в тиристорном преобразователе частоты требуется сложная и громоздкая система управления.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость, простая неэнергоемкая система управления, самая высокая рабочая частота

Вследствие этого преобразователи частоты на IGBT позволяют расширить диапазон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.

Для асинхронного электропривода с векторным управлением преобразователи на IGBT позволяют работать на низких скоростях без датчика обратной связи.

Применение IGBT с более высокой частотой переключения в совокупности с микропроцессорной системой управления в преобразователях частоты снижает уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей. Как следствие меньшие добавочные потери в обмотках и магнитопроводе электродвигателя, уменьшение нагрева электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так называемого «шагания» ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах, конденсаторных батареях, увеличивается их срок службы и изоляции проводов, уменьшаются количество ложных срабатываний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.

Преобразователи на транзисторах IGBT по сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов.

Они позволяют реализовать более полную защиту от бросков тока и от перенапряжения, что существенно снижает вероятность отказов и повреждений электропривода.

На настоящий момент низковольтные преобразователи на IGBT имеют более высокую цену на единицу выходной мощности, вследствие относительной сложности производства транзисторных модулей. Однако по соотношению цена/качество, исходя из перечисленных достоинств, они явно выигрывают у тиристорных преобразователей, кроме того, на протяжении последних лет наблюдается неуклонное снижение цен на IGBT модули.

Главным препятствием на пути их использования в высоковольтном приводе с прямым преобразованием частоты и при мощностях выше 1 - 2 МВт на настоящий момент являются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения и рабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля, а также требует более эффективного отвода тепла от кремниевого кристалла.

Новые технологии производства биполярных транзисторов направлены на преодоление этих ограничений, и перспективность применения IGBT очень высока также и в высоковольтном приводе. В настоящее время IGBT транзисторы применяются в высоковольтных преобразователях в виде последовательно соединенных нескольких

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на GBT транзисторах

Типовая схема низковольтного преобразователя частоты представлена на рис. 7. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.

Переменное напряжение питающей сети (ивх.) с постоянной амплитудой и частотой (UEx = const, f^ = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (ивыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение ud поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. На рассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

ЗВЕ МО ПС хт<)A\U IQTOTOKAj

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение ии изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока.

Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя. Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

При высокой несущей частоте ШИМ (2 ... 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения uH может достигаться регулированием величины постоянного напряжения ud, а изменение частоты - режимом работы инвертора.

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (ивых = var, ^ых = var).

В последние годы многие фирмы большое внимание, которое диктуется потребностями рынка, уделяют разработке и созданию высоковольтных частотных преобразователей. Требуемая величина выходного напряжения преобразователя частоты для высоковольтного электропривода достигает 10 кВ и выше при мощности до нескольких десятков мегаватт.

Для таких напряжений и мощностей при прямом преобразовании частоты применяются весьма дорогие тиристорные силовые электронные ключи со сложными схемами управления. Подключение преобразователя к сети осуществляется либо через входной токоограничивающий реактор, либо через согласующий трансформатор.

Предельные напряжение и ток единичного электронного ключа ограничены, поэтому применяют специальные схемные решения для повышения выходного напряжения преобразователя. Кроме того, это позволяет уменьшить общую стоимость высоковольтных преобразователей частоты за счет использования низковольтных электронных ключей.

В преобразователях частоты различных фирм производителей используются следующие схемные решения.

В схеме преобразователя (рис. 8.) осуществляется двойная трансформация напряжения с помощью понижающего (Т1) и повышающего (Т2) высоковольтных трансформаторов.

Двойная трансформация позволяет использовать для регулирования частоты Рис 9. относительно дешевый

низковольтный преобразователь частоты, структура которого представлена на рис. 7.

Преобразователи отличают относительная дешевизна и простота практической реализации. Вследствие этого они наиболее часто применяются для управления высоковольтными электродвигателями в диапазоне мощностей до 1 - 1,5 МВт. При большей мощности электропривода трансформатор Т2 вносит существенные искажения в процесс управления электродвигателем. Основными недостатками двухтрансформаторных преобразователей являются высокие массогабаритные характеристики, меньшие по отношению к другим схемам КПД (93 - 96%) и надежность.

Преобразователи, выполненные по этой схеме, имеют ограниченный диапазон регулирования частоты вращения двигателя как сверху, так и снизу от номинальной частоты.

При снижении частоты на выходе преобразователя увеличивается насыщение сердечника и нарушается расчетный режим работы выходного трансформатора Т2. Поэтому, как показывает практика, диапазон регулирования ограничен в пределах Пном>П>0,5Пном. Для расширения диапазона регулирования используют трансформаторы с увеличенным сечением магнитопровода, но это увеличивает стоимость, массу и габариты.

При увеличении выходной частоты растут потери в сердечнике трансформатора Т2 на перемагничивание и вихревые токи.

В приводах мощностью более 1 МВт и напряжении низковольтной части 0,4 - 0,6 кВ сечение кабеля между преобразователем частоты и низковольтной обмоткой трансформаторов должно быть рассчитано на токи до килоампер, что увеличивает массу преобразователя.

Для повышения рабочего напряжения преобразователя частоты электронные ключи соединяют последовательно (см. рис.9.).

Число элементов в каждом плече определяется величиной рабочего напряжения и типом элемента.

Основная проблема для этой схемы состоит в строгом согласовании работы электронных ключей.

Полупроводниковые элементы, изготовленные даже в одной партии, имеют разброс параметров, поэтому очень остро стоит задача согласования их работы по времени. Если один из элементов откроется с задержкой или закроется раньше остальных, то к нему будет приложено полное напряжение плеча, и он выйдет из строя.

Для снижения уровня высших гармоник и улучшения электромагнитной совместимости используют многопульсные схемы преобразователей. Согласование преобразователя с питающей сетью осуществляется с помощью многообмоточных согласующих трансформаторов Т.

На рис.9. изображена 6-ти пульсная схема с двухобмоточным согласующим трансформатором. На практике существуют 12-ти, 18-ти, 24-х пульсные схемы

преобразователей. Число вторичных обмоток трансформаторов в этих схемах равно 2, 3, 4 соответственно.

Схема является наиболее распространенной для высоковольтных преобразователей большой мощности. Преобразователи имеют одни из лучших удельные массогабаритные показатели, диапазон изменения выходной частоты от 0 до 250-300 Гц, КПД преобразователей достигает 97,5%.

3. Схема преобразователя с многообмоточным трансформатором

Силовая схема преобразователя (рис.10.) состоит из многообмоточного трансформатора и электронных инверторных ячеек. Количество вторичных обмоток трансформаторов в известных схемах достигает 18. Вторичные обмотки электрически сдвинуты относительно друг друга.

Это позволяет использовать низковольтные инверторные ячейки. Ячейка выполняется по схеме: неуправляемый трехфазный выпрямитель, емкостной фильтр, однофазный инвертор на IGBT транзисторах.

Выходы ячеек соединяются последовательно. В приведенном примере каждая фаза питания электродвигателя содержит три ячейки.

По своим характеристикам преобразователи находятся ближе к схеме с последовательным включением электронных ключей.

Частотно-регулируемый привод (частотно-управляемый привод, ЧУП, Variable requency Drive, VFD) - система управления частотой вращения ротора асинхронного (синхронного) электродвигателя. Состоит из собственно электродвигателя и частотного преобразователя.

Преобразователь частоты (частотный преобразователь) - это устройство состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный и инвертора (преобразователя) (иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты и амплитуды. Выходные тиристоры (GTO) или IGBT обеспечивают необходимый ток для питания электродвигателя. Для исключения перегрузки преобразователя при большой длине фидера между преобразователем и фидером ставят дроссели, а для уменьшения электромагнитных помех - EMC-фильтр. При скалярном управлении формируются гармонические токи фаз двигателя. Векторное управление - метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора (моментом на валу двигателя).

Применение частотного привода

Преобразователи частоты применяются в:

• судовом электроприводе большой мощности
• прокатных станах (синхронная работа клетей)
• высокооборотном приводе вакуумных турбомолекулярных насосов (до 100.000 об/мин.)
• конвейерных системах
• резательных автоматах
• станках с ЧПУ - синхронизация движения сразу нескольких осей (до 32 - например в полиграфическом или упаковывающем оборудовании) (сервоприводы)
• автоматически открывающихся дверях
• мешалках, насосах, вентиляторах, компрессорах
• бытовых кондиционерах
• стиральных машинах
• городском электротранспорте, особенно в троллейбусах.

Наибольший экономический эффект даёт применение ЧРП в системах вентиляции, кондиционирования и водоснабжения, где применение ЧРП стало фактически стандартом.

Преимущества применения ЧРП

• Высокая точность регулирования
• Экономия электроэнергии в случае переменной нагрузки (то есть работы эл. двигателя с неполной нагрузкой).
• Равный максимальному пусковой момент.
• Возможность удалённой диагностики привода по промышленной сети
  • распознавание выпадения фазы для входной и выходной цепей
  • учёт моточасов
  • старение конденсаторов главной цепи
  • неисправность вентилятора
• Повышенный ресурс оборудования
• Уменьшение гидравлического сопротивления трубопровода из-за отсутствия регулирующего клапана
• Плавный пуск двигателя, что значительно уменьшает его износ
• ЧРП как правило содержит в себе ПИД-регулятор и может подключатся напрямую к датчику регулируемой величины (например, давления).
• Управляемое торможение и автоматический перезапуск при пропадании сетевого напряжения
• Подхват вращающегося электродвигателя
• Стабилизация скорости вращения при изменении нагрузки
• Значительное снижение акустического шума электродвигателя, (при использовании функции «Мягкая ШИМ»)
• Дополнительная экономия электроэнергии от оптимизации возбуждения эл. двигателя
• Позволяют заменить собой автоматический выключатель

Недостатки применения частотного привода

• Большинство моделей ЧРП являются источником помех (требуется установка Фильтров высокочастотных помех)
• Сравнительно высокая стоимость для ЧРП большой мощности (окупаемость минимум 1-2 года)

Применение частотных преобразователей на насосных станциях

Классический метод управления подачей насосных установок предполагает дросселирование напорных линий и регулирование количества работающих агрегатов по какому-либо техническому параметру (например, давлению в трубопроводе). Насосные агрегаты в этом случае выбираются исходя из неких расчётных характеристик (как правило, с запасом по производительности) и постоянно функционируют с постоянной частотой вращения, без учета изменяющихся расходов, вызванных переменным водопотреблением. При минимальном расходе насосы продолжают работу с постоянной частотой вращения, создавая избыточное давление в сети (причина аварий), при этом бесполезно расходуется значительное количество электроэнергии. Так, к примеру, происходит в ночное время суток, когда потребление воды резко падает. Основной эффект достигается не за счет экономии электроэнергии, а благодаря существенному уменьшению расходов на ремонт водопроводных сетей.

Появление регулируемого электропривода позволило поддерживать постоянное давление непосредственно у потребителя. Широкое применение в мировой практике получил частотно регулируемый электропривод с асинхронным электродвигателем общепромышленного назначения. В результате адаптации общепромышленных асинхронных двигателей к их условиям эксплуатации в управляемых электроприводах создаются специальные регулируемые асинхронные двигатели с более высокими энергетическими и массогабаритностоимостными показателями по сравнению с неадаптированными. Частотное регулирование скорости вращения вала асинхронного двигателя осуществляется с помощью электронного устройства, которое принято называть частотным преобразователем. Вышеуказанный эффект достигается путём изменения частоты и амплитуды трёхфазного напряжения, поступающего на электродвигатель. Таким образом, меняя параметры питающего напряжения (частотное управление), можно делать скорость вращения двигателя как ниже, так и выше номинальной. Во второй зоне (частота выше номинальной) максимальный момент на валу обратно пропорционален скорости вращения.

Метод преобразования частоты основывается на следующем принципе. Как правило, частота промышленной сети составляет 50 Гц. Для примера возьмём насос с двухполюсным электродвигателем. С учетом скольжения скорость вращения двигателя составляет около 2800 (зависит от мощности) оборотов в минуту и даёт на выходе насосного агрегата номинальный напор и производительность (так как это его номинальные параметры, согласно паспорту). Если с помощью частотного преобразователя понизить частоту и амплитуду подаваемого на него переменного напряжения, то соответственно понизятся скорость вращения двигателя, и, следовательно, изменится производительность насосного агрегата. Информация о давлении в сети поступает в блок частотного преобразователя от специального датчика давления, установленного у потребителя, на основании этих данных преобразователь соответствующим образом меняет частоту, подаваемую на двигатель.

Современный преобразователь частоты имеет компактное исполнение, пыле и влагозащищённый корпус, удобный интерфейс, что позволяет применять его в самых сложных условиях и проблемных средах. Диапазон мощности весьма широк и составляет от 0,18 до 630 кВт и более при стандартном питании 220/380 В и 50-60 Гц. Практика показывает, что применение частотных преобразователей на насосных станциях позволяет:

• экономить электроэнергию (при существенных изменениях расхода), регулируя мощность электропривода в зависимости от реального водопотребления (эффект экономии 20-50 %);
• снизить расход воды, за счёт сокращения утечек при превышении давления в магистрали, когда расход водопотребления в действительности мал (в среднем на 5 %);
• уменьшить расходы (основной экономический эффект) на аварийные ремонты оборудования (всей инфраструктуры подачи воды за счет резкого уменьшения числа аварийных ситуаций, вызванных в частности гидравлическим ударом, который нередко случается в случае использования нерегулируемого электропривода (доказано, что ресурс службы оборудования повышается минимум в 1,5 раза);
• достичь определённой экономии тепла в системах горячего водоснабжения за счёт снижения потерь воды, несущей тепло;
• увеличить напор выше обычного в случае необходимости;
• комплексно автоматизировать систему водоснабжения, тем самым снижая фонд заработной платы обслуживающего и дежурного персонала, и исключить влияние «человеческого фактора» на работу системы, что тоже немаловажно.

По имеющимся данным срок окупаемости проекта по внедрению преобразователей частоты составляет от 3 месяцев до 2 лет.

Потери мощности при торможении электродвигателя

Во многих установках на регулируемый электропривод возлагаются задачи не только плавного регулирования момента и скорости вращения электродвигателя, но и задачи замедления и торможения элементов установки. Классическим решением такой задачи является система привода с асинхронным двигателем с преобразователем частоты, оснащённым тормозным переключателем с тормозным резистором.

При этом в режиме замедления/торможения электродвигатель работает как генератор, преобразуя механическую энергию в электрическую, которая в итоге рассеивается на тормозном резисторе. Типичными установками, в которых циклы разгона чередуются с циклами замедления являются тяговый привод электротранспорта, подъёмники, лифты, центрифуги, намоточные машины и т. п. Функция электрического торможения вначале появилась на приводе постоянного тока (например, троллейбус). В конце ХХ века появились преобразователи частоты со встроенным рекуператором, которые позволяют возвращать энергию, полученную от двигателя, работающего в режиме торможения, обратно в сеть. В этом случае, установка начинает «приносить деньги» фактически сразу после ввода в эксплуатацию.

Принцип работы частотного преобразователя

Созданный в конце XIX столетия, трёхфазный асинхронный двигатель стал незаменимой составляющей современного промышленного производства.

Для плавного пуска и остановки такого оборудования требуется специальное устройство – преобразователь частоты. Особо актуально наличие преобразователя для крупных двигателей с большой мощностью. С помощью этого дополнительного устройства можно регулировать пусковые токи, то есть, контролировать и ограничивать их величину.

Если регулировать пусковой ток исключительно механическим способом, не удастся избежать энергетических потерь и уменьшения срока службы оборудования. Показатели этого тока в пять-семь раз превышают номинальное напряжение, что недопустимо для нормальной работы оборудования.

Принцип работы современного преобразователя частоты подразумевает использование электронного управления. Они не только обеспечивают мягкий пуск, но и плавно регулируют работу привода, придерживаясь соотношения между напряжением и частотой строго по заданной формуле.

Основное преимущество устройства – экономия в потреблении электроэнергии, составляющая в среднем 50%. А также возможность регулировки с учётом потребностей конкретного производства.

Устройство функционирует по принципу двойного преобразования напряжения.

1. выпрямляется и фильтруется системой конденсаторов.
2. Затем в работу вступает электронное управление – образуется ток с указанной (запрограммированной) частотой.

На выходе выдаются прямоугольные импульсы, которые под воздействием обмотки статора двигателя (её индуктивности) становятся близкими к синусоиде.

На что обратить внимание при выборе?

Производители делают упор на стоимость преобразователя. Поэтому многие опции доступны только у дорогих моделей. При выборе устройства следует определиться с основными требованиями для конкретного использования.

• Управление может быть векторным или скалярным. Первое даёт возможность точной регулировки. Второе лишь поддерживает одно, заданное соотношение между частотой и напряжением на выходе и подходит только для простых приборов, вроде вентилятора.
• Чем выше указанная мощность, тем универсальнее будет устройство — обеспечится взаимозаменяемость и упростится обслуживание оборудования.
• Диапазон напряжения сети должен быть максимально широким, что обезопасит при перепадах его норм. Понижение не так опасно для устройства, как повышение. При последнем — вполне могут взорваться сетевые конденсаторы.
• Частота должна полностью соответствовать потребностям производства. Нижний предел указывает на диапазон регулирования скорости привода. Если нужен более широкий, потребуется векторное управление. На практике применяются частоты от 10 до 60 Гц, реже до 100Гц.
• Управление осуществляется через различные входы и выходы. Чем их больше, тем лучше. Но большее количество разъёмов существенно увеличивает стоимость устройства и усложняет его настройку.

Дискретные входы (выходы) используются для ввода команд управления и выхода сообщений о событиях (например, о перегреве), цифровые – для ввода сигналов цифровых (высокочастотных), аналоговые – для ввода сигналов обратной связи.

• Шина управления подключаемого оборудования должна совпадать с возможностями схемы частотного преобразователя по количеству входов и выходов. Лучше иметь небольшой запас для модернизации.
• Перегрузочные способности. Оптимален выбор устройства с мощностью на 15% больше мощности используемого двигателя. В любом случае нужно прочесть документацию. Производители указывают все основные параметры двигателя. Если важны пиковые нагрузки, следует выбрать преобразователь с показателем пикового тока на 10% больше указанного.

Сборка преобразователя частоты для асинхронного двигателя своими руками

Собрать инвертор или преобразователь можно самостоятельно. В настоящее время в сети находится множество инструкций и схем такой сборки.

Основная задача – получить «народную» модель. Дешёвую, надёжную и рассчитанную на бытовое применение. Для работы оборудования в промышленных масштабах, конечно, лучше отдать предпочтение устройствам, реализуемым магазинами.
Порядок действий по сборке схемы частотного преобразователя для электродвигателя

Для работы с домашней проводкой, с напряжением 220В и одной фазой. Примерная мощность двигателя до 1кВт.

На заметку. Длинные провода нужно снабдить помехоподавляющими кольцами.

Регулировка вращения ротора двигателя вмещается в диапазон частоты 1:40. Для малых частот необходимо фиксированное напряжение (IR компенсация).

Подключение частотного преобразователя к электродвигателю

Для однофазной проводки на 220В (использования в домашних условиях) подключение осуществляется по схеме «треугольник». Выходной ток не должен превышать 50% от номинального!

Для трёхфазной проводки на 380В (промышленного использования) подключение двигателя к частотному преобразователю осуществляется по схеме «звезда».

Преобразователь (или ) имеет соответствующие клеммы, помеченные буквами.

• R, S, T– сюда подключаются провода сети, очерёдность не имеет значения;
• U , V , W – для включения асинхронного двигателя (если двигатель вращается в обратную сторону, нужно поменять местами любой из двух проводов на этих клеммах).
• Отдельно предусмотрена клемма для заземления.

Для продления срока эксплуатации преобразователя необходимо соблюдать следующие правила:

1. Регулярно очищать внутренности устройства от пыли (лучше выдувать её небольшим компрессором, так как пылесос с загрязнением не всегда справится – пыль уплотняется).
2. Своевременно заменять узлы. Электролитические конденсаторы рассчитаны на пять лет, предохранители на десять лет эксплуатации. А вентиляторы охлаждения на два-три года использования. Внутренние шлейфы следует заменять раз в шесть лет.
3. Контролировать внутреннюю температуру и напряжение на шине постоянного тока.

Повышение температур приводит к засыханию термопроводящей пасты и разрушению конденсаторов. На силовых компонентах привода её следует менять ни реже одного раза в три года.

4. Придерживаться условий эксплуатации. Температура окружающей среды не должна превышать +40 градусов. Недопустима высокая влажность и запылённость воздуха.

Управление асинхронным мотором (например, ) – довольно сложный процесс. Преобразователи, изготовленные кустарно, дешевле промышленных аналогов и вполне подходят для использования в бытовых целях. Однако для применения на производстве предпочтительнее установить инверторы, собранные в заводских условиях. Обслуживание таких дорогих моделей под силу только хорошо обученному техническому персоналу.

Регулируемый электропривод предназначен для управления двигателем путем контроля параметров. Скорость прямо пропорциональна частоте. Поэтому, варьируя частотой, можно поддерживать скорость вращения вала мотора, заданную согласно технологии. Пошаговое описание рабочего процесса для частотно-регулируемого привода (ЧРП) выглядит примерно так.

1. Шаг первый. Преобразование диодным силовым выпрямителем одно- или трехфазного входного тока в постоянный.
2. Шаг второй. Контроль преобразователем частоты за крутящим моментом и скоростью вращения вала электродвигателя.
3. Шаг третий. Управление выходным напряжением, поддерживание постоянного соотношения U/f.

Устройство, выполняющее на выходе системы обратную функцию генерации постоянного тока в переменный, именуется инвертором. Избавление от пульсаций на шине достигается путем добавления дросселя и конденсатора фильтра.

Как выбрать частотно-регулируемый электропривод

Преобладающее число частотных преобразователей изготавливаются со встроенным фильтром электромагнитной совместимости (ЭМС).

Различаются такие виды управления, как , бездатчиковое и датчиковое векторное, и др. Согласно заданным приоритетам в принятии управленческих решений, приводы выбираются по:

• типу нагрузки;
• напряжению и номиналу двигателя;
• режиму управления;
• регулировки;
• ЭМС и т. д.

Если ЧРП предназначен для асинхронного двигателя с большим сроком эксплуатации, то рекомендуется выбирать частотный преобразователь с завышенным током на выходе.С помощью современных преобразователей частоты возможно управление с пульта, по интерфейсу или комбинированным методом.

Технические особенности применения частотного электропривода

1. Для обеспечения высокой производительности можно свободно переключаться на любой режим в настройках.
2. Практически все устройства обладают диагностическими функциями, что позволяет быстро устранить возникшую неполадку. Однако рекомендуется в первую очередь проверить настройки, исключить вероятность непроизвольных действий работников.
3. Регулируемыйприводможетсинхронизировать конвейерные процессы, либо задавать определённое соотношение взаимозависимых величин. Сокращение оборудования ведёт к оптимизации технологии.
4. В состоянии автонастройки параметры двигателя автоматически заносятся в память преобразователя частоты. Благодаря чему повышается точность вычисления момента, и улучшается компенсация скольжения.

Область применения

Производителями предлагается широкий ассортимент приводов, используемых в областях, где задействованы электродвигатели. Идеальное решение для всех видов нагрузки, и вентиляторов. Системы среднего класса используются на угольных электростанциях, в горнодобывающей промышленности, на мельницах, в жилищно-коммунальном хозяйстве и т. д. Диапазон номиналов выглядит таким образом: 3 кВ, 3.3 кВ, 4.16 кВ, 6 кВ, 6.6 кВ, 10 кВ и 11 кВ.

С появлением регулируемого электропривода контроль давления воды у конечного потребителя не вызывает проблем. Интерфейс с продуманной структурой сценариев отлично подходит для управления насосным оборудованием. Благодаря компактной конструкции, привод может быть установлен в шкаф различного исполнения. Продукты нового поколения обладают свойствами передовой техники:

• высокая скорость и точность управления в векторном режиме;
• существенная экономия электроэнергии;
• быстрые динамические характеристики;
• большой низкочастотный вращающий момент;
• двойное торможение и т. д.

Назначение и технические показатели

Комплектные ЧРП напряжением до и выше 1 кВ (предназначенные для приема и преобразования энергии, защиты электрооборудования от токов КЗ, перегрузки) позволяют:

• плавно запускать двигатель, а, следовательно, уменьшать его износ;
• останавливать, поддерживать частоту вращения вала двигателя.

Комплектные ЧРП шкафного исполнения до 1кВ выполняют те же задачи по отношению к двигателям с мощностью 0,55 – 800 кВт. Привод нормально работает, когда напряжение в электросети находится в пределах от -15% до +10%. При безостановочной работе снижение мощности наступает, если напряжение составляет 85%-65%. Общий коэффициент мощности cosj = 0,99. Выходное напряжение автоматически регулируется посредством автоматического включение резерва (АВР).

Преимущества использования

С точки зрения оптимизации и потенциальные преимущества предоставляют возможность:

• регулировать процесс с высокой точностью;
• удалённо диагностировать привод;
• учитывать моточасы;
• следить за неисправностью и старением механизмов;
• повышать ресурс машин;
• значительно снижать акустический шум электродвигателя.

Заключение

Что такое ЧРП? Это мотор-контроллер, который управляет электродвигателем за счет регулировки частоты входной сети, и одновременно защищает агрегат от различных неисправностей (токовой перегрузки, токов КЗ).

Электрические приводы (выполняющие три функции, связанные со скоростью, управлением и торможением) являются незаменимым устройством для работы электродвигателей и других вращающихся машин. Системы активно применяются во многих сферах производства: в нефтегазовой отрасли, атомной энергетике, деревообработке и др.