Главная

Преобразователь частоты

Преобразователь частоты: вся информация об устройстве

Оглавление

Физическая основа преобразователей частоты.

Конструкция и принцип работы преобразователей частоты.

Выпрямитель.

Промежуточная цепь.

Инвертор.

Типы управления частотным преобразователем.

Интерфейсы частотных преобразователей.

ГОСТы и ТУ для частотных преобразователей.

Преимущества использования частотных преобразователей.

Недостатки преобразователей частоты.

Назначение и область применения частотных преобразователей.

Как выбрать частотный преобразователь?

Как осуществляется подключение преобразователя частоты?

Техника безопасности при подключении преобразователя частоты.

Преобразователь частоты – это статическое преобразовательное устройство, которое предназначено для регулировки частоты электрического тока. Преимущественно он используется для управления скоростью вращения двигателей асинхронного типа и позволяет повысить эффективность их работы, а также снизить изнашиваемость узлов.

Физическая основа преобразователей частоты

Теоретические основы по работе преобразователей частоты были изложены еще в 30-х годах 20 столетия, но на тот период из-за отсутствия транзисторов и микропроцессоров практическая их реализация была невозможной. Только, когда в США, Европе и Японии были разработаны недостающие компоненты, начали появляться первые вариации частотных преобразователей. С тех пор они претерпели существенных технологических изменений, но принцип их работы до сих пор строится на одних и тех же физических законах.

Работа преобразователей частоты строится на следующей формуле:

Из данного выражения сразу становится ясно, что при изменении частоты входного напряжения, которое в формуле обозначено, как f1, будет меняться и угловая скорость магнитного поля статора, которая определяет и скорость вращения самого статора. Такой эффект может быть достигнут только в случае, если величина p (количество пар полюсов) будет оставаться неизменной.

Что же это дает нам? Во-первых, возможность плавного регулирования скорости вращения. Особенно актуально это на пиковых нагрузках при запуске. Во-вторых, такая зависимость позволяет повысить скольжение двигателя асинхронного типа, увеличив его КПД.

Стоит также отметить, что такие характеристики, как коэффициент мощности, КПД, коэффициент перегрузочной способности принимают высокие значения именно при одновременном регулировании частоты и напряжения тока. Закономерности изменения этих параметров напрямую зависят от нагрузочного момента, который может принимать следующий характер:

Постоянный. При таком характере нагрузочного момента напряжение на статоре будет прямо пропорционально зависеть от частоты:

formula0

Вентиляторный. В данном случае напряжение будет пропорционально частоте в квадрате:

formula1 (1)

Обратно пропорциональный. В данном случае формула будет иметь следующий вид:

formula2

Вышеописанные выкладки подтверждают, что при одновременной регулировке частоты и напряжения с помощью частотного преобразователя можно обеспечить плавное и равномерное изменение скорости вращения вала.

Конструкция и принцип работы преобразователей частоты

Если рассматривать общую конструкцию преобразователей частоты, то в ней стоит выделить два основных блока компонентов:

Управления.
Электропреобразований.

Первый блок обычно представлен микропроцессором, который воспринимает команды от внешних систем управления и интерфейсов и передает непосредственно на электропреобразовательные элементы.

Блок электропреобразований является основным рабочим механизмом всей системы. Именно он отвечает за прием входного тока и преобразование его параметров до нужных значений, установленных оператором через управляющий блок. В состав данного блока входят следующие элементы:

Выпрямитель.
Промежуточная цепь.
Инвертор.

Поговорим о каждом более подробно.

Выпрямитель

Данный компонент предназначен для формирования пульсирующего напряжения в одно- или трехфазных сетях переменного тока. Выпрямители обычно строятся либо на диодах, либо на тиристорах. В первом случае они считаются неуправляемыми, а во втором управляемыми.

Неуправляемые выпрямители. В их конструкции используется две группы диодов, которые подсоединены к различным клеммам и проводят различные напряжения – положительное и отрицательное. В конечном счете выходное напряжение равняется разности напряжений на этих группах диодов и в математическом выражении имеет следующее значение: 1,35*входное напряжение сети.
Управляемые выпрямители. В конструкции таких выпрямителей вместо диодов используются тиристоры. На них может подаваться входящий сигнал a, который стимулирует задержку тока, выражаемую в градусах. В случаях, когда значение данного параметра колеблется в пределах 0-90 градусов, тиристоры играют роль выпрямителей, а когда в 90-300 градусов – инвертора. Выходное значение постоянного напряжения составляет: 1,35* входное напряжение сети*cos α.

Промежуточная цепь

Промежуточная цепь выполняет роль своеобразного хранилища, из которого электродвигатель получает энергию через инвертор. В зависимости от комбинации инвертора и выпрямителя промежуточная цепь может иметь одну из следующих формаций:

Инвертор-источник питания. В данном случае промежуточная цепь имеет в составе мощную индуктивную катушку, которая преобразует напряжение выпрямителя в изменяющийся постоянный ток. Само напряжение двигателя определяется по нагрузке. Такой тип цепей может работать только с управляемыми выпрямителями.
Инверторы - источники напряжения. В данном случае в промежуточной цепи используется фильтр, в состав которого входит конденсатор. Он сглаживает напряжение, поступающее от выпрямителя. Такие цепи способны работать с любыми типами выпрямителей.
Цепь изменяющегося постоянного напряжения. В данном случае перед фильтром устанавливается прерыватель, в котором имеется транзисторы, выключающий и включающий подачу напряжения от выпрямителя. В данном случае фильтр обеспечивает сглаживает прямоугольные напряжения после прерывателя, а также поддерживает постоянное напряжение на заданной частоте.

Инвертор

Инвертор является последним звеном в частотном преобразователе перед самим электродвигателем. Именно он окончательно преобразует напряжение в нужный для работы вид. Вследствие вышеописанных преобразований, происходящих на выпрямителе и промежуточной цепи, инвертор получает:

Постоянный ток изменяющегося характера.
Изменяющееся или неизменное напряжение постоянного тока.

Собственно, сам инвертор и обеспечивает подачу напряжения необходимой частоты. Если на него поступает изменяемое напряжение или ток, то он создает только нужную частоту. Если же неизменяемое, то он создают и нужную частоту, и нужное напряжение.

Обычно в конструкции инверторов используются высокочастотные транзисторы, частота коммутации которых находится в диапазоне от 300 до 20 кГц.

Типы управления частотным преобразователем

Существует два основным метода управления электродвигателями с использованием частотных преобразователей:

Скалярный.
Векторный.

Асинхронные системы управления на сегодняшний день считаются самыми распространенными. Они используются в приводах вентиляторов, насосов, компрессоров и т.д. Главный принцип, который лежит в основе скалярного управления, состоит в изменении частоты и амплитуды напряжения по закону U/fⁿ = const, где n всегда больше 1. Соответственно, меняя напряжение U, мы изменяем и частоту f в степени n. При этом степенное значение определяется в зависимости от особенностей самого частотного преобразователя и его назначения.

Сама методика скалярного управления достаточно проста с точки зрения ее технической реализации, но при этом имеет два существенных недостатка. Первый заключается в том, что без дополнительного датчика скорости вы не сможете регулировать скорость вала, ведь она напрямую зависит от нагрузки. Данную проблему можно решить простым приобретение датчика.

Но существует еще один недостаток – невозможность регулировки момента. Казалось бы, данная проблема тоже решается покупкой датчика момента. Но он достаточно дорог, да и само управление получится весьма спорным. К тому же, совместно управлять и скоростью и моментом при скалярном типе управления невозможно.

Векторный тип управления подразумевает, что в саму систему закладывается математическая модель работы электродвигателя, что позволяет на программном уровне по входным параметрам рассчитывать и скорость, и момент. При этом обязательно только наличие датчика, который будет снимать показатели тока фаз статора.

Существует два класса векторных систем управления:

Без датчиков скорости.
С датчиками скорости.

Их использование в тех или иных случаях определяется в зависимости от условий эксплуатации двигателя. Если диапазон изменения скорости вращения вала не превышает 1:100, а требования по точности не более 0,5%, то отлично подойдет система без датчиков.

Если же диапазон изменения скорости составляет 1:1000, а требования по точности установлены на уровне до 0,02%, то лучше использовать системы управления с датчиками.

Стоит отметить, что у векторного управления также есть свои недостатки. Например, для их настройки требуются большие вычислительные мощности и знание рабочих параметров двигателей. Кроме того, векторное управление не может использоваться там, где в преобразователю частот подключено сразу несколько рабочих агрегатов – там целесообразно применять скалярные системы.

Интерфейсы частотных преобразователей

В конструкции большинства современных частотных преобразователей имеется целый набор различных интерфейсов, через которые можно осуществлять подключение стороннего оборудования или синхронизировать несколько частотников. Рассмотрим основные входы и выходы, используемые в подобных устройствах:

Аналоговый вход. Данный интерфейс служит для приема стандартного аналогового сигнала производственного диапазона, который располагается в пределах от 0(4) до 20мА или от 0 до 10В. Через него можно осуществлять регулировку работы частотного преобразователя. Например, минимальная величина аналогового сигнала может сигнализировать устройству о том, что выходная частота, поступающая на двигатель, должна иметь свое минимальное значение и наоборот – максимальная должна соответствовать максимальной.
Аналоговый выход. Данный выход по своему функционалу аналогичен входу. Только в этом случае он передает информацию о частоте, поступающей на двигатель, через аналоговый сигнал определенной величины, что позволяет контролировать режим работы.
Дискретный вход. Данный вход способен принимать скачкообразные сигналы. Как и аналоговый вход, он способен изменять параметры. Например, минимальный сигнал может соответствовать мгновенной минимальной выходной частоте преобразователи, а максимальный – максимальной выходной частоте.
Дискретный выход. Данный выход позволяет выполнять аналогичные входу операции только в обратном порядке.
RS-485. Данный интерфейс является полноценным входом, который позволяет в полной мере взаимодействовать с преобразователем частот, например, через компьютер. С его использованием можно настраивать рабочие параметры оборудования, отслеживать его состояние и т.д. В интерфейсе RS-485 используется особенный дифференциальный сигнал, который позволяет проводить линии длиной до 120 метров. Таким образом, можно установить преобразователь частот на производственном участке, а управление им осуществлять в командной рубке, удаленной от рабочего пространства.

Кроме того, в частотных преобразователях могут использоваться и другие интерфейсы. Все зависит от конкретной модели устройства и его производителя.

ГОСТы и ТУ для частотных преобразователей

Собственно, как и любые технические средства, используемые на производственных предприятиях и в оборудовании, частотные преобразователи и требования к ним регламентируются определенной технической базой, а именно следующими документами:

Правила устройства электроустановок 7-е издание.
ГОСТ 24607-88 Преобразователи частоты.
ГОСТ 13109-97 Совместимость технических средств электромагнитная.
ГОСТ Р 51137-98 Электроприводы регулируемые асинхронные.
ФЗ 261 Федеральный закон об энергосбережении и энергоэффективности.
ТР ТС 00_2011 Электромагнитная совместимость технических средств.
ГОСТ26284-84 — Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Условные обозначения.
ГОСТ23414-84 — Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Термины и определения.
ГОСТ 4.139-85 Система показателей качества продукции. Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Номенклатура показателей.

В соответствии с описанными в этих документах требованиями должен осуществлять выбор конкретной модели устройства, а также ее установка и отладка.

Преимущества использования частотных преобразователей

Частотные преобразователи нашли широкое применение в самых различных производственных нишах и оборудовании. Столь высокий спрос на подобные устройства обусловлен следующими преимуществами их использования:

Уменьшение тока запуска. В случае запуска электродвигателя с помощью прямых пускателей наблюдается резкое увеличение тока, значения которого превышают номинальное в 7-15 раз. Это негативно сказывается на электропривод и может привести к пробою изоляции, выгоранию контактов и ряду других негативных последствий. Кроме того, такой способ запуска оказывает влияние и на механические компоненты системы. В момент пуска рабочие узлы двигателя подвергаются высоким нагрузкам, что приводит к их более быстрому износу. Благодаря частотным преобразователям можно существенно снизить пусковые нагрузки на электродвигатель, продлив срок его безремонтной эксплуатации.
Экономичность. Как правило, двигатели, поддерживающие работу вентиляционных и насосных систем, всегда работают на одной и той же частоте, а регулировка давления и других рабочих показателей осуществляется с помощью арматуры (шиберы, заслонки и т.д.). Это приводит к нерациональному расходованию электроэнергии. В случае использования преобразователей частот можно осуществлять настройку рабочих параметров системы за счет корректировки интенсивности работы двигателя. Это дает возможность более рационально расходовать его ресурсы.
Повышенная адаптивность. При использовании частотных преобразователей можно конструировать автоматизированные системы, которые по установленным алгоритмам будут корректировать работу оборудования. Это снижает трудозатраты производственных процессов и позволяет сделать их более точными за счет исключения человеческого фактора.
Ремонтопригодность. В случае поломки преобразователя частот вы можете отдать его в мастерскую, где мастер заменит вышедшие из строя детали. Правда, это касается только электропреобразующего блока – с блоками управления все намного сложнее и они более требовательны с точки зрения восстановления.

Частотные преобразователи являются оптимальным решением для организации самых различных производственных процессов и отладки рабочего оборудования, на базе которого используются электромоторы.

Недостатки преобразователей частоты

Частотные преобразователи также имеют и свои недостатки. К ним следует отнести:

Дороговизна. Частотные преобразователи являются самым дорогим преобразовательным оборудованием. Правда, данный недостаток весьма относителен с учетом того, что такие устройства позволяют продлить срок эксплуатации электродвигателей, а также увеличить срок их безремонтной эксплуатации.
Ограниченность. Далеко не все старые электродвигатели способны работать в связке с частотным преобразователем. Даже, если это возможно с технической точки зрения, то эксплуатационного ресурса устаревших моделей может просто не хватить на постоянные скачки частоты и скорости вращения вала.
Сложность настройки и подключения. Преобразователь частот достаточно сложно установить самостоятельно, поэтому для выполнения подобных работ часто приходится привлекать сторонних специалистов, а это в свою очередь влечет определенные финансовые затраты.

Если сопоставить недостатки и преимущества частотных преобразователей, то они, все равно, выглядят более эффективными даже на фоне других преобразовательных устройств. Именно это и делает их особенно популярными в производственных отраслях, где они используются практически повсеместно.

Назначение и область применения частотных преобразователей

Частотные преобразователи уже много лет используются в строительстве электромеханических устройств и агрегатов. Они позволяют модулировать частоту тока, что в свою очередь делает возможной точную регулировку скорости вращения двигателя. На сегодняшний день частотники используются во многих отраслях деятельности. Мы рассмотрим лишь некоторые из них:

Пищевая промышленность. Частотные преобразователи часто используются для регулировки работы фасовочных линий. Они позволяют настроить скорость подачи продукта и движения ленты в соответствии с пропускной способностью самого упаковочного станка. Кроме того, их часто используют в крупных миксерных агрегатах, вентиляционных системах и т.д.
Механизация производственного оборудования. Без преобразователей частоты не обходятся конвейерные ленты, покрасочные и моющие станки, прессы, штамповочное оборудование и т.д. Такие устройства позволяют контролировать скорость рабочих процессов, снижая вероятность повреждения продукции и повышая качество конечного результата.
Медицина. Относительно любого медицинского оборудования всегда устанавливаются самые высокие технические требования, добиться соответствия которым невозможно без использования управляемых электродвигателей в связке с частотником. Они устанавливаются в различных системах жизнеобеспечения, подъемных механизмах кроватей и т.д.
Подъемно-транспортное обеспечение. Лифты, подъемные краны, подъемники – все эти средства уже давно используют преобразователи частоты. Они позволяют точно контролировать скорость выполнения различных операций, а также продлевать срок безремонтной эксплуатации оборудования.

Перечислять области применения частотных преобразователей можно бесконечно, ведь их можно использовать в любом оборудовании, использующем электродвигатели.

Как выбрать частотный преобразователь?

Следует выделить несколько основных параметров, на которые нужно обращать внимание при выборе частотного преобразователя:

Мощность. Данный параметр частотного преобразователя должен соответствовать мощности двигателя, с которым он будет использоваться. Следует выбирать устройство, мощность которого будет соответствовать номинальному току. Покупать частотный преобразователь с очень завышенными характеристиками попросту бессмысленно, ведь он обойдется намного дороже, да и с наладкой могут возникнуть проблемы.
Тип нагрузки. Тут все зависит от того, как осуществляется работа агрегата, к которому будет подключен частотный преобразователь. Например, при вентиляторных нагрузках не бывает перегрузок, а в случае с работой пресса – ток может превышать номинальные значения на 60 и более процентов. Соответственно, необходимо учитывать это при выборе и оставлять определенный запас «хода».
Тип охлаждения двигателя. Двигатели могут оснащаться принудительными системами охлаждения либо иметь самообдув. Во втором случае к крыльчатке ротора прикрепляются специальные лопасти, которые вращаются вместе с ним и обдувают двигатель. Соответственно, нормальная степень обдува в данном случае напрямую зависит от частоты вращения. Если двигатель продолжительное время будет работать на пониженной частоте, то это может привести к перегреву. Соответственно, лучше позаботиться о дополнительном охлаждении, если изменение частоты будет больше 10% от номинального значения.
Входное напряжение. Данный показатель определяет, при каком напряжении способен работать преобразователь частот. Тут мало знать, что в сети напряжение обычно составляет около 380 В. Часто происходят скачки в диапазоне +-30%. Кроме того, в сетях, куда подключено большое количество силового оборудования, часто случаются выбросы в 1 кВ. Соответственно, чем шире диапазон рабочих напряжений у преобразователя частот, тем надежнее он будет работать.
Способ торможения. Остановка двигателя может осуществляться либо инверторным мостом, либо электродинамическим способом. Первый метод больше подходит для точного и быстрого торможения, а второй – в механизмах с частым торможением либо при необходимости постепенной остановки. На это обязательно следует обратить внимание.
Окружающая среда и защита. Обычно в паспорте преобразователя частоты указаны условия, при которых должно использоваться устройство. Например, влагозащищенные модели соответствуют стандарту IP 54 – они устойчивы к воздействию влаги и могут использоваться в помещениях с паровыми испарениями и повышенной влажностью.
Тип управления и интерфейсы. Обязательно необходимо обратить внимание на наличие подходящих для подключения разъемов, а также возможностей правления – некоторые модели предназначены для монтажа на месте, а другие – в отдельной рубке управления.

Если вы никогда не работали с преобразователями частоты, лучше обратиться за консультацией к специалисту.

Как осуществляется подключение преобразователя частоты?

Если рассмотреть монтаж преобразователя частоты схематически, то вес процесс сводиться к соединению контактов самого устройства, электродвигателя и управляющего блока-предохранителя. Достаточно соединить провода всех элементом, подключить двигатель к сети и запустить его.

На первый взгляд, ничего сложного в этом нет, но, на самом деле, процедура монтажа имеет некоторые свои нюансы:

Очень важно, чтобы в цепи между самим частотником и источником питания был установлен предохранитель. Он позволит своевременно отключать устройства в случае перепадов напряжения, сохраняя их работоспособность. Примечательно, что при подключении к трехфазной сети, необходимо, чтобы сам предохранитель также был трехфазным, но имел общий рычаг для отключения. Это даст возможность отключать питание сразу на всех фазах даже, если только на одной случилось короткое замыкание или перегрузка. Если преобразователь подключается к однофазной сети, то и предохранитель должен быть однофазным. В данном случае при расчетах необходимо учитывать ток только одной фазы, но умноженный на 3. Всегда стоит помнить, что в инструкции практически к любому преобразователю указаны требования и нормы по его установке. С ними необходимо ознакомиться еще до начала работ.
Фазовые выходы частотного преобразователя подключаются к контактам самого электродвигателя. При этом в зависимости от напряжения частотника обмотки двигателя могут иметь формацию «звезда» или «треугольник». Обычно на корпусе двигателя указано два значения напряжения. Если частотник соответствует меньшему, то обмотки соединяются «звездой», если большему – «треугольником». Вся эта информация обычно пропечатывается в инструкции.
В комплекте практически с каждым преобразователем частоты прилагается выносной пульт управления. Он не является обязательным элементов цепи, ведь на самом устройстве также есть свои элементы управления, но позволяют существенно упростить работу с оборудованием. Пульт можно монтировать на любом расстоянии от частотника. Обычно делается это следующим образом: преобразователи частоты, которые имеют низкую степень защиты располагаются подальше от двигателя, а сам пульт выносится непосредственно к рабочему месту около оборудования.

Не менее важным этапом установки частотного преобразователя является его тестовый запуск. Он осуществляет по следующей схеме:

После подключения всех элементов системы (предохранитель, панель управления, частотник, двигатель) необходимо перевести рукоять на пульте управления в активное положение на несколько градусов.
Тумблеры предохранителя переключить в положение «ВКЛ». После этого на частотном преобразователи должны загореться световые индикаторы, которые будут сигнализировать, что оборудование подключено правильно, а двигатель должен начать медленно вращаться.
Если вал двигателя начал вращаться в другу от нужной сторону, необходимо перепрограммировать сам частотный преобразователь на реверсное движение. Практически все современные устройства поддерживают такую функцию.
Постепенно передвигайте рукоять управления и следите за работой двигателя – частота вращения вала должна расти по мере того, как вы передвигаете рукоять.

Если при тестовом запуске никаких проблем обнаружено не было, значит, вы сделали все правильно и система может включаться в рабочий процесс.

Техника безопасности при подключении преобразователя частоты

Следует выделить несколько основных правил безопасности, о которых нужно помнить при выполнении работ по подключению частотных преобразователей:

Категорически запрещается касаться любой частью тела к токоведущим элементам цепи. Это может нанести ущерб вашему здоровью или даже лишить жизни. Перед началом работ рекомендуется полностью обесточить оборудование и использовать специальные электромонтажные инструменты с защитой от ударов током.
Стоит помнить, что даже после угасания индикаторов на устройстве в цепи может оставаться напряжение. Чтобы избежать ударов током при работе с системами до 7 кВт необходимо выждать 5 минут до начала работ, с агрегатами свыше 7 кВт – 15 минут. Этого времени должно хватить, чтобы все конденсаторы в цепи разрядились.
Заземление является неотъемлемой частью любой электрической цепи, включая цепь частотный преобразователь-двигатель. Оно должно устанавливаться в виде отдельного кабеля и ни в коем случае не может присоединяться к нулевой шине.
Стоит помнить, что отключения частотного преобразователя не гарантирует, что в других узлах сети не осталось напряжения, поэтому перед ремонтом или обслуживанием необходимо полностью отключить цепь от сети.

Выполнять работы по подключению преобразователей частоты могут только квалифицированные специалисты, имеющие соответствующую подготовку, а также необходимые допуски.

Преобразователь частоты