Как настроить преобразователь частоты для асинхронных электродвигателей

Как работают преобразователи частоты для асинхронных двигателей

Асинхронные электродвигатели – самые распространенные электрические машины. Они отличаются простотой конструкции, дешевизной, высокой ремонтопригодностью, а также другими преимуществами. Они широко используются для привода промышленного оборудования, механизмов и устройств самого разного назначения. Сферу их применения несколько ограничивают высокие пусковые токи, затруднение регулирования скорости, ударные механические нагрузки на оборудование, соединенное с валом при пуске.

Частотные преобразователи позволяют осуществлять мягкий пуск электрических машин, ограничивать пусковые токи, синхронизировать момент силы на валу с моментом нагрузки, осуществлять точную регулировку скорости вращения, подключать трехфазные двигатели в однофазную сеть без конденсаторов.

Электродвигатель – устройство для преобразования электроэнергии во вращательное движение вращающейся части электрической машины. Преобразование энергии в двигателях происходит за счет взаимодействия магнитных полей обмоток статора и ротора. Эти электрические машины широко используются во всех отраслях промышленности, в качестве привода электротранспорта и инструментов, в системах автоматизации, бытовой техники и так далее.

Принцип действия частотных преобразователей

Принцип действия частотного регулирования основан на зависимости скорости вращения и момента силы на валу двигателя переменного тока от частоты напряжения питания. Частотные регуляторы изменяют частоту поданного на электродвигатель напряжения, тем самым регулируя скорость вращения ротора и момент силы.

Преобразование частоты может осуществляться несколькими способами. Схема преобразования частоты с непосредственной электрической связью с сетью представляет собой управляемый выпрямитель на тиристорах. Управляющий блок генерирует сигналы, поочередно отпирающие полупроводниковые устройства, подающие напряжение заданной частоты на обмотки электрической машины.

Такая схема отличается высоким к.п.д., обеспечивает стабильную работу двигателя при небольших скоростях вращения ротора, передачу генерируемой электроэнергии при торможении двигателя в сеть.

Однако, такие недостатки, как невозможность изменять частоту в большую сторону, наличие в выходном напряжении постоянной составляющей и субгармоник, вызывающих перегрев обмоток и появление электромагнитных помех, ограничивают сферы применения частотников с непосредственной связью.

Большинство современных частотных преобразователей построено на базе схем двойного преобразования. Такое техническое решение имеет следующие преимущества:

Возможность изменять частоту как в большую, так и меньшую сторону.
Выходное напряжение чистой синусоидальной формы.
Отсутствие высших гармоник.
Плавное, высокоточное регулирование частоты питающего напряжения двигателя.

Состоит такой преобразователь частоты из трех блоков:

Диодного или тиристорного выпрямителя с емкостными, индуктивными или комбинированными фильтрами. Этот узел осуществляет выпрямление сетевого напряжения и его сглаживание.
Инвертирующего блока. Этот элемент осуществляет обратное преобразование постоянного напряжения в переменное. Индуктивный элемент на выходе осуществляет фильтрацию постоянной составляющей, а также высокочастотных помех, наличие которых негативно сказывается на работе электродвигателя.
Управляющей схемы на базе микропроцессора. Основные ее функции – задание частоты выходного напряжения и тока. Частота тока на выходе инвертора определяется шириной или длительностью управляющих импульсов со схемы управления (широтно- или частотно- импульсная модуляция). Процессор также осуществляет связь с удаленными пунктами управления, автоматическое регулирование по обратной связи по механическим и электрическим характеристикам подключенной к нему электрической машины, а также другие функции.

Выбор частотного преобразователя

При проектировании частотно-регулируемого электропривода необходимо учесть множество нюансов. При выборе частотника руководствуются следующими критериями:

Назначение преобразователя. Многие производители выпускают ПЧ, предназначенные для электродвигателей насосов, лифтов, электроприводов вентиляционных систем, а также универсальные устройства общепромышленного назначения. Специализированные частотники производят под конкретное технологическое оборудование. Возможность их адаптации существенно ограничена. Общепромышленные регуляторы частоты можно настраивать под различные приводы.
Способ управления и поддержка различных протоколов связи. Регулируемые по частоте электроприводы обычно интегрируются в комплексные системы автоматизации и удаленного контроля и управления. Частотный преобразователь должен быть укомплектован контроллером, который поддерживает связь по протоколу, применяемому в конкретной АСУТП.
Мощность и перезагрузочная способность. Номинальная электрическая мощность преобразователя должна быть больше аналогичного параметра электродвигателя на 15-30%. При расчете мощности учитывают пусковые токи электрической машины, пиковые нагрузки на двигатель и их длительность. Ошибки ведут к перегреву частотника, выходу из строя силовых транзисторов или тиристоров.
Диапазон и точность регулирования. Интервал изменения частоты и точность ее задания должны соответствовать требованиям условий технологического процесса. Возможность изменения частоты у скалярных преобразователей 1:10, если требуется более широкий диапазон, необходим частотник с векторным управлением.
Электромагнитная совместимость. Частотный преобразователь чувствителен к электромагнитным помехам и сам является их источником. Выбор устройства осуществляется на основании условий его установки. При необходимости может потребоваться его установка в отдельном помещении, подключение специальных фильтров и использование экранированных кабелей. Компания «Данфосс» выпускает преобразователи, укомплектованные встроенными ЭМ-фильтрами.
Наличие функций отключения двигателя при перегреве, дисбалансе фаз, перегрузках, других аварийных и ненормальных режимов работы.
Наличие автоматизированного управления по событиям. Для синхронизации работы промышленного оборудования необходимы частотники, имеющие функции регулирования по достижению определенной величины технологических параметров.
Количество входов и выходов для подключения удаленных устройств управления и контроля. На случай модернизации САР или усложнения АСТП рекомендуется выбрать частотники с избыточным количеством аналоговых и дискретных разъемов. Для электроприводов автоматизированных систем рекомендуется подобрать частотный регулятор со встроенной памятью и функцией ведения журнала событий.
Номинальный ток и напряжение. Электрические параметры частотника должны соответствовать характеристикам электродвигателя.

Выбор частотного регулятора для промышленного оборудования делается на основании расчетов по специализированным методикам. Малейшие ошибки могут привести к авариям, которые могут иметь непредсказуемые последствия. Проектирование электропривода и выбор ПЧ целесообразно доверить специалистам по автоматизации. Правильный выбор частотника обеспечивает экономию электроэнергии до 40-50%, снижение затрат на ремонт и обслуживание электропривода и дает неплохой экономический эффект.

Подключение двигателей к различным видам ПЧ

Рассмотрим схемы включения асинхронных двигателей «звезда» и «треугольник» в контексте их питания от преобразователей частоты. Для начала немного освежим в памяти теорию.

Что такое «звезда» и «треугольник»

Обычно используются асинхронные двигатели с тремя обмотками, которые можно подключить двумя способами — по схеме «звезда» (обозначается символом «Y») или «треугольник» («Δ» или «D»). Схема соединения должна обеспечивать нормальную работу двигателя при имеющемся напряжении питания.

Первое, от чего необходимо отталкиваться при выборе схемы — информация на шильдике двигателя. На нем указываются параметры для обеих схем. Наиболее важный параметр — напряжение питания. Напряжение «звезды» в 1,73 раза (точнее в квадратный корень из 3) больше, чем «треугольника». Например, если указано, что напряжение питания двигателя, включенного по схеме «звезда», составляет 380 В, то можно точно сказать, даже не глядя на шильдик, что для включения по схеме «треугольник» необходимо напряжение 220 В. В данном случае напряжение 380 В соответствует линейному напряжению в стандартной сети, и двигатель можно подключать по схеме «звезда» через контактор либо через частотный преобразователь. То же самое справедливо и для случаев, когда напряжение «треугольника», указанное на шильдике, равно 380 В. Тогда, умножая на 1,73, получаем напряжение «звезды» равным 660 В.

Эти два типа двигателей, отличающиеся напряжениями питания (220/380 и 380/660 В), в подавляющем большинстве случаев используются на практике и имеют свои особенности подключения, которые мы рассмотрим ниже.

Классическая схема «звезда» / «треугольник»

При питании «напрямую» от промышленной сети с линейным напряжением 380 В подойдут оба типа двигателей. Нужно лишь убедиться, что схема включения обмоток собрана на нужное напряжение.

Однако на практике для питания в схеме «звезда» / «треугольник» применяют второй тип приводов (380/660 В). Данная схема используется для уменьшения пускового тока мощных двигателей, который может превышать рабочий в несколько раз. Несмотря на то, что этот ток кратковременный, в течение разгона питающая сеть и привод испытывают значительные электрические и механические перегрузки – ведь в первую долю секунды ток двигателя может в 10 раз превышать номинал, плавно снижаясь в процессе разгона.

Схема подключения «звезда» / «треугольник» приведена во многих источниках, поэтому лишь напомним коротко, как она работает.

Чтобы сделать процесс пуска более щадящим, сначала напряжение 380 В подают на обмотки двигателя, включенные по схеме «звезда». Поскольку рабочее напряжение этой схемы должно быть больше (660 В), двигатель работает на пониженной мощности. Через несколько секунд, после того, как привод раскрутится, включается «треугольник», для которого 380 В является рабочим напряжением, и двигатель выходит на номинальную мощность.

Классическую схему мы рассмотрели, а теперь разберём, в каких случаях использовать подключение двигателей в «звезде» и «треугольнике» при питании от преобразователя частоты.

Преобразователи частоты на 220 В

При питании преобразователя частоты от одной фазы (фазное напряжение 220 В) линейное напряжение на его выходе не может быть более 220 В. Поэтому для питания асинхронного двигателя от однофазного ПЧ нужно подключить обмотки привода с напряжениями 380/220 В по схеме «треугольник». Этот же двигатель, подключенный по схеме «звезда», будет работать с пониженной мощностью.

Преобразователи частоты на 380 В

Трехфазные ПЧ являются более универсальными с точки зрения подключения двигателей с разным напряжением питания. Главное – собрать в клеммнике (борно) двигателя схему на напряжение 380 В. Именно этот вариант используется в большинстве частотных преобразователей, работающих в промышленном оборудовании.

ПЧ с возможностью переключения «звезда» / «треугольник»

В некоторых преобразователях, работающих с мощными двигателями, имеется возможность оперативного переключения схемы работы. Это делается с целью расширения диапазона регулировки скорости двигателя вверх от номинальной. Метод основан на том факте, что подключение «звездой» обеспечивает более высокий момент на малой скорости, а подключение «треугольником» — высокую скорость. Можно задавать выходную частоту, на которой происходит переключение, время паузы (задержки) переключения, параметры двигателя для первого и второго режимов.

У частотных преобразователей такого типа имеются выходы для включения соответствующих контакторов, обеспечивающих формирование нужных схем включения.

Настройки ПЧ для схем «звезда» и «треугольник»

Когда выбирается схема подключения, нужно помнить о том, что некоторые параметры в настройках ПЧ чувствительны к выбору вида схемы, например, номинальное напряжение и номинальный ток.

Бывает так, что необходимо подключить двигатель, собранный по схеме «треугольник» на напряжение 220 В, к выходу трехфазного ПЧ, линейное напряжение которого при частоте 50 Гц равно 380 В. Понятно, что в этом случае двигатель нужно включить в «звезду», но иногда этого сделать невозможно.

Выход есть. Необходимо указать номинальную частоту двигателя равной не 50 Гц, как указано на шильдике, а 87 Гц (в 1,73 раза больше). Аналогичным образом нужно задать и максимальную выходную частоту преобразователя. В результате того, что отношение V/F на выходе ПЧ остается неизменным, на частоте 50 Гц напряжение на обмотках двигателя составит как раз 220 В. При этом верхнюю рабочую частоту двигателя необходимо установить на значение 50 Гц.

Преимуществом такого подключения является возможность повышения рабочей частоты двигателя выше 50 Гц, при этом вплоть до 87 Гц двигатель не будет терять рабочий момент. В данном случае важно следить за механическим износом системы и за нагревом привода.

Преобразователь частоты для трехфазного двигателя

Трехфазные асинхронные электродвигатели – самые распространенные электрические машины. Их отличают небольшие габариты при значительной мощности, простота конструкции, низкая стоимость. До появления частотных регуляторов применение этих устройств ограничивали высокие пусковые токи, сложные схемы регулирования скорости вращения ротора.

Ранее для этого применялись:

Механические устройства (муфты, редукторы и т.д.).
Электрические схемы, изменяющие величину питающего напряжения.

Такие методы не обеспечивали точность, жесткие механические характеристики электродвигателя во всем диапазоне регулирования вызывали значительные потери мощности. В качестве электропривода ответственного оборудования применялись электрические машины постоянного тока, а также двигатели с фазным ротором.

С появлением высоковольтных транзисторов и тиристоров стал возможным серийный выпуск частотных преобразователей для асинхронных электродвигателей мощностью до десятков МВт. Частотно-регулируемый электропривод отвечает всем современным требованиям:

Максимально возможный К.П.Д. (свыше 90%).
Надежность и простота управления.
Высокая ремонтопригодность.
Широкий диапазон и плавное регулирование скорости вращения, углового положения вала, разгона и торможения, момента силы и других параметров.
Высокая энергоэффективность.
Изменение характеристик в зависимости от фактической нагрузки на валу.
Помехоустойчивость и быстрое устранение ошибок.
Снижение тока при запуске до 100-200% от номинального.

Применение преобразователей частоты позволяет заменить дорогостоящие электромоторы переменного тока с фазным ротором и двигатели постоянного тока на дешевые асинхронные машины с короткозамкнутым ротором.

Принцип работы частотного преобразователя

Принцип частотного регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты напряжения, поданного на обмотки статора. ПЧ состоит из силовой и управляющей части. Первая состоит из управляемого или неуправляемого выпрямителя, конденсатора и инвертора. Переменное напряжение сети поступает на выпрямитель, где преобразуется в постоянное. Пульсация получаемого напряжения сглаживается на конденсаторе. Далее постоянное напряжение инвертируется в переменное и поступает в цепь питания электродвигателя.

Постоянная составляющая и высшие гармоники сглаживаются на обмотках двигателя. При необходимости между ПЧ и электрической машиной включают L-фильтры.

Частота и амплитуда напряжения в выходной цепи зависит от управляющих импульсов, отпирающих и запирающих транзисторные ключи инвертора.

Управляющая часть содержит микроконтроллер. Функции этого устройства – формирование управляющих сигналов в соответствии с заданной программой, обработка информации с датчиков, подача сигналов на внешние устройства. Кроме того, в состав управляющей схемы могут входить устройства связи, конвертор интерфейсов, дополнительная память.

Типы сигналов управления

Частотный преобразователь имеет входные и выходные клеммы для подключения датчиков, внешних устройств управления, сигнализации и контроля. Для управления частотно-регулируемым приводом используют следующие сигналы:

Цифровые(0-5; 0-10 В). Служат для обмена данными с ПК, а также оборудованием удаленного контроля по протоколам САN, RS232, LАN и так далее.
Аналоговые (0-10 В; 0-20 мА). К таким входам подключают датчики, устройства управления с соответствующим уровнем выходного сигнала.
Релейные. Предназначены для включения устройств оповещения, сигнальных ламп, звуковой сигнализации, тормозных электромагнитных муфт и т.д.
Дискретные (0-10 В; 0-20 мА). Для подключения устройств с 2 положениями.

Как правильно подобрать преобразователь частоты для трехфазного двигателя

Выбор ПЧ делают по следующим критериям:

Способу управления. Различают векторный и скалярный способ управления электродвигателями. Последний применяется для низкопроизводительных вентиляторов, насосных агрегатов, компрессоров. Для лифтов, кранового оборудования и других устройств, требующих точной регулировки с обратной связью по нескольким характеристикам, применяют векторные ПЧ.
Диапазону регулирования скорости и момента. Он должен соответствовать требованиям к оборудованию.
Номинальному току, электрической мощности и напряжению. При этом учитывают максимальное значение величин этих характеристик. Рекомендуемый запас мощности ПЧ составляет 15-20%. На двигателе обычно указывают 2 значения напряжения при подключении в звезду или треугольник. Необходимо подобрать преобразователь с номинальным напряжением, соответствующим типу соединения обмоток.
Количеству аналоговых, цифровых и релейных входов и выходов. Для упрощения последующей модернизации системы управления электроприводом необходимо подобрать преобразователь частоты с большим количеством разъемов.
Электромагнитной совместимости. Частотный преобразователь является источником высших гармоник и электромагнитных помех. При выборе этого устройства необходимо учесть электромагнитную совместимость с другим оборудованием. При необходимости применять экранированные кабели и фильтры.
Классу пылевлагозащищенности IP. При невозможности подобрать подходящий ПЧ, устройство, несоответствующее условиям монтажа, устанавливают в электротехнические шкафы, обеспечивающие необходимую защиту от пыли и влаги.
Возможности подключения нескольких электродвигателей. Для подключения двух или более однотипных двигателей иногда достаточно одного преобразователя частоты.
Наличию информационного дисплея, пульта дистанционного управления, поддерживаемым протоколам обмена данными, другим дополнительным функциям.

Самостоятельное подключение ПЧ

Подключение частотных преобразователей может осуществляться собственным электротехническим персоналом предприятия. При этом руководствуются технической документацией и следующими правилами:

Класс ЭМС ПЧ должен соответствовать аналогичной характеристике другого электрооборудования. Для достижения этого требования используют РЧ-фильтры и экранируемые кабели.
Электродвигатели, для плавного пуска которых применялось переключение “звезда-треугольник”, подключают по одной рабочей схеме.
ПЧ защищают трехфазным автоматическим выключателем и плавкими предохранителями, включаемыми перед устройством.
Все управляющие кабели прокладывают раздельно. Также запрещена совместная прокладка силовой и контрольной линии.
Датчик температуры обмоток подключают к соответствующему входу ПЧ.
Недопустимо включение конденсаторных фильтров между частотником и электродвигателем. Для компенсации реактивной составляющей используют индуктивные устройства.
При наличии принудительного охлаждения электродвигателя, управляющую цепь также подключают к ПЧ, который обеспечивает одновременный запуск охлаждающего вентилятора и электродвигателя.
При установке ПЧ в шкафах управления должна быть обеспечена хорошая вентиляция и охлаждение корпуса устройства.

Частотные преобразователи применяются во всех сферах промышленности и народного хозяйства, а также для бытового электропривода. Их применение снижает потребление электроэнергии, позволяет заменить дорогие электрические машины на простые и дешевые двигатели асинхронного типа, упростить схемы автоматического управления.

ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Менеджеры компании с радостью ответят на ваши вопросы и произведут расчет стоимости услуг и подготовят индивидуальное коммерческое предложение.

Задать вопрос

Хотя еще рано сбрасывать со счетов электропривод постоянного тока, в промышленности и бытовой сфере в практически любых технических системах используется сочетание асинхронного двигателя и преобразователя частоты. Несмотря на очевидные преимущества асинхронного двигателя перед двигателем постоянного тока, его слабой стороной являлась сложность регулирования скорости вращения. В настоящее время данная проблема устранена благодаря современным частотным преобразователям.

ЧТО ТАКОЕ ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОРАЗОВАТЕЛЬ

Говоря простым языком — частотный преобразователь – устройство для управления асинхронным двигателем. Возможно регулирование скорости вращения и другими методами — установкой вариатора, редуктора, муфты, но это не позволяет менять скорость в широком диапазоне, усложнят монтаж и не является энергосберегающим решением.

ЗАЧЕМ НУЖЕН ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Частотный преобразователь в случае асинхронных электродвигателей самых различных агрегатах как промышленного, так и потребительского назначения используется для оптимизации управления двигателем, приводящей в итоге к экономии электроэнергии, увеличению срока службы устройства. Использование частотных преобразователей позволяет произвести эффективную, простую и надёжную автоматизацию процесса управления оборудованием.

Основные задачи, которые решает преобразователь частоты, кроме увеличения/уменьшения скорости вращения это:

Плавный пуск и плавный останов двигателя, что позволяет избежать высоких механических нагрузок на оборудование.
Уменьшение затрат электроэнергии, что актуально не только для больших промышленных предприятий, но при бытовом использовании в составе насосной станции на даче, например.
Защита от перегрузки двигателя, что продлевает срок его эксплуатации.
Сохранение высокого крутящего момента на низких оборотах, что очень важно при тяжелом пуске (например, в составе оборудования дробилок для щебня)

И как говорилось выше, всё, что связано с управлением скоростью вращения – изменяемое или адаптивное вращение (пример: линии конвейера, где вращение может быть задано с непостоянной скоростью). Высокая точность вращения – что важно при использовании на различных обрабатывающих станках.

УСТРОЙСТВО ЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Как на заре появления транзисторных радиоприёмников в народе их стали называть просто “транзисторами”, по названию основного электронного компонента этих устройств, так и название “частотный преобразователь” нельзя считать совсем точным.

На самом деле мы рассматриваем устройство, состоящее из выпрямительного модуля, преобразующего переменный ток на входе в постоянный, и модуля преобразователя частоты, преобразующего полученный на выходе выпрямительного модуля постоянный ток в переменный заданной частоты и амплитуды, возможно ШИМ-модулированный.

Само же это устройство в целом является одним из компонентов электропривода.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

В зависимости от технических деталей принципа управления, частотные преобразователи условно подразделяются на “векторные” и “скалярные”. Первые отличаются в основном более стабильным поддержанием момента вращения двигателя в широком диапазоне частот (числа оборотов).

Скалярное управление наиболее распространено и максимально удовлетворяет требованиям таких механизмов, как насосы, вентиляторы, компрессоры, а также тех, для которых важно поддерживать скорость вращения. Метод довольно прост, но имеет небольшой диапазон регулирования скорости и требует установки дополнительных датчиков для реализации управления по скорости и моменту.

Разнообразие векторных вариантов управления впечатляет, но может быть условно разделено на две группы:

Управление по вектору тока (довольно простой метод, присущий абсолютному большинству преобразователей)
Управление по вектору напряжения. Основано на том, что напряжение пропорционально моменту, что позволяет без дополнительных пересчетов получить управление последней характеристикой.

Все остальные методы, по большому счету, являются их дополнением, каждый производитель совершенствует по своему усмотрению расчеты и измерения таких показателей, как индуктивность, намагниченность, вектор электромагнитного поля и т.д.

Собственно детали методов управления являются весьма сложными, а сами методы постоянно совершенствуются. Важным моментом при выборе частотного преобразователя является знание потенциальным потребителем минимальных требований, которые налагает объект управления (вентилятор, насос, конвейер и т.д.). Это позволит с одной стороны не переплачивать за преобразователь с ненужными свойствами, а с другой – не оказаться в ситуации, когда привод, скомпонованный из частотника и асинхронного двигателя, не обеспечивает должное функционирование объекта управления.

ВИДЫ ЧАСТОТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЛЕЙ

Помимо определения способа управления, который определяется техническими требованиями оборудования и стоимостью частотного преобразователя, необходимо знать мощность и тип подключения к двигателю, то есть количество фаз на входе и выходе.