Частотные преобразователи для электродвигателей

Содержание:

1. Назначение и область применения
2. Виды частотных преобразователей
3. Выбор частотного преобразователя
4. Подключение частотного преобразователя
5. Программирование и настройка частотного преобразователя

1. Назначение и область применения

Частотный преобразователь или преобразователь частоты – электротехническое оборудование для регулирования частоты переменного напряжения.

Примечание: В нормативно-технических документах (например, ГОСТ 24607-88), а также у большинства производителей данное устройство называется преобразователь частоты (ПЧ), поэтому в дальнейшем буду придерживаться именного такого названия.

Основная область применения ПЧ – изменение частоты вращения и крутящего момента электрических машин синхронного или асинхронного типа (электродвигателей). Принцип действия регулирования основан на зависимости скорости вращения ротора от частоты вращения магнитного поля статора, а соответственно от частоты питающего напряжения. Математически зависимость выглядит следующим образом:

где f₁ – частота питающего напряжения, p – число пар полюсов статора, s – скольжение.

2. Виды преобразователей частоты

Преобразователи частоты различаются по следующим критериям:

• конструктивное исполнение;
• принцип действия;
• способ управления;
• количество фаз;
• тип двигателя;

В зависимости от конструктивного исполнения ПЧ делятся на следующие виды:

• электромашинные – представляют собой двигатели переменного тока, включенные в режим генератора;
• полупроводниковые – состоят из силовой схемы, выполненной на полупроводниковых ключах (транзисторах или тиристорах), и схемы управления на базе микроконтроллеров.

Электромашинные ПЧ применяются относительно редко, поэтому рассматривать их в рамках данной статьи мы не будем.

По принципу действия различают ПЧ с непосредственной электрической связью с питающей сетью и ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока.

ПЧ с непосредственной электрической связью с питающей сетью (см. рис. 1) представляют собой совокупность управляемых выпрямителей (УВ) по каждой фазе, система импульсно-фазового управления (СИФУ) которых управляющими сигналами  циклически отпирает полупроводниковые ключи и подключает статорные обмотки (U, V, W) двигателя к питающей сети.

Примечание: СИФУ выполняет регулирование напряжения нагрузки, питающейся от источника переменного тока, с помощью изменения временного момента открывания полупроводниковых ключей, включаемых между источником питания и нагрузкой (см. рис.2).

Достоинства:

• возможность возращения электроэнергии в сеть в режиме рекуперативного торможения – переключение двигателя в генераторный режим;
•  высокий коэффициент полезного действия за счет однократного преобразования частоты напряжения;
• возможность наращивания мощности путем подключения дополнительных модулей полупроводниковых ключей;
• обеспечение устойчивых механических характеристик двигателя на низких скоростях.

 Недостатки:

• аппроксимированная форма выходного напряжения, вызывающая дополнительный нагрев двигателя, снижение крутящего момента, помехи в сеть;
• возможность только снижения скорости вращения двигателя в силу того, что частота напряжения на выходе не может превышать частоту сетевого напряжения из-за непосредственной электрической связи с сетью;
• относительная сложность схемы управления в связи со сложной зависимостью входной и выходной частоты, что вызывает необходимость обеспечения строгой временной последовательности управления полупроводниковыми ключами.

В ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока (см. рис. 3) выполняется двойное преобразование – напряжение сети переменного тока выпрямляется, а затем преобразуется инвертором в переменное напряжение заданной частоты – система управления циклически отпирает полупроводниковые ключи, коммутируя статорные обмотки к звену постоянного тока, при этом продолжительность подключения модулируется по синусоидальному закону.

В свою очередь такие ПЧ выполняются по схеме инвертора тока или инвертора напряжения (см. рис. 4).

Инвертор тока работает по принципу стабилизатора тока, применяется для двигателей с повторно-кратковременным режимом работы. (подробнее о режимах работы читайте в статье: «Технические характеристики трехфазных электродвигателей«)

Инвертор напряжения работает по принципу стабилизатора напряжения.

Достоинства:

• возможность получения выходного напряжения с частотой выше частоты сети;
• близкая к синусоидальной форма напряжения на выходе;
• возможность построения большого разнообразия силовых и управляющих схем для приводов с различными требованиями;
• возможность использования в сетях постоянного тока без применения вспомогательных устройств;
• разнообразие алгоритмов управления, позволяющее адаптировать ПЧ к большинству электроприводов.

Недостатки:

• значительные габаритные размеры и масса, связанные с наличием выпрямительного и фильтрующего звеньев;
• сниженный коэффициент полезного действия из-за двойного преобразования;
• невозможность возвращения электроэнергии в сеть без применения вспомогательных электрических цепей;
• зависимость искусственной коммутации от коэффициента мощности и нагрузки электродвигателя.

ПЧ в зависимости от способа управления бывают со скалярным управлением и векторным управлением.

ПЧ со скалярным управлением регулируют частоту по заданной характеристике U/F  (см. рис. 5), т.е. вместе с частотой изменяется и напряжение. Такой принцип работы необходим для обеспечения постоянства магнитного потока в зазоре двигателя. Характеристика U/F выбирается под конкретную нагрузку.

Достоинства:

• невысокая стоимость в сравнении с векторными ПЧ из-за менее сложной схемотехники и алгоритмов управления;
• менее сложная настройка;
• возможность управления несколькими двигателями.

Недостатки:

• зависимость скорости ротора от нагрузки;
• невозможность одновременного управления скоростью вращения и моментом на валу при скорости выше номинальной, связанная с тем, что ПЧ не в состоянии увеличивать выходное напряжение выше сетевого;
• невысокая перегрузочная способность;
• потеря жесткости механической характеристики при невысокой скорости;
• медленнее реакция на изменение режима.

ПЧ с векторным управлением поддерживает отношение величины, частоты и фазы напряжения питания двигателя, т.е. регулируются не только скалярные величины, но и их векторные составляющие.

Векторное управление обеспечивает управление магнитным потоком ротора, или, другими словами, положением вектора магнитного потока в пространстве (см. рис. 6).

Ток двигателя I_S, в этой системе можно представить как вектор, вращающийся вокруг начала координат, а его проекции на оси системы координат пропорциональны мгновенным токам в фазах I_SA, I_SB, I_SC.

Достоинства:

• широкий диапазон регулирования скорости ротора;
• постоянная скорость ротора независимо от нагрузки;
• возможность управления моментом на валу;
• жесткость механических характеристик во всем интервале частот;
• высокое быстродействие и точность регулирования;
• возможность пуска двигателя при большой нагрузке.

 Недостатки:

• значительная вычислительная сложность векторного способа управления, ведущая к существенному удорожанию ПЧ.

Так же преобразователи частоты отличаются количеством фаз входа/выхода и бывают:

• однофазные с трехфазным выходом;
• трехфазные с трехфазным выходом;
• однофазные с однофазным выходом.

Последний вид предназначен для регулирования конденсаторных двигателей.

Однофазные ПЧ рассчитаны на напряжение питания 220 В, трехфазные – 380 В.

В большинстве трехфазных  ПЧ предусмотрено однофазное подключение, но следует учитывать, что при таком подключении мощность снижается на 30…40 % в связи с повышением токовой нагрузки на силовые элементы ПЧ.

По этой же причине однофазные ПЧ выпускаются в ограниченном диапазоне мощностей.

Важно иметь ввиду! При подключении напряжения питания 1×220 В, выходное напряжение будет 3×220 В, а не 3×380 В. Что бы получить выходное напряжение 3×380 В необходимо подключать питание через  однофазный трансформатор 220/380 В (см. рис. 7), если вход ПЧ рассчитан на это, либо использовать специализированный ПЧ с повышающим преобразователем.

Различаются ПЧ и в зависимости от типа регулируемого двигателя: выпускают одно- и трехфазные преобразователи, преобразователи для синхронных двигателей с постоянными магнитами, асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором, электрических машин других типов. В руководстве по эксплуатации ПЧ указываются виды двигателей, которые может регулировать ПЧ.

3. Выбор преобразователя частоты

При проектировании частотно-регулируемого электропривода необходимо правильно выбрать ПЧ. Рассмотрим основные параметры, которыми при этом руководствуются:

1. Тип двигателя (подробнее см. главу 2)
2. Назначение

Выпускаются ПЧ общепромышленного назначения и специализированные ПЧ. ПЧ общепромышленного назначения настраиваются под различные приводы, специализированные ПЧ производят под конкретное технологическое оборудование.

3. Мощность

Выбирается в зависимости от мощности двигателя с учетом его режима работы.

Мощность ПЧ для продолжительного режима работы двигателя

Мощность ПЧ для группового привода

Мощность ПЧ для пуска двигателя

где:

• Pдв– мощность на валу двигателя для примененной нагрузки, кВт
•  η – коэффициент полезного действия двигателя
• cos_φ – коэффициент мощности двигателя
• Uдв – номинальное напряжение двигателя, В
• Iдв – номинальный ток двигателя, А
• k – поправочный коэффициент, определяемый фактором искажения токов из-за ШИМ, (1, 05…1,1)
• Pпр – продолжительная мощность ПЧ, кВА
• Кп – отношения пускового Iпуск и номинального Iном токов двигателя
• n дв – количество параллельно подключенных двигателей
• n од – количество одновременно запускаемых двигателей
• J – общий вносимый момент инерции на валу двигателя,
• Тн – момент нагрузки,
• tр – время разгона двигателя, с
• N – скорость вращения двигателя

4. Количество фаз (подробнее см. главу 2)
5. Способ управления

ПЧ со скалярным управлением применяются в приводах с относительно постоянной нагрузкой, а так же в приводах, не требующих управление моментом на валу.

ПЧ с векторным управлением применяются в приводах с переменной нагрузкой, а так же в приводах, требующих высокой скорости отклика и точного регулирования скорости.

6. Диапазон и точность регулирования

Интервал изменения частоты и точность ее задания должны соответствовать требованиям работы оборудования.

7. Электромагнитная совместимость (ЭМС)

Так как ПЧ является источником электромагнитных помех, как по электрической сети, так и в радиодиапазоне, выбор необходимо осуществлять, учитывая электромагнитную совместимость с остальным оборудованием. В случае необходимости следует применять фильтры, экранированные кабели, ПЧ со встроенными ЭМ-фильтрами, подключать к отдельной сети питания, устанавливать в отдельном помещении.

8. Условия эксплуатации

Для безаварийной работы необходимо выбирать ПЧ в соответствии с условиями эксплуатации – совокупности внешних воздействующих факторов, которые могут влиять на него при управлении приводом.

В случае невозможности выбора ПЧ, в полной мере соответствующего условиям эксплуатации, необходимы дополнительные меры по обеспечению требуемых в руководстве по эксплуатации ПЧ условий.

9. Количество входов и выходов для удаленного управления, сигнализации и контроля:

• цифровые – RS-485, M-BUS, Ethernet и т.д.;
• аналоговые – входы/выходы унифицированных сигналов (аналоговые датчики, ручные задатчики скорости, внешние исполнительные устройства и устройства отображения и т.д.);
• дискретные – входы/выходы булевых сигналов (кнопки, концевые выключатели, контакты реле, контакты внутреннего реле).

10. Наличие информационного дисплея, пульта дистанционного управления, протоколов обмена данными и других дополнительных функций

4. Подключение преобразователя частоты

При подключении ПЧ необходимо руководствоваться рекомендациями и требованиями эксплуатационной документации производителя, а также иными нормативно-техническими документами. В статье я изложу только наиболее общие правила.

С целью повышения качества управления и безотказной работы рекомендуется применять совместно с ПЧ внешнее дополнительное оборудование (см. рис. 9).

Автоматические выключатели являются защитными аппаратами многократного действия и предназначены для защиты ПЧ от коротких замыканий и перегрузок по току.

Не рекомендуется использовать автоматический выключатель для оперативного пуска и останова ПЧ.

Плавкие предохранители

Для защиты полупроводниковых ключей ПЧ при внутренних коротких замыканиях в цепи питания ПЧ применяются быстродействующие плавкие предохранители.

Не рекомендуется устанавливать для защиты двигателя плавкие предохранители на выходе ПЧ.

Магнитный контактор служит для местного или дистанционного управления питанием, а так же для выполнения защитных функций ПЧ.

Не рекомендуется использовать магнитный контактор для оперативного пуска и останова ПЧ.

Сетевой дроссель

Применение сетевого дросселя в составе привода:

• позволяет более полно использовать энергосберегающие свойства ПЧ;
• защищает сеть электроснабжения от высших гармоник от ПЧ;
• защищает ПЧ от асимметрии и перенапряжений в сети электроснабжения, коротких замыканий на входе и выходе;
• повышает коэффициент мощности.

РЧ-фильтры обеспечивают ЭМС с приборами радиосвязи и контрольно-измерительными приборами, расположенными вблизи ПЧ.

Выходные фильтры: моторные и dU/dt дроссели, синусные фильтры.

Дроссель dU/dt снижает скорость нарастания напряжения и величины перенапряжения на клеммах двигателя вследствие импульсной формы напряжения от ПЧ.

Моторный дроссель

При питании двигателя от ПЧ к его обмоткам прикладывается импульсное напряжение с широким частотным спектром, который негативно влияет на свойства изоляционных материалов и вызывает гармоники в форме его фазного тока. Моторные дроссели снижают угрозу пробоя изоляции и величину пульсаций тока двигателя, а так же компенсируют емкостные токи длинных моторных кабелей и позволяют увеличить их  длину.

Синусные фильтры представляют собой комбинацию емкостных и индуктивных элементов. Высокая частота ПЧ поглощается синусным фильтром и на его выходе получается синусоидальное напряжение без гармонических составляющих, что позволяет значительно увеличивать длину моторных кабелей и исключает необходимость применения экранированного кабеля. Кроме того, при качественной фильтрации напряжения, снижается нагрев и акустический шум двигателя, что увеличивает срок его службы.

Прокладка силовых кабелей должна выполняться отдельно от других силовых кабелей с большими напряжениями и токами во избежание появления взаимных помех.

Для подавления помех силовой кабель двигателя должен находиться в металлическом экране, который подключается с одной стороны к клемме заземления двигателя, а с другой – клемме заземления ПЧ.

Прокладка кабелей цепей управления должна выполняться отдельно от силовых кабелей ПЧ и других потребителей с большими напряжениями и токами во избежание появления взаимных помех.

Во избежание появления сбоев в работе из-за взаимных помех используйте для прокладки цепей управления витую пару в экране, и подключайте экран только с одной стороны — к клемме заземления ПЧ, сопротивление провода заземления должно быть не более 10 Ом.

Заземление выполняется на основании норм ПУЭ.

Длина заземляющего провода должна быть по возможности минимальна. Сопротивление заземления должно быть не более 10 Ом.

Для обеспечения защиты от помех заземление ПЧ должно производиться по одной из двух систем заземления: TN-S (см. рис. 10), TT (см. рис. 11).

Запрещается заземлять ПЧ с использованием общей заземляющей шины с другим сильноточным электрооборудованием.

Во избежание взаимного влияния ПЧ и другого энергетического и электротехнического оборудования запрещается использовать в качестве заземляющих проводников ПЧ общие совмещенные нейтральные и защитные проводники.

5. Программирование и настройка преобразователя частоты

 Инструкции по программированию и настройке содержаться в эксплуатационной документации конкретного ПЧ и схожи для всех ПЧ. В статье же будут рассмотрены только общие сведения.

Программирование и настройка ПЧ необходимы для адаптации к техническим параметрам двигателя, встраивания привода в систему автоматического регулирования (САР) и диспетчеризации, синхронизации работы с другими приводами.

Многие модели ПЧ специализированного назначения поставляются со встроенным программным обеспечением (ПО).  Таким ПЧ необходима только настройка – ввод технических характеристик двигателя и незначительная адаптация программ к реальным условиям эксплуатации привода.

ПЧ общепромышленного назначения имеют открытый доступ к ПО и могут адаптироваться к приводам различного оборудования. ПО для типового привода различного назначения часто поставляют вместе с ПЧ.

Программирование и настройка ПЧ требуется в случаях:

• ввода в эксплуатацию;
• замены или капитального ремонта двигателя – фактические характеристики нового или отремонтированного двигателя могут отличаться;
• структурного изменения САР, изменения технологических параметров.

Задание параметров ПЧ осуществляется при помощи:

• панели управления ПЧ;
• пульта управления, поставляемого вместе с ПЧ;
• ­персонального компьютера (ПК) через цифровые интерфейсы ПЧ.

Программированию подлежат следующие основные характеристики (характеристикам присвоены коды, зависящие от производителя и модели ПЧ):

• режим эксплуатации двигателя (продолжительность и величина нагрузки,  усредненное количество включений, отключений, реверсов в определенный промежуток времени);
• требуемое время разгона и динамического торможения;
• наибольшая рабочая частота;
• перегрузочная способность;
• условия пуска двигателя при подаче напряжения в сети;
• алгоритм автоматического регулирования САР;
• режим сброса ошибок, вызывающих остановку двигателя.

В процессе программирования также задается назначение аналоговых и дискретных входов и выходов.

Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросы? Пишите в комментариях!

Не нашли на сайте ответа на интересующий Вас вопрос? Задайте его на форуме! Наши специалисты обязательно Вам ответят.

↑ Наверх