Частотный преобразователь для вентилятора принцип работы

Обновлено: 17.05.2024

Для регулирования скорости большинства современных вентиляторов и дымососов используются частотные преобразователи. Они позволяют плавно менять производительность вентиляторных установок в широких пределах, обеспечивают плавный пуск и останов электродвигателя, а также позволяют экономить электроэнергию.

При этом количество управляющих сигналов, приходящих из внешней системы автоматизации, минимально и чаще всего ограничивается аналоговым заданием по скорости и дискретным сигналом разрешения работы.

В то же время, несмотря на кажущуюся простоту, электромеханическая система вентилятора является достаточно сложной системой, имеющей свои особенности эксплуатации. Одной из особенностей работы вентилятора, которая не учитывается большинством инженеров по автоматизации систем вентиляции, является влияние электромеханической составляющей, обусловленной большим моментом инерции крыльчатки. Из-за него во вращающихся массах вентилятора запасается большое количество кинетической энергии, которая негативно влияет на динамические характеристики вентилятора при регулировании скорости, пуске и останове. При неправильной настройке системы управления выброс этой энергии может даже приводить к отказу электроники преобразователя частоты, в частности на этапах останова, замедления и принудительного раскручивания вентилятора за счет внешней тяги без подачи питающего напряжения на электродвигатель.

Поэтому выясним, почему же при эксплуатации преобразователя частоты возникают ошибки, приводящие к останову системы вентиляции и даже отказу элементов системы.

На самом деле перенапряжение на шине постоянного тока преобразователя может появляться в двух случаях:

перенапряжение в питающей сети;
генераторный режим электродвигателя (режим рекуперации).

Чем же обусловлен генераторный режим электродвигателя вентилятора? Ведь для этого вентилятор должен раскручиваться до скорости, выше скорости идеального холостого хода двигателя.

С помощью рис.1 рассмотрим причину возникновения этого явления. Пусть мы работаем в рабочей точке №1, при этом из звена постоянного тока преобразователя потребляется мощность Рн. Далее внешней системой автоматики подается команда на снижение скорости и переходе в рабочую точку №2. Если величина допустимого ускорения/замедления привода не будет ограничиваться, то кинетическая энергия, запасенная в механизме вентилятора будет раскручивать вал электродвигателя выше синхронной скорости, задаваемой преобразователем. При этом скорость будет оставаться положительной, а вот момент, создаваемый двигателем, станет отрицательным и электропривод перейдет в генераторный режим. В этом случае энергия рекуперации Ррекуп будет передаваться от двигателя к преобразователю частоты.

Рисунок 1. Механические характеристики асинхронного электродвигателя при управлении
от преобразователя частоты в режиме торможения

Электрические схемы силовой части большинства современных преобразователей частоты похожи. Упрощенная схема, представленная на рис.2, содержит неуправляемый выпрямитель, фильтр звена постоянного тока и инвертор на IGBT-транзисторах с обратными защитными диодами.

Рисунок 2. Упрощенная электрическая схема силовой части преобразователя частоты

Из рис.2 можно видеть, что энергия, поступающая от двигателя в преобразователь частоты, приходит в звено постоянного тока через обратные диоды, которые в этом режиме выступают в роли неуправляемого выпрямителя. При этом не имеет значения, открыты ли в этот момент IGBT – транзисторы инвертора или нет. Поскольку через входной неуправляемый выпрямитель в звено поступает выпрямленное напряжение сети, то электролитические конденсаторы звена постоянного тока уже заряжены. Энергия торможения, в свою очередь, не передается в питающую сеть через входной неуправляемый выпрямитель, поэтому выброс энергии от двигателя приводит к перенапряжению на элементах звена постоянного тока и трехфазном инверторе и их отказу. Также вредным фактором такого режима является то, что при повышенном напряжении в звене постоянного тока прикладывается повышенное напряжение к ключам инвертора. Это приводит к повышенному тепловыделению в них, их частичному разрушению и последующему отказу.

Другим видом неисправности, возникающей при эксплуатации вентиляторов, является перегрузка IGBT – ключей при пуске. Эта неисправность вызвана чаще всего динамическими колебаниями скорости, особенно при пусках с малым временем разгона и больших маховых массах на валу электродвигателя.

Исходя из вышеуказанных особенностей эксплуатации электродвигателей вентиляторов, рассмотрим способы подключения и конфигурирования преобразователей частоты для систем вентиляции, при которых будет обеспечиваться безотказный режим работы.

1. Подключение управляющих сигналов.

Чаще всего, как было сказано ранее, управление преобразователем частоты вентилятора реализуется чаще всего с помощью аналогового сигнала для задания скорости и дискретного сигнала для выдачи разрешения работы. При этом большинство инженеров – проектировщиков реализуют с помощью дискретного сигнала, как пуск, так и останов вентилятора. Это и бывает причиной отказа большинства преобразователей частоты, которые неправильно сконфигурированы либо подключены.

Дело в том, что у большинства преобразователей частоты имеется дискретный вход разрешения работы, который во многих инструкциях ошибочно обозначается как вход пуска ПЧ. Так, например, у преобразователя частоты Lenze серии ESMD сигнал разрешения работы подается на контакт 28 соединителя управления. При неактивном уровне сигнала разрешения работы подачи управляющих импульсов на IGBT – транзисторы силового инвертора нет и инвертор не работает. Если вал электродвигателя вращается, то при наличии больших маховых масс вентилятора двигатель переходит в генераторный режим и происходит неконтролируемый выброс энергии с двигателя в звено постоянного тока преобразователя, что часто приводит к отказу преобразователя. В ряде случаев даже кратковременного перевода в неактивное состояние сигнала разрешения работы преобразователя при работающем вентиляторе хватает для возврата двигателем энергии в звено постоянного тока преобразователя, достаточной для отказа силовых элементов этого звена (включительно с инвертором).

Существуют несколько возможных путей решения данной проблемы:

использование преобразователей частоты с функцией плавного замедления при снятии разрешения работы;
применение более сложных схем управления.

В первом случае можно рекомендовать преобразователи частоты Lenze серии ESV, в которых есть параметр, определяющий реакцию на пропадание сигнала разрешения работы. Для обеспечения безопасного режима замедления вентилятора с большими маховыми массами рекомендуется установить значение Р111=2 (останов по заданной траектории при пропадании сигнала разрешения работы).

Во втором случае пуск преобразователя производится при нулевом значении задания по скорости, а затем с помощью аналогового сигнала внешнего контроллера либо потенциометра производится плавный разгон вентилятора до номинальной скорости. Аналогичным образом, производится замедление двигателя путем уменьшения аналогового сигнала и при нулевой скорости снимается сигнал разрешения работы. Второй вариант является более сложным, однако позволяет получить лучшие регулировочные характеристики вентилятора.

2. Подключение элементов защиты звена постоянного тока.

Очевидно, что главной опасностью при генераторном режиме является повышение напряжения в звене постоянного тока. Следовательно, решением, обеспечивающим безопасную эксплуатацию, является введение в схему электропривода элементов рассеяния тормозной энергии. Одним из наиболее дешевых решений является использование тормозных чопперов (силовых коммутаторов), совместно с тормозными резисторами, включаемых в звено постоянного тока.

Принцип работы такой схемы следующий. При превышении напряжения в звене постоянного тока выше допустимого (этот уровень устанавливается при программировании ПЧ либо перемычками на чоппере в зависимости от типа ПЧ) происходит открытие силового ключа тормозного модуля и осуществляется сброс энергии на тормозной резистор. Это действие происходит автоматически и не влияет на качество работы электродвигателя вентилятора. Преимуществом такого подхода является защита ПЧ от вредных последствий генераторного режима даже при полном отключении управляющих сигналов, неправильном конфигурировании времени разгона/замедления и т.д.

3. Выбор рационального времени разгона/замедления преобразователя.

Следует помнить, что при снятии сигнала разрешения работы(или его обрыве) и неправильной конфигурации преобразователя частоты управление ключами инвертора прекращается и происходит неконтролируемый выброс энергии с двигателя в звено постоянного тока. Тем не менее, правильная конфигурация времени разгона/торможения обеспечивает эксплуатацию ПЧ без перегрузок по току и напряжению. В первую очередь следует помнить, что время разгона ПЧ должно быть намного больше времени прямого пуска асинхронного электродвигателя вентилятора. Так, например, если для вентилятора средней и большой мощности время прямого пуска составляет от 5 секунд, то время разгона от ПЧ должно быть больше, как минимум, в разы. При установлении меньшего времени разгона возможна как перегрузка по току, так и пуск рывками с возникновением перенапряжений, описанный ранее. Аналогичным образом выбирается время останова двигателя. Для этого необходимо при проведении пусконаладочных работ на этапе останова электродвигателя контролировать величину напряжения в звене постоянного тока (к примеру, параметр С53 преобразователей частоты Lenze серии ESMD).

Использование рекомендаций и советов, представленных в этой статье, поможет инженерам – проектировщикам электромеханических систем вентиляции уменьшить вероятность отказа преобразователя частоты и оптимизировать работу вентилятора в целом.

Полезные ссылки

Преобразователи частоты

Частотный преобразователь, или преобразователь частоты - электротехническое устройство (система управления), используемое для контроля скорости и/или момента двигателей переменного тока путем изменения частоты и напряжения питания электродвигателя.

Согласно ГОСТ 23414-84 полупроводниковый преобразователь частоты - полупроводниковый преобразователь переменного тока, осуществляющий преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты

Частотный преобразователь - это устройство, используемое для того чтобы обеспечить непрерывное управление процессом. Обычно частотный преобразователь способен управлять скоростью и моментом асинхронных и/или синхронных двигателей.

Преобразователи частоты находят все более широкое применение в различных приложениях промышленности и транспорта. Благодаря развитию силовых полупроводниковых элементов, инверторы напряжения и инверторы тока с ШИМ управлением получают все более широкое распространение. Устройства, которые преобразуют постоянный сигнал в переменный, с желаемым напряжением и частотой, называются инверторами. Такое преобразование может быть осуществлено с помощью электронных ключей (BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO) и тиристоров в зависимости от задачи.

На данный момент основная часть всей производимой электрической энергии в мире используется для работы электрических двигателей. Преобразование электрической мощности в механическую мощность осуществляется с помощью электродвигателей мощностью от меньше ватта до нескольких десятков мегаватт.

максимальный КПД;
широкий диапазон плавной установки скорости вращения, момента, ускорения, угла и линейного положения;
быстрое удаление ошибок при изменении управляющих сигналов и/или помех;
максимальное использование мощности двигателя во время сниженного напряжения или тока;
надежность, интуитивное управление.

Конструкция частотного преобразователя

Основными элементами частотного преобразователя являются силовая часть (преобразователь электрической энергии) и управляющее устройство (контроллер). Современные частотные преобразователи обычно имеют модульную архитектуру, что позволяет расширять возможности устройства. Также зачастую имеется возможность установки дополнительных интерфейсных модулей и модулей расширения каналов ввода/вывода.

Методы управления

Инвертор напряжения

Инвертор напряжения наиболее распространен среди силовых преобразователей.

Двухуровневый инвертор напряжения

Двухуровневый инвертор напряжения (two-level voltage-source inverter) – наиболее широко применяемая топология преобразователя энергии. Он состоит из конденсатора и двух силовых полупроводниковых ключей на фазу. Управляющий сигнал для верхнего и нижнего силовых ключей связан и генерирует только два возможных состояния выходного напряжения (нагрузка соединяется с положительной или отрицательной шиной источника постоянного напряжения).

Используя методы модуляции для генерирования управляющих импульсов возможно синтезировать выходное напряжение с желаемыми параметрами (формой, частотой, амплитудой). Из-за содержания высоких гармоник в выходном сигнале для генерирования синусоидальных токов выходной сигнал необходимо фильтровать, но так как данные преобразователи обычно имеют индуктивную нагрузку (электродвигатели) дополнительные фильтры используются только при необходимости.

Максимальное выходное напряжение определяется значением постоянного напряжения звена постоянного тока. Для эффективного управления мощной нагрузкой требуется высокое постоянное напряжение звена постоянного тока, но на практике это напряжение ограничено максимальным рабочим напряжением полупроводников. Для примера низковольтные IGBT транзисторы обеспечивают выходное напряжение до 690 В. Для того чтобы обойти данное ограничение по напряжению в последние десятилетия были разработаны схемы многоуровневых преобразователей. Данные преобразователи сложнее, чем двухуровневые в плане топологии, модуляции и управления, но при этом имеют лучшие показатели по мощности, надежности, габаритам, производительности и эффективности.

Трехуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой

В трехуровневом преобразователе с фиксированной нейтральной точкой (three-level neutral point clamped converter) постоянное напряжение делится поровну посредством двух конденсаторов, поэтому фаза может быть подключена к линии положительного напряжения (посредством включения двух верхних ключей), к средней точке (посредством включения двух центральных ключей) или к линии отрицательного напряжения (посредством включения двух нижних ключей). Каждому ключу в данном случае требуется блокировать только половину напряжения звена постоянного тока, тем самым позволяя увеличить мощность устройства, используя те же самые полупроводниковые ключи, как и в обычном двухуровневом преобразователе. В данном преобразователе обычно используются высоковольтные IGBT транзисторы и IGCT тиристоры.

Дисбаланс конденсаторов, создающий асимметрию в преобразователе. Данную проблему предлагается решать путем изменения метода модуляции.
Неравное распределение потерь из-за того, что потери на переключение внешних и центральных ключей отличаются в зависимости от режима работы. Данная проблема не может быть решена с использованием обычной схемы, поэтому была предложена измененная топология – активный преобразователь со связанной нейтральной точкой (active NPC). В этой схеме диоды заменены управляемыми ключами. Таким образом, выбирая соответствующую комбинацию ключей, возможно уменьшить и равномерно распределить потери.

Преобразователь с фиксированной нейтральной точкой может масштабироваться для достижения больше чем трех уровней выходного сигнала путем деления напряжения звена постоянного тока более чем на два значения посредством конденсаторов. Каждое из этих деленных напряжений может быть подключено к нагрузке с использованием расширенного набора ключей и ограничительных диодов. Вместе с увеличением мощности преимуществами многоуровневого преобразователя является лучшее качество электроэнергии, меньшее значение скорости нарастания напряжения (dv/dt) и связанных электромагнитных помех. Однако, когда преобразователь со связанной нейтральной точкой имеет более трех уровней, появляются другие проблемы. С точки зрения схемотехники в таком случае ограничительные диоды требуют более высокое максимальное рабочее напряжение чем основные ключи, что требует использования различных технологий или нескольких ограничительных диодов соединенных последовательно. В дополнение становится критическим неравномерное использование силовых элементов в схеме. В итоге из-за увеличения количества элементов снижается надежность. Приведенные недостатки ограничивают использование преобразователей с фиксированной нейтральной точкой с более чем тремя уровнями в промышленных приложениях.

Многоуровневые преобразователи

Каскадные преобразователи основанные на модульных силовых ячейках со схемой H-мост (cascaded H-bridge - CHB) и преобразователи с плавающими конденсаторами (flying capacitor converter) были предложены для обеспечения большего количества уровней выходного напряжения в сравнении с преобразователями с фиксированной нейтральной точкой.

Каскадный Н-мостовой преобразователь

Каскадный преобразователь - высоко модульный преобразователь, состоящий из нескольких однофазных инверторов, обычно называемыми силовыми ячейками, соединенными последовательно для формирования фазы. Каждая силовая ячейка выполнена на стандартных низковольтных компонентах, что обеспечивает их легкую и дешевую замену в случае выхода из строя.

Основным преимуществом данного преобразователя является использование только низковольтных компонентов, при этом он дает возможность управлять мощной нагрузкой среднего диапазона напряжения. Несмотря на то что частота коммутации в каждой ячейке низкая, эквивалентная частота коммутации приложенная к нагрузке – высокая, что уменьшает потери на переключение ключей, дает низкую скорость нарастания напряжения (dv/dt) и помогает избежать резонансов.

Преобразователь с плавающими конденсаторами

Выходное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами получается путем прямого соединения выхода фазы с положительной, отрицательной шиной или подключением через конденсаторы. Количество уровней выходных напряжений зависит от количества навесных конденсаторов и отношения между различными напряжениями.

Этот преобразователь, как и в случае каскадного преобразователя, также имеет модульную топологию, где каждая ячейка состоит из конденсатора и двух связанных ключей. Однако, в отличие от каскадного преобразователя добавление дополнительных силовых ключей к конденсаторному преобразователю не увеличивает номинальную мощность преобразователя, а только уменьшает скорость нарастания напряжения (dv/dt), улучшая коэффициент гармоник выходного сигнала. Как и у каскадного преобразователя, модульность уменьшает стоимость замены элементов, облегчает поддержку и позволяет реализовать отказоустойчивую работу.

Конденсаторный преобразователь требует только один источник постоянного тока для питания всех ячеек и фаз. Поэтому, можно обойтись без входного трансформатора, а количество ячеек может быть произвольно увеличено в зависимости от требуемой выходной мощности. Подобно преобразователю с фиксированной нейтральной точкой, этому преобразователю требуется специальный алгоритм управления для регулирования напряжения на конденсаторах.

Инвертор тока

Для работы инвертору тока всегда требуется управляемый выпрямитель, чтобы обеспечить постоянный ток в звене постоянного тока. В стандартной топологии обычно используются тиристорные выпрямители. Чтобы уменьшить помехи в нагрузке, в звене постоянного тока используется расщепленная индуктивность. Инвертор тока имеет схему силовых ключей наподобие инвертора напряжения, но в качестве силовых ключей используются тиристоры с интегрированным управлением (IGCT). Выходной ток имеет форму ШИМ и не может быть напрямую приложен к индуктивной нагрузке (электродвигателю), поэтому инвертор тока обязательно включает выходной емкостной фильтр, который сглаживает ток и выдает гладкое напряжение на нагрузку. Этот преобразователь может быть реализован для работы на средних напряжениях и более того он по природе имеет возможность рекуперации энергии.

Прямые преобразователи

Прямые преобразователи передают энергию прямо от входа к выходу без использования элементов накопления энергии. Основным преимуществом таких преобразователей является меньшие габариты. Недостатком – необходимость более сложной схемы управления.

Матричный преобразователь в его прямой и непрямой версии также принадлежит к категории прямых преобразователей. Основной принцип работы прямого матричного преобразователя (direct matrix converter) - возможность соединения выходной фазы к любому из входных напряжений. Преобразователь состоит из девяти двунаправленных ключей, которые могут соединить любую входную фазу с любой выходной фазой, позволяя току течь в обоих направлениях. Для улучшения входного тока требуется индуктивно-емкостной фильтр второго порядка. Выход напрямую соединяется с индуктивной нагрузкой. Не все доступные комбинации ключей возможны, они ограничены только 27 правильными состояниями коммутации. Как говорилось ранее, основное преимущество матричных преобразователей - меньшие габариты, что важно для автомобильных и авиационных приложений.

Непрямой матричный преобразователь (indirect matrix converter) состоит из двунаправленного трехфазного выпрямителя, виртуального звена постоянного тока и трехфазного инвертора. Количество силовых полупроводников такое же как у прямых матричных преобразователей (если двунаправленный ключ рассматривается как два однонаправленных ключа), но количество возможных состояний включения отличается. Используя ту же самую конфигурацию непрямого матричного преобразователя, возможно упростить его топологию и уменьшить количество элементов ограничив его работу от положительного напряжения в виртуальном звене постоянного тока. Уменьшенная топология называется разреженный матричный преобразователь (sparse matrix converter).

Большинство общепромышленных моделей частотных преобразователей можно использовать для управления вентиляторами, но для этого необходимо их запрограммировать специальным образом.

Преобразователи частоты для вентиляторов особо эффективны при контроле расхода воздуха. В частотных преобразователях для вентиляторов оптимизирован функционал и повышена экономичность регулирования вентиляторов.

Модели приборов и аналоги

Преобразователи для вентиляторов зачастую оптимизированы под применение в насосных системах и многие модели пересекаются в своем назначении. Краткая информация в таблице, подробная же представлена на соответствующих карточках частотных преобразователей.

Области применения преобразователей частоты для вентиляторов

Оптимальные области применения ПЧ для вентиляторов:

Нефтегазовый комплекс (охлаждаемые жидкие/газообразные продукты, градирни)
Системы вентиляции и кондиционирования
Энергетика (котельные, котлоагрегаты, тягодутьевые машины, системы регулирования дымососа)
Компрессорные установки (экономится энергия на промышленных предприятиях путем поддержания оптимального давления при сопутствующем оптимальном расходе)
Пневматические системы

Назначение частотных преобразователей для вентиляторов

Оптимальное регулирование производительности компрессоров и вентиляторов
Автоматическое поддержание требуемой температуры (воздуха в производственных помещениях; жидких/газообразных продуктов и т.п.)
Повышение экономичности/надежности систем охлаждения (воздушного), увеличение ресурса оборудования вентиляций
Уменьшение энергозатрат охлаждающих систем
Защита электродвигателей вентиляторного оборудования, прогнозирование отказов

Преимущества

Преобразователи частоты для вентиляторов дают преимущества:

Наиболее оптимальное управление системами вентиляторов и компрессоров, обеспечивая экономию электроэнергии (в отдельных случаях до 70%)
Полная автоматизация объекта
Снижают износ сопутствующей аппаратуры (коммутационной и т.п.)
Увеличивают срок службы ЭД исключая тяжелые пусковые режимы

Недостатки

Недостатки ПЧ для вентиляторов зависят от используемого ими принципа работы и описаны на страницах скалярных и векторных преобразователей частоты.

Принцип работы преобразователей частоты для вентиляторов

Преобразователь частоты для вентиляторов отличается от иных ПЧ в основном внутренними законами управления. В общем случае, ПЧ для вентиляторов является регулирующим промежуточным звеном между промышленной силовой сетью и объектом управления (вентилятором, компрессором). В зависимости от требований и регулируемых параметров (давление, расход воздуха, температура продукта), ПЧ формирует нужное напряжение на объекте.

Частотный преобразователь напряжения — это электрический прибор, служащий для преобразования напряжения и частоты переменного тока в напряжение с заданной амплитудой и частотой. Он также способен преобразовывать постоянное напряжение в переменное с заданными характеристиками.

Частотные преобразователь Toshiba

Для чего нужен частотный преобразователь?

Этот вопрос задают множество людей, которым впервые понадобилось подключить трехфазный двигатель насоса или вентилятора. Конечно, любой электродвигатель можно напрямую подключить к сети переменного тока через соответствующую защитную аппаратуру (моторный автоматический выключатель или контактор с тепловым реле).

Насос водяной

Канальный вентилятор

Рассмотрим процессы, происходящие в электродвигателе в момент прямого пуска с помощью автоматического выключателя или кнопки включения контактора на примере обычного трехфазного асинхронного двигателя.

На статорные обмотки электродвигателя подается переменное напряжение, которое генерирует соответствующее электромагнитное поле этих обмоток. Это поле, направленное в сторону ротора, в свою очередь заставляет генерироваться электрический ток в короткозамкнутых витках ротора. Затем ток в обмотках ротора генерирует ответное магнитное поле, которое и приводит к движению ротора относительно статора. Все эти процессы, возникающие в момент пуска, называются процессом намагничивания статора и ротора.

Асинхронный электрический двигатель

Трехфазный электродвигатель сам по себе не нужен: на его валу обязательно присутствует нагрузка (самая простая — в виде лопастей вентилятора). В ситуации с нагруженным конвейером всё сложнее. Тем не менее, у этой нагрузки есть момент инерции – момент, который необходимо преодолеть двигателю для запуска вращения вала. Таким образом, все эти электромагнитные и механические силы в момент пуска напрямую соотносятся с обычным пусковым током двигателя. Как несложно догадаться, этот ток будет в несколько раз (2-7) больше номинального тока двигателя, который получится в установившемся режиме работы.

Скорость вращения электродвигателя или число оборотов в минуту

n = (60 • f / p) • (1 — s)

где n – номинальное число оборотов вала асинхронного электродвигателя, p – число пар полюсов (см. на паспортной табличке), s – скольжение (разность скоростей поля ротора и поля статора), f – частота переменного тока (например, 50 Гц). Число пар полюсов статора зависит от конструкции катушек статора. Скольжение зависит от нагрузки на валу электродвигателя. Таким образом, подключив электродвигатель к сети переменного тока, мы получим вращение с постоянной скоростью.

Зачем нужно регулировать скорость и как это делается?

Заданное в паспортной табличке число оборотов двигателя на 1 минуту не всегда устраивает потребителя. Иногда скорость механизма хочется уменьшить, а давление в трубе наоборот поднять. Возникает потребность в изменении частоты вращения вала электродвигателя. Как видно из формулы выше, наиболее простой способ изменения частоты вращения вала электродвигателя –изменить частоту переменного тока f.

Шильдик электродвигателя EQPIII Toshiba

Принцип работы частотного преобразователя

Вот тут и приходит на помощь частотный преобразователь, иначе говоря ЧРП (частотно-регулируемый привод). Он, как говорилось в самом начале, позволяет задавать на своем выходе заданные в настройках амплитуду напряжения и частоту переменного тока.

Частота вы выходе может регулироваться в диапазоне 0.01 — 590 Гц если брать инверторы серии AS3 Toshiba. Для серии S15 Toshiba диапазон регулирования находится в пределах 0.01 — 500 Гц. Для серии nC3E Toshiba диапазон регулирования находится в пределах 0.01 — 400 Гц. Это объясняется функциональным назначением разных серий ПЧ.

Напряжение на выходе может изменяться в диапазоне от 0 В до напряжения питания ПЧ, т.е. текущего напряжения на входе частотного преобразователя. Это свойство можно использовать для получения нужного выходного напряжения и частоты, что ценно, например, для испытания стендового оборудования. Правда для этого придется использовать специальный выходной синусный фильтр, чтобы получить чистые синусоидальное напряжение и ток.

С частотой все понятно, но зачем нужно изменять напряжение?

Дело в том, что для поддержания определенного магнитного поля в обмотках статора требуется изменять не только частоту, но и напряжение. Получается, что частота должна соответствовать определенному напряжению. Этот называется законом скалярного управления U/f (V/f), где U или V — напряжение.

Использование частотника позволяет убрать большой пусковой ток, достигая таким образом значительного экономического эффекта при частых пусках и остановках электродвигателя.

Схема частотного преобразователя

Схема преобразователя частоты

Напряжение в звене постоянного тока после выпрямления трехфазного напряжения будет равно согласно формуле: 380*1,35 = 513 В.

Дроссель DCL в звене постоянного тока позволяет дополнительно сгладить пульсации напряжения после диодного моста и выполняет функции снижения гармоник выпрямителя, инжектируемых в питающую сеть.

ШИМ инвертора

Выходное напряжение частотного преобразователя будет всегда ниже входного сетевого напряжения. Это связано с потерями в силовом модуле и алгоритме получения ШИМ импульсов.

Между частотным преобразователем и электродвигателем можно установить дополнительный фильтр, позволяющий значительно улучшить форму выходного напряжения после частотника. Это необходимо для того, чтобы импульсы ШИМ не разрушали изоляцию обмоток двигателя и не вызывали перенапряжения на конце длинного кабеля. Подробнее о выходных фильтрах.

Тормозной прерыватель (Brake Chopper)

На схеме частотного преобразователя можно заметить еще один транзисторный ключ T7. Его назначение — сброс энергии звена постоянного тока при значительном превышении напряжения на конденсаторах. Перенапряжение возникает в том случае, когда частота вращения вала электродвигателя превышает частоту тока на клеммах электродвигателя (например, при торможении). Это часто встречается на кранах или крупных вентиляторах, когда невозможно быстро затормозить вращение.

При наступления события превышения напряжения DC, этот транзисторный ключ T7 замыкается, передавая энергию звена постоянного тока на тормозной резистор. Конечно, резистор при этом может очень сильно нагреться и даже разрушится, но при этом не пострадает наиболее дорогое оборудование — частотный преобразователь.

Тормозной резистор является опциональным оборудованием и подключается к специальным клеммам преобразователя частоты.

КПД частотного преобразователя

Такие важные параметры как КПД частотника и производительность воздушного потока для его охлаждения можно посмотреть в соответствующем столбце следующей таблицы на примере серии VF-AS3 TOSHIBA.

Питающая сеть	Допустимая мощность двигателя (kW)	Типоразмер частотника	Размер корпуса	КПД	Мощность тепловыделения на радиаторе охлаждения (Вт) *1	Мощность тепловыделения передней части инвертора (Вт) *1	Требуемое значение потока воздушного охлаждения (м³/мин)	Площадь стенок закрытой стальной оболочки без вентиляции (м²)
3-фазы 380/480 В	0.75	VFAS3-4004PC	A1	0,89	56	26	0.32	1.13
	1.5	VFAS3-4007PC	A1	0,93	79	28	0.45	1.58
	2.2	VFAS3-4015PC	A1	0,94	100	30	0.57	2.00
	4.0	VFAS3-4022PC	A1	0,96	140	33	0.79	2.80
	5.5	VFAS3-4037PC	A1	0,96	192	37	1.09	3.83
	7.5	VFAS3-4055PC	A2	0,96	233	45	1.32	4.66
	11	VFAS3-4075PC	A2	0,97	323	53	1.84	6.47
	15	VFAS3-4110PC	A3	0,97	455	62	2.58	9.10
	18.5	VFAS3-4150PC	A3	0,97	557	70	3.16	11.14
	22	VFAS3-4185PC	A3	0,97	603	71	3.42	12.06
	30	VFAS3-4220PC	A4	0,97	770	94	4.37	15.40
	37	VFAS3-4300PC	A4	0,97	939	107	5.33	18.78
	45	VFAS3-4370PC	A4	0,97	1101	123	6.25	22.02
	55	VFAS3-4450PC	A5	0,98	1094	132	6.21	21.88
	75	VFAS3-4550PC	A5	0,98	1589	175	9.02	31.78
	90	VFAS3-4750PC	A5	0,98	1827	199	10.37	36.54
	110	VFAS3-4900PC	A6	0,97	2920	309	16.58	58.40
	132	VFAS3-4110KPC	A6	0,97	3457	358	19.62	69.13
	160	VFAS3-4132KPC	A6	0,97	4013	405	22.78	80.26
	220	VFAS3-4160KPC	A7	0,97	5404	452	30.68	108.08
	250	VFAS3-4220KPC	A8	0,97	6279	606	35.64	125.58
	280	VFAS3-4250KPC	A8	0,97	6743	769	38.28	134.86
	315	VFAS3-4280KPC	A8	0,97	7749	769	43.99	154.98

*1) В таблице приведены данные для нормального (не тяжелого) режима работы преобразователя частоты.

Области применения и экономический эффект использования частотных преобразователей

Сферы применения преобразователей частоты

Краны и грузоподъемные машины
Крановые двигатели работают в старт-стопном режиме и переменной нагрузке. Применение частотных преобразователей позволяет убрать рывки и раскачивание груза при пусках и стопах. Также обеспечивается остановка крана точно в требуемом месте. При этом снижается нагрев электродвигателей и максимальный пусковой момент.
Привод нагнетательных вентиляторов в котельных и дымососах
Общее управление с плавной регулировкой дутьевых и вытяжных вентиляторов позволяет автоматизировать процесс горения и обеспечить максимальный КПД котельных агрегатов.
Транспортеры, прокатные станы, конвейеры, лифты
Частотник позволяет регулировать скорость перемещения транспортного оборудования без рывков и ударов. Это увеличивает срок службы механических узлов и позволяет экономить электроэнергию на старт-стопных режимах по сравнению с прямым пуском.
Насосные агрегаты и вентиляторы
Благодаря встроенным ПИД-регуляторам, частотники позволяют обойтись без задвижек и вентилей, регулирующих давление и расход. Также значительно увеличивается общий КПД линии водо- или воздухоподачи.
Перемоточные и намоточные станки
Современные частотные приводы Toshiba содержат 2 встроенных ПИД-регулятора: контроля скорости намотки и контроля позиции в регуляторе натяжения. Таким образом можно обойтись без использования внешнего контроллера для управления скоростью и натяжением перемоточного станка.
Электродвигатели станков с ЧПУ и поворотных механизмов
Использование частотника вместо коробки передач позволяет плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения рабочего органа станка, осуществлять реверс. Встроенное в серию AS3 Toshiba управление несколькими режимами точного позиционирования может быть использовано для построения системы управления без использования контроллера. Таким образом, ПЧ широко используются для станков с ЧПУ и высокоточного промышленного оборудования.
Испытательные стенды
В связи с тем, что ПЧ способен регулировать частоту и напряжение на своем выходе, то это можно использоваться для питания разного рода стендовой аппаратуры. Правда, для этого придется после ПЧ установить синусный фильтр для получения синусоидального выходного напряжения. Это позволит подавать на испытуемое оборудование широкий диапазон частот и напряжений.

Преимущества частотных преобразователей

Экономия электроэнергии
Использование ПЧ позволяет уменьшить пусковые токи и оптимизировать потребляемую мощность благодаря встроенным алгоритмам управления.
Увеличение срока службы электрического оборудования и механизмов
Плавный пуск и регулировка скорости вращения момента на валу позволяют увеличить межсервисный интервал механизма и увеличить срок эксплуатации электродвигателей.
Появляется возможность отказаться от редукторов, дросселирующих задвижек для регулирования потока, электромагнитных тормозов и прочей регулирующей аппаратуры, снижающей надежность и увеличивающей энергопотребление оборудования.
Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание
Частотники не нуждающихся в регулярной чистке и смазке, как например, задвижки и редукторы.
Возможность удаленного управления и контроля параметров частотного преобразователя и подключенных к нему датчиков
В частотниках Toshiba реализована возможность подключения удаленных устройств телеметрии и телемеханики. Это позволяет ПЧ встраиваться в системы автоматизации.
Широкий диапазон мощностей и типов двигателей
Линейка ПЧ может применяться для двигателей мощностью от 100 Вт и до нескольких МВт, как на асинхронные, так и на синхронные электродвигатели.
Защита электродвигателя от аварий и перегрузок
Частотные преобразователи содержат в себе защиту от перегрузок, коротких замыканий, обрыва фаз. Функции перезапуска при возобновлении подачи электроэнергии позволяют автоматически запускать двигатель.
Множество функциональных настроек приводов Toshiba
Можно перечислить следующие востребованные функции ПЧ:
- Автозапуск/перезапуск ПЧ при появлении напряжения питания
- Возможность включения трехфазного частотника в однофазную сеть питания при определенном конфигурировании параметров
- Множество тонких настроек для работы с подъемно-транспортным, насосным оборудованием, станками
- Сохранение истории аварийных отключений
- Встроенный функционал защиты двигателя от перегрева
- Возможность работы с множеством протоколов связи
- ПИД-регуляторы для различных областей применения
- Работа на множестве предустановленных скоростях
- Толчковая работа двигателя для сложного старта
- Автоподхват вращающегося двигателя
- Линейное, S-образное, 5-точечное задание разгона.
- Пропуск проблемных частот (для насосного оборудования)
- Широкий диапазон частот работы 0-400/500 Гц
- Ручное задание диапазона частот работы электродвигателя
- Легкий перенос настроек с одного частотника на другой
- Работа с асинхронными и синхронными электродвигателями
- Возможность трассировки работы преобразователя частоты для нахождения причины возникновения аварии или предупреждения
- Траверс-контроль для текстильных машин
- Защита от повышенного или пониженного момента (тока) двигателя
Внедрение частотных преобразователей дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и техническое обслуживание электродвигателей и оборудования. Появляется возможность использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до 3-х лет.

Частотные преобразователи Toshiba

Компания СПИК СЗМА как единственный официальный дилер Toshiba в России и СНГ предлагает купить частотные преобразователи серии VF-AS3 для решения задач регулирования скорости электродвигателя. Вы получаете максимально качественную техническую поддержку и гарантию долгой работы преобразователя частоты.

Трехфазный инвертор VF-AS3 Toshiba

Однофазный преобразователь частоты VF-nC3

Высоковольтные преобразователи частоты ВПЧ

Выше рассмотрены низковольтные частотные преобразователи. Но также существует множество вариантов высоковольтных преобразователей частоты. Компания СПИК СЗМА является дистрибьютором ПЧ среднего напряжения TMEIC.

Высоковольтные преобразователи частоты MVe2

Читайте также: