Частотно-регулируемый электропривод

Частотно-регулируемый электропривод

Частотно-регулируемый, или частотно-управляемый привод (ЧРП, ЧУП) — система управления частотой вращения ротора асинхронного двигателя, которая включает в себя электродвигатель и преобразователь частоты.

Так как асинхронные двигатели могут вращаться на одной частоте, задаваемой им питающей сетью переменного тока, для управления ими используют преобразователи частоты.

Схема 1. Частотно-регулируемый привод.

Частотный преобразователь (ЧП) — это устройство, объединяющее в себе выпрямитель и инвертор. Выпрямитель преобразует переменный ток промышленной частоты в постоянный, а инвертор наоборот. Выходные тиристоры (GTO) или транзисторы (IGBT), открываясь и закрываясь при помощи электронного управления, формируют необходимое напряжение, аналогичное трехфазному. Возможность менять частоту напряжения позволяет изменять отдаваемую в нагрузку мощность не дискретно (как при механической регулировке), а непрерывно. За счет такого принципа действия частотно регулируемый привод может плавно регулировать параметры вращения двигателя.

Преимущества применения частотно регулируемых приводов для управления АД

1. Облегчает пусковой режим привода.
2. Позволяет двигателю долго работать, независимо от степени загрузки.
3. Обеспечивает большую точность регулировочных операций.
4. Позволяет контролировать состояние отдельных узлов в цепях промышленной электрической сети. За счет этого возможно вести постоянный учет количества времени, наработанного двигателями, чтобы потом оценивать их результативность.
5. Наличие электронных узлов дает возможность диагностировать неисправности в работе двигателя дистанционно.
6. К устройству можно подключать различные датчики обратной связи (давления, температуры). В результате скорость вращения будет стабильна при постоянно меняющихся нагрузках.
7. При пропадании сетевого напряжения включается управляемое торможение и перезапуск.

В результате:
• повышается уровень КПД за счет чего можно сэкономить порядка 30-35 % электроэнергии;
• количество и качество конечного продукта возрастает;
• снижается износ комплектующих механизмов;
• возрастает срок службы оборудования.

Недостатки систем частотного регулируемого привода

• Создают сильные помехи, которые мешают другой электронике функционировать. Справиться с этой проблемой поможет установка в цепи управления фильтров высокочастотных помех, которые будут снижать степень такого влияния.
• Высокая стоимость ЧРП. Однако она окупится через 2-3 года.

Отрасли применения ЧРП

Список отраслей получается обширным, сложнее найти отрасль, где бы не применялись ЧП:

Нефтедобыча и переработка: насосное оборудование, привод аппаратов воздушного охлаждения (АВО) и градирен, комплексная автоматизация различных технологических линий.

Металлургия: приводы рольгангов, конвейеров, прокатных станов, наматывающих устройств волочильных станов, насосов, вентиляторов.

Машиностроение: привод обрабатывающих станков, насосы, конвейерные линии, полиграфические машины.

Горнодобывающее и обогатительное производство: дробилки, мешалки, конвейеры, песковые и пульповые насосы.

Химическая промышленность: насосы, мешалки, грануляторы, экструдеры, центрифуги, приводы дымососов и вентиляторов, АСУ.

Пищевая промышленность: грануляторы, экструдеры, мельницы, дробилки, куттеры, жом-прессы, этикетировочные аппараты, конвейеры, технологические линии, насосы, вентиляторы.

ЖКХ: различное насосное оборудование, АСУ.

Стройкомплекс: краны, подъемные механизмы.

Транспорт: судовой привод, электротранспорт.

Как выбрать частотный преобразователь

СОВЕТ: если какой-то из параметров должен отвечать особым требованиям, то лучше предпочесть не потенциально подходящий частотно регулируемый электропривод, а тот, который будет классом выше.

Выполненные проекты

НПО «Винт», г. Москва. Подруливающие устройства для судового привода. Суда, оборудованные ими, получают большую маневренность при швартовке, проходе узкостей, тралении. Значительно снижается риск столкновения судов. Сокращается время разгрузки и погрузки, что дает экономию времени и денег.

ООО «Стройбезопасность», г. Тихорецк. Оснащение приводов башенных кранов. Это решение упрощает управление, дает возможность тонко регулировать скорость в большом диапазоне, приводит к отсутствию пусковых бросков тока.

ОАО «Тагмет», г. Таганрог. Рольганги щелевой закалочной печи. Обеспечивают точный догон трубы в зоне загрузки и отрыв на выходе и безаварийную работу оборудования. Главный экономический эффект применения частотных преобразователей — это повышение качества продукции.

ОАО «Ульяновский сахарный завод», р.п. Цильна, Ульяновская обл. Привод жом-пресса 500 кВт. Регулирует обороты по нагрузке: в результате стружка подается неравномерно и не происходит перебросов при этом поддерживается нужный уровень давления в шахте. Увеличивается срок службы оборудования, снижается количество аварийных остановок, упрощается обслуживание процесса.

МУП «Водоканал», г. Новочебоксарск. Автоматизированная система оперативного диспетчерского управления (АСОДУ) водоснабжением г. Новочебоксарска. Кроме снижения прямых затрат на энергоресурсы, снизилась аварийность и улучшилось качество обслуживания.

Двигатели с частотным управлением принцип работы

Так как угловая скорость вращения многофазных электродвигателей определяется частотой питающего напряжения (тока), то для управления угловой скоростью электродвигателей необходимо изменять частоту напряжения (тока).

Частотный и частотно-токовый методы являются наиболее распространенными экономичными способами управления многофазными электродвигателями,

При частотном методе управления частота напряжения питания электродвигателя является независимым управляющим параметром, задаваемым входным сигналом привода переменного тока [20], [25], [26]. Поэтому при частотном управлении угловая скорость вращения вала привода определяется входным сигналом. Механические характеристики привода с частотным управлением — жесткие. Уравновешивание момента нагрузки на валу электродвигателя происходит за счет изменения тока якоря (как и в электродвигателе постоянного тока) благодаря саморегулированию, которое свойственно всем электрическим машинам. Для обеспечения тех или иных характеристик привода, а также для получения требуемых режимов работы электродвигателя, например с постоянным магнитным потоком, при частотном управлении амплитуду напряжения статора формируют в общем случае в функции задаваемой частоты, момента и скорости нагрузки.

Таким образом, при частотном управлении формируют частоту и амплитуду питающего электродвигатель напряжения, но только частота является независимым параметром. Приводы с частотным управлением находят основное применение в разомкнутых системах регулирования скорости.

При частотно-токовом управлении независимым параметром является амплитуда тока, питающего электродвигатель [3], [15], [19].

В общем случае амплитуда тока электродвигателя формируется с помощью двух входных сигналов: для управления моментом, для управления магнитным потоком электродвигателя. Частота изменения токов электродвигателя при частотно-токовом управлении в отличие от частотного не является независимым параметром, а образуется за счет положительной обратной связи по угловой скорости или ротора, или магнитного потока, или э. д. с.

Механические характеристики привода с частотно-токовым управлением — мягкие. Поэтому его в основном применяют в замкнутых скоростных и позиционных системах регулирования.

Приводы с частотно-токовым управлением используют в разомкнутых системах регулирования, например с нагрузкой вентиляторного типа, или в оптимальных системах, где требуется изменение ускорения (момента) на валу привода по программе.

Рассмотрим приводы с частотным и частотно-токовым управлением, которые наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к приводам систем автоматического регулирования, например приводы, в которых обеспечивается режим работы электродвигателя с постоянным магнитным потоком. У них достигается большая перегрузочная способность по моменту электродвигателя, а также быстродействие по сравнению с приводами, в которых не обеспечивается постоянство магнитного потока электродвигателя.

Учитывая широкое распространение двухполюсных трехфазных электродвигателей, в качестве примеров ниже будем рассматривать приводы с этими электродвигателями при допущениях об отсутствии у них насыщения магнитопривода, электрических потерь в стали и механических потерь на валу, что практически не влияет на расчетные характеристики приводов [13], [19].

Приведенные выше определения частотного и частотно-токового управления справедливы только для установившихся режимов работы электродвигателя, когда питающие его напряжения и токи являются гармоническими функциями. Эти определения отражают связи входных сигналов привода лишь с амплитудами токов и напряжений электродвигателя и потому не являются строгими.

В общем случае определения указанных способов управления учитывают тип электродвигателя и раскрывают связи входных сигналов с мгновенными значениями питающих электродвигатель токов и напряжений [19]. Такие определения являются сложными и ими пользуются при специальных исследованиях приводов переменного тока. Данные выше определения частотного и частотно-токового управлений достаточно просты и удобны для пояснений этих способов.

Частотные преобразователи для работы с асинхронными двигателями: какой частотник лучше выбрать и подключить

1. Принцип работы частотного преобразователя
2. Выбор частотника
3. Подключение частотного преобразователя к электродвигателю
4. Клеммы
5. Выводы

Трёхфазный асинхронный двигатель был создан в конце XIX столетия и на данном этапе развития человечества является одним из незаменимых элементов в современном промышленном производстве. Для обеспечения плавного пуска и остановки такого двигателя используется специальное устройство.

Называется оно — преобразователь частоты или частотник, если попроще. Для крупных двигателей с большой мощностью наличие такого преобразователя особенно актуально. С помощью частотников можно регулировать пусковые токи, что подразумевает осуществление таких манипуляций, как контроль и ограничение их величины.

Принцип работы частотного преобразователя

Исключительно механическое управление током приводит к энергетическим потерям и уменьшению срока службы оборудования. Показатели этого тока будут в несколько раз больше номинальных, что крайне отрицательно скажется на нормальной работе оборудования.

Принцип работы частотного преобразователя заключается в том, что управление током осуществляется электронным путём. Это обеспечивает мягкий пуск, плавное регулирование работы привода, путём соблюдения соотношения между частотой и направления по специальной заданной формуле.

У частотного преобразователя существует целый ряд преимуществ, которые очень положительно характеризуют работу этого устройства. Одним из таких преимуществ является тот факт, что частотник помогает экономить потребляемую энергию. Экономия составляет примерно 50%, что само по себе является весьма большим плюсом. Кстати, с учётом потребности конкретного производства существует возможность регулирования энергии, которая потребляется в процессе работы оборудования.

Суть работы данного устройства заключается в принципе двойного преобразования напряжения. Сама суть может быть описана посредством расписывания всего двух пунктов, что позволит проследить и осознать весь принцип:

1. Напряжение сети подвергается выпрямлению и фильтрации системой конденсаторов.
2. После этого в работу вступает непосредственно электронное управление, что заключается в образовании тока с частотой, которая была заранее запрограммирована.

На выходе выдаются прямоугольные импульсы, которые поддаются воздействию обмотки статора двигателя, после чего они становятся близкими к синусоиде.

Выбор частотника

Производители таких приборов делают упор на стоимость частотных преобразователей. Из этого следует, что многие опции, которые имеются у более дорогих моделей, на дешёвых моделях преобразователей уже не будут присутствовать. Перед выбором нужного прибора следует обратить внимание на технические характеристики всех имеющихся моделей, представленных в ассортименте, а также на основные требования для конкретного использования.

• Управления может осуществляться двумя способами: векторным и скалярным. Векторное управление предоставляет возможность точной регулировки. Принцип работы скалярного управления заключается в поддержании одного соотношения между напряжением и частотой на выходе, заданного пользователем. Скалярное управление не подходит для сложных устройств и используется на более простых устройствах вроде вентилятора.
• Чем выше указанная в характеристиках мощность, тем выше универсальность преобразователя. Это означает, что это обеспечит взаимозаменяемость. К тому же обслуживание такого устройства будет проще.
• Непременно следует обратить внимание на указанный диапазон напряжения сети. Он должен быть максимально широким, что обеспечит безопасность при перепадах его норм. И нельзя не упомянуть тот факт, что повышение намного опаснее, чем понижение. При повышении могут взорваться сетевые конденсаторы.
• Указанная частота обязательно должна соответствовать всем производственным потребностям. На диапазон регулирования скорости привода указывает нижний предел. При надобности в более широком следует прибегнуть к векторному управлению. Практическое применение предусматривает применение таких частот, как: от 10 до 60 Гц. Редко, но встречаются и до 100 Гц.
• Осуществление управление предусматривает использование различных входов и выходов. Чем их больше, тем, конечно же, лучше. Но нужно брать вниманию, что при большем количестве входов и выходов, значительно увеличивается стоимость частотного преобразователя, а также усложняется его настройка.
• Внимание также следует обратить и на шину управления подключаемого оборудования. Она должна совпадать с возможностью схемы частотника по количеству входов и выходов. Также не стоит забывать о том, что лучше иметь в наличии небольшой запах для возможной модернизации.
• Не стоит забывать и о перегрузочных возможностях устройства. Рекомендуется выбирать частотный преобразователь, обладающий мощность, которая будет на 15 % больше мощности используемого двигателя. Настоятельно рекомендуется прочесть инструкции, прилагающуюся к частотнику в комплекте. Производители непременно указывают в документации к устройству все его основные параметры. В том случае, если важны пиковые нагрузки, то следует обратить при выборе устройства внимание на реальные показатели тока и величины, указанные в качестве пиковых. В этом случае нужно выбрать преобразователь с показателями пикового тока, которые будут на 10% выше, чем указанные в документации.

Подключение частотного преобразователя к электродвигателю

• Для однофазной проводки (220 В), то есть для использования в домашних условиях, подключение должно осуществляться пользователем путём выполнения схемы «треугольник». Ток на выходе ни в коем случае не должен превышать 50% от номинального! Это очень важно!
• Для промышленного использования (трёхфазная проводка на 380В) рекомендуется осуществление подключения частотного преобразователя к двигателю по схеме «звезда».

Клеммы

Частотный преобразователь имеет определённое количество клемм, которые обозначены разными буквами, и которые нужны для разных подключений:

• R, S, T — к этим клеммам подключаются провода сети, притом очерёдность не имеет значения
• U, V, W — к этим клеммам производится включение асинхронного двигателя. В том случае, если двигатель вращается в обратную сторону, необходимо просто поменять любой из проводов, подключённых к этим клеммам
• Предусмотрено наличие одной клеммы для заземления

Рекомендации по эксплуатации и обслуживанию частотного преобразователя для асинхронного двигателя.

Для того чтобы продлить срок эксплуатации преобразователя, следует выполнять ряд требований и следовать советам, которые помогут продлить жизнь устройству:

1. Настоятельно рекомендуется очищать внутренности преобразователя от пыли. Можно делать это и пылесосом, но тут следует учесть, что такая чистка будет неполной и недостаточной, так как пыль имеет свойство уплотняться, что создаст дополнительные трудности пылесосу, с которыми он не всегда сможет справиться. Поэтому лучше воспользоваться компрессором. Для очистки такого рода он подходит лучше.
2. Следует периодически заменять узлы. Очень важно делать это в срок. Работа электролитических конденсаторов рассчитана на срок в пять лет, в то время как предохранители имеют срок эксплуатации в два раза больше — целых десять лет. Вентиляторы охлаждения должны быть заменены пользователем после двух — трёх лет эксплуатации. Внутренние шлейфы так же должны меняться через определённый срок, их срок работы рассчитан на шесть лет использования.
3. Необходимо осуществлять контроль за внутренней температурой и напряжением на шине постоянного тока. Повышение температуры влечёт за собой очень неприятные последствия. Это и засыхание термопроводящей пасты, и разрушение конденсаторов. Термопроводящую пасту следует менять регулярно — примерно один раз в три года и ни в коем случае не реже.
4. Обязательно нужно придерживаться всех прописанных условий эксплуатации. Температура среды окружающей не должна быть выше 40 градусов. Высокая влажность и запылённость воздуха недопустимы.

Управление асинхронным двигателем — процесс совсем не лёгкий. Требуется обладать определёнными знаниями, чтобы успешно осуществлять все манипуляции, предполагающие как подключения, так и мероприятия по эксплуатации.

Преобразователи, которые были произведены кустарно, вполне могут быть использованы в домашних условиях и в бытовых целях. К тому же стоят такие частотники существенно меньше, чем промышленные аналоги. Но на для работы на производстве крайне не рекомендуется использовать такие преобразователи. Для таких условий следует выбирать частотники, которые были собраны на заводах. Работу на таких устройствах и их обслуживание следует доверить персоналу, который хорошо разбирается в данных устройствах и обладает достаточными знаниями для того, чтобы работать с частотниками.

Выводы

Асинхронные электродвигатели по многим параметрам превосходят двигатели постоянного тока. Превосходство это касается и устройства и надёжности. Поэтому во многих случаях пользователи выбирают именно асинхронные двигатели, руководствуясь именно соображениями насчёт их превосходства над другими устройствами.

Механическое управление током вызывает некоторые негативные последствия, так как при использовании этого варианта управления нельзя быть уверенным в стопроцентной и качественной работе оборудования. Использование частотных преобразователей для асинхронных двигателей имеет свои очень важные преимущества, которые немаловажны во многих аспектах работы с двигателями. Одним из самых главных плюсов использования электронного управления и частотников является тот факт, что эти устройства позволяют экономить расход потребляемой электроэнергии. К тому же и мощность будет больше.

Частотники следует выбирать, беря во внимание множество характеристик, которые прописываются в документации, приложенной к устройству. Частотные преобразователи, сделанные кустарно, могут пригодиться в бытовых условиях, но на производстве их использовать не стоит.

Эксплуатация преобразователей должна проводиться грамотно, в соответствии со всеми рекомендациями и правилами. Это позволит улучшить качество работы оборудования. К тому же многие советы позволят продлить работу двигателю и преобразователю. Крайне рекомендуется следить за напряжением. В случае критического повышения напряжения могут взорваться конденсаторы. Частотники должны быть использованы с оглядкой на все основные правила безопасности. Рекомендуется не браться за работу с ними в отсутствие всех необходимых знаний в этой области.

Частотный преобразователь – принцип работы, схемы подключения и критерии выбора

Электрическая оснащенность современных зданий (жилых и нежилых) – это не только удобство, это определенные проблемы, связанные с подбором одного электрического прибора для работы остальных или эффективной работы целой системы. К примеру, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который сегодня используется повсеместно, даже в быту. Так вот вращается он с определенной скоростью, что не всегда удобно. Изменить скорость вращения можно двумя способами: механическим, установив редуктор, как промежуточную часть, и электрическим, установив частотный преобразователь. В этой стать будем говорить именно о втором приборе. Итак, частотный преобразователь – принцип работы, устройство, положительные и отрицательные стороны.

Частотные преобразователи служат для регулирования скорости асинхронного двигателя

С чего необходимо начать наш разговор? Электродвигатель при пуске потребляет большой ток, который называется пусковым. Он раз в семь превышает номинальный. Так вот частотный преобразователь снижает величину пускового тока в пять раз, при этом запуск электродвигателя происходит плавно. А так как пусковой ток снижает свои значения, значит, это неплохая экономия электроэнергии. Тестирования показали, что экономия составляет до 50%.

Принцип работы

Нас в первую очередь интересует принцип работы частотного преобразователя. Но начать надо с его устройства (со схемы). По сути, преобразователь – это инвертор с двухэтапным преобразованием напряжения. Вот его схема:

• Первый этап – это выпрямление и сглаживание напряжения сети или 220 В, или 380 В. Сначала ток проходит через диодный мост, где выпрямляется. Затем проходит через конденсаторы, где фильтруется и сглаживается. То есть, на выходе получается напряжение постоянного тока.
• Второй этап – это необходимость перевести постоянное напряжение в переменное. Для этого в прибор установлены специальные микросхемы управления или инвертор на транзисторах.

Принцип работы на схеме

А вот теперь принцип работы. С получением постоянного напряжения все понятно. Как же образуется переменный ток с разной частотой и амплитудой? Система управления выдает сигналы, которые поступают на обмотки электродвигателя. Соединение обмоток и преобразователя частоты производится через силовые транзисторы инвертора, у которого есть положительный и отрицательный полюс. Длительность подключения каждой обмотки формируется по синусоидальной кривой, где учитывается период следования импульсов.

В середине полупериода ширина импульсов самая большая, в начале и конце – самая маленькая. Именно на этом и основывается система управления, которая обеспечивает широтно-импульсную модуляцию напряжения (ШИМ). При этом амплитуда и частота напряжения зависят от параметров и характеристик синусоидальной кривой.

Необходимо отметить, что существуют частотные преобразователи, в которых настройка производится вручную и автоматически.

Критерии выбора частотного преобразователя

Существует несколько параметров, которые необходимо учитывать, выбирая частотный преобразователь. Вот основные из них.

Функциональность

Конкуренция на рынке жесткая, так что производители стараются наделить свои преобразователи различными функциями. Правда, при этом создают базовую функциональность, которая и закладывается в себестоимость изделия. Все остальные функции – это бонусы, поэтому стоит обращать внимание именно на базу.

Способ управления

Здесь выбор стоит между скалярным и векторным управлением. Вторые дороже, но со сниженной статистической ошибкой. Первые – это приборы, которые поддерживают одно и то же соотношение между напряжением и частотой. К примеру, для вентиляторов данная схема управления бывает достаточной.

Мощность

Тут все понятно, преобразователь должен выдерживать мощность потребителя. Оптимальный же вариант – это когда, к примеру, установка циркуляционного насоса для отопительной системы требует установки той же марки частотного преобразователя для насоса. К тому же обязательно узнайте, есть ли в вашем городе сервисный центр, который отремонтирует купленный вами прибор.

Сетевое напряжение

Напряжение в отечественных подающих сетях оставляет желать лучшего. То оно падает ниже 180 вольт, то взлетает выше 270 вольт. Поэтому, выбирая частотный преобразователь, необходимо обратить внимание на диапазон напряжений, в пределах которых он может работать. Оптимальный вариант – максимальный диапазон.

Схемы подключения

Схема подключения частотного преобразователя к электродвигателю может производиться от одно- или 3-х фазных сетей. При этом к однофазной сети можно подключить однофазный преобразователь или трехфазный с установкой конденсаторного блока. Но необходимо учитывать тот факт, что при подключении трехфазного преобразователя к однофазной сети произойдет падение мощности. Подключение производится по схеме треугольник. В трехфазном подключении используется только схема звезда.

Обратите внимание, что при использовании электродвигателя мощность больше 5 кВт для снижения пускового момента, можно применять переход звезда-треугольник. То есть, при пуске, чтобы он был плавным, статор подключается по схеме звезда. Как только мотор наберет номинальное вращение статора, схема переключится на треугольник. Единственный момент, на который необходимо обратить внимание, это возможность работы трехфазного двигателя и по схеме звезда, и по схеме треугольник.