Частотные преобразователи для асинхронных двигателей
Благодаря частотным преобразователям, работа современных асинхронных двигателей отличается высокой эффективностью, устойчивостью и безопасностью
Это особенно важно, поскольку каждый электродвигатель отличается индивидуальными особенностями режима работы. Поэтому оптимизации параметров питания агрегатов с использованием преобразователей частоты придается большое значение
Когда частотный преобразователь выбирается для каких-либо конкретных целей, в этом случае должны обязательно учитываться его рабочие параметры.
Нормальная работа устройства будет зависеть от типа электродвигателя, его мощности, диапазона, скорости и точности регулировок, а также от поддержания стабильного момента вращения вала. Эти показатели имеют первостепенное значение и должны органично сочетаться с габаритами и формой аппарата
Следует обратить особое внимание на то, как расположены элементы управления и будет ли удобно им пользоваться
Выбирая устройство, необходимо заранее знать, в каких условиях оно будет эксплуатироваться. Если сеть однофазная, то и преобразователь должен быть таким же. То же самое касается и трехфазных аппаратов. Многое зависит от мощности асинхронных двигателей. Если при запуске на валу необходим высокий пусковой момент, то и частотный преобразователь должен быть рассчитан на большее значение тока.
Программирование частотных преобразователей необходимо для адаптации устройства к техническим параметрам электродвигателя, встраивания электропривода в систему автоматического регулирования и диспетчеризации, его синхронизации с работой других приводов. Оно осуществляется после монтажа преобразователя, выполнения всех подключений в точном соответствии со схемой, проверки правильности электрических соединений силовой и управляющей цепи.
Программирование ЧП должен проводить специалист по автоматизации, имеющий профильное образование и соответствующую квалификацию. Многие модели частотников узкоспециализированного назначения поставляются со встроенным программным обеспечением от производителя. Их настройка сводится к вводу технических характеристик электродвигателя и незначительной адаптации программ к реальным условиям эксплуатации электропривода. Существуют также модели, определяющие фактические характеристики электродвигателя при включении в режиме тестирования.
Большинство преобразователей общепромышленного назначения имеют открытый доступ к ПО и могут быть адаптированы к электроприводам самого различного промышленного оборудования, в том числе для полностью автоматизированных технологических установок.
Для универсальных преобразователей частоты, интегрированного в системы АСТП привода требуется написание отдельных программ и их настройка и отладка. Программы для типового электропривода различного назначения часто поставляют вместе с частотником, их также можно скачать на сайте технической поддержки производителя регуляторов частоты.
Монтаж частотника
Привод устанавливается на твердую ровную площадку из негорючего материала в месте, недоступным для прямых лучей солнца. Сложность работ по установке прибора зависит от него самого (чем выше мощность и больше функций, тем сложнее схема подключения частотного преобразователя).
Для установки, кроме самого преобразователя частоты, потребуются соединительные провода, крепежи, инструмент для подготовки технических отверстий, если они необходимы, обжимка, автоматические выключатели. Параметры выключателей должны соответствовать характеристикам выбранного частотника. Порядок действий:
- изучить инструкцию частотного преобразователя;
- сформировать комплект дополнительных изделий, руководствуясь рекомендациями производителя;
- выполнить работы по настройке, перечисленные в инструкции (строго соблюдая последовательность, проверяя контакты и качество обжимки проводов, без спешки);
- повторно проверить надежность креплений, отсутствие неизолированных проводов и т. д. (базовые пункты правил безопасности при проведении электротехнических работ).
Важный момент: сразу после подключения частотный преобразователь электродвигателя запускать нельзя. В любой инструкции есть это указание, но многие его нарушают. По статистике, такое действие – самая распространенная причина негарантийного ремонта нового преобразователя частоты.
Вторая распространенная ошибка – использование автоматики, не рассчитанной на уровень потребления электродвигателя, к которому подключается частотник. Это приводит к подвижности биметаллической пластины, хаотичным разъединениям цепи и повреждению механизма.
Подключение, настройка
Схема подключения частотника предполагает установку перед ним автоматического выключателя. В идеале последний должен работать с током, равным номинальному потреблению электромотора. Если в каталоге нужного выключателя преобразователя частоты не нашлось, надо брать аналог, приближенный к номинальному току электродвигателя.
Количество фаз, на которое рассчитана автоматика, выбирается по частотнику:
- Для трехфазного устройства берется 3-фазный выключатель с общим рычагом. Последний обеспечит обесточивание сети при угрозе (факте) короткого замыкания в одной из фаз. Ток срабатывания равен току 1 фазы электродвигателя.
- Для однофазного частотного преобразователя нужен одинарный автомат. Ток срабатывания равен току 1 фазы, умноженному на 3. Подключение – напрямую.
При настройке нужно соединить в электрическом двигателе обмотки (схема – «звезда» или «треугольник» в зависимости от характера напряжения). Затем фазные провода привода соединяются с контактами электродвигателя по схеме подключения частотника.
Подготовка
Установка преобразователя частоты для электромотора – процесс сложный и ответственный. Он пройдет тем проще и быстрее, чем правильнее сделан выбор частотного преобразователя. Поиск оптимального варианта устройства отталкивается от условий будущей эксплуатации. Опорные моменты следующие.
- Место установки частотного преобразователя. От него зависит несколько важных характеристик частотника. Класс влаго- и пылезащищенности корпуса. Современные преобразователи частоты выполняются в нескольких классах – IP 20, 54, 65. Чем выше защита (первая цифра отвечает за пылезащиту, вторая – за влагонепроницаемость), тем шире возможности по выбору места установки. Модели с IP 20 монтируют только в электротехнические щиты (с автоматикой или ручной системой управления приводом), установленные в помещениях с низким уровнем влажности. Установка в корпусах IP 54 или IP 65 возможна рядом с обслуживаемым мотором.
- Основание преобразователя частоты. Если устройство будет в зоне, удаленной от вибраций и электромагнитных полей, ему достаточно ровной твердой площадки. В противном случае монтаж может осуществляться на опорах, гасящих вибрации, или в шкафах с экранами.
- Климатическое исполнение. Если преобразователь частоты устанавливается на открытой или частично открытой платформе, климатическое исполнение должно соответствовать максимальной и минимальной температуре окружения в теплый и холодный сезон, соответственно. При закрытом монтаже температурный режим, которому должен соответствовать прибор, задает помещение.
Состояние сети (ее напряжение ниже или равно номинальному напряжению прибора).
Параметры электродвигателя (совместимость).
Проект подключения. Это база для выбора модели.
При установке частотника в шкаф важно соблюсти отступы корпуса от стенок шкафа или других приборов, расположенных в сборке. Размеры отступов определяются индивидуально по мощности монтируемых устройств
Для отвода тепла в закрытом пространстве шкафа в него устанавливаются вентиляторы достаточной мощности (зависит от количества преобразователей частоты и других механизмов).
Схема подключения однофазного двигателя с помощью однофазного частотного преобразователя без использования конденсатора
Выходное линейное напряжение устройства на каждой фазе равно выходному напряжению частотника, то есть на выходе будет три напряжения линии, каждое по 220В. Для запуска может использоваться только пусковая обмотка.
Рис. №8. Схема присоединения однофазного асинхронного двигателя через конденсатор
Фазосдвигающий конденсатор не может обеспечить равномерный фазовый сдвиг в пределах границ частот инвертора. Частотник обеспечит равномерный сдвиг фаз. Для того, чтобы исключить из схемы конденсатор, нужно:
- Конденсатор стартера С1 удаляется.
- Вывод обмотки двигателя присоединяем к точке выхода напряжения частотника (используется прямая проводка).
- Точка А присоединяется к СА; В соединяется с СВ; W соединяется к СС, таким образом электродвигатель присоединится напрямую.
- Для включения в обратном направлении (обратная проводка) необходимо В присоединить к СА; А присоединить к СВ; W соединить с СС.
Рис. №9. Схема подключения однофазного асинхронного двигателя без использования конденсатора.
На видео — Частотный преобразователь. Подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть 220В.
Частотный преобразователь. Подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть 220В.
Векторное управление без обратной связи
Векторное управление (ВУ) без обратной связи используется для более широкого и динамичного регулирования скорости электрической машины. При пуске от преобразователя частоты электродвигатели могут развивать пусковой момент в 200% от номинального при частоте всего 0,3 Гц. Это значительно расширяет перечень механизмов, где может быть применен асинхронный электропривод с векторным управлением. Этот метод также позволяет управлять моментом машины во всех четырех квадрантах.
Ограничение вращающего момента осуществляется двигателем. Это необходимо для предотвращения повреждения оборудования, машин или продукции. Значение моментов разбивают на четыре различных квадранта, в зависимости направления вращения электрической машины (вперед или назад) и в зависимости от того, реализует ли электродвигатель режим рекуперативного торможения. Ограничения могут устанавливаться для каждого квадранта отдельно или же пользователь может задать общий вращающий момент в преобразователе частоты.
Двигательный режим асинхронной машины будет при условии, что магнитное поле ротора отстает от магнитного поля статора. Если магнитное поле ротора начнет опережать магнитное поле статора, то тогда машина войдет в режим рекуперативного торможения с отдачей энергии, проще говоря – асинхронный двигатель перейдет в генераторный режим.
Например, машина по закупорке бутылок может использовать ограничение момента в квадранте 1 (направление вперед с положительным моментом) для предотвращения чрезмерного затягивания крышки бутылки. Механизм производит движение вперед и использует положительный момент для того, чтобы закрутить крышку бутылки. А вот устройство, такое как лифт, с противовесом тяжелее, чем пустая кабина, будет использовать квадрант 2 (обратное вращение и положительный момент). Если кабина подымается на верхний этаж, то крутящий момент будет противоположен скорости. Это необходимо для ограничения скорости подъема и недопущения свободного падения противовеса, так как он тяжелее, чем кабина.
Обратная связь по току в данных преобразователях частоты ПЧ позволяет устанавливать ограничения по моменту и току электродвигателя, поскольку при увеличении тока растет и момент. Выходное напряжение ПЧ может изменятся в сторону увеличения, если механизм требует приложения большего крутящего момента, или уменьшатся, если достигнуто его предельно допустимое значение. Это делает принцип векторного управления асинхронной машиной более гибким и динамичным по сравнению с принципом U/F.
Также частотные преобразователи с векторным управлением и разомкнутым контуром имеют более быстрый отклик по скорости – 10 Гц, что делает возможным его применение в механизмах с ударными нагрузками. Например, в дробилках горной породы нагрузка постоянно меняется и зависит от объема и габаритов обрабатываемой породы.
В отличии от шаблона управления U/F векторное управление использует векторный алгоритм, для определения максимально эффективного напряжения работы электродвигателя.
Векторное управления ВУ решает данную задачу благодаря наличию обратной связи по току двигателя. Как правило, обратная связь по току формируется внутренними трансформаторами тока самого преобразователя частоты ПЧ. Благодаря полученному значению тока преобразователь частоты проводит вычисления вращающего момента и потока электрической машины. Базовый вектор тока двигателя математически расщепляется на вектор тока намагничивания (Id) и крутящего момента (Iq).
Используя данные и параметры электрической машины ПЧ вычисляет векторы тока намагничивания (Id) и крутящего момента (Iq). Для достижения максимальной производительности, преобразователь частоты должен держать Id и Iq разведенными на угол 90. Это существенно, так как sin 90 = 1, а значение 1 представляет собой максимальное значение крутящего момента.
В целом векторное управление асинхронным электродвигателем осуществляет более жесткий контроль. Регулирование скорости составляет примерно ±0,2% от максимальной частоты, а диапазон регулирования достигает 1:200, что позволяет сохранять вращающий момент при работе на низких скоростях.
Для чего может быть нужен электродвигателю частотный преобразователь
Применение частотных преобразователей позволяет снизить затраты на электроэнергию, расходы на амортизацию двигателей и оборудования. Их возможно использовать для дешевых двигателей с короткозамкнутым ротором, что снижает издержки производства.
Многие электродвигатели работают в условиях частой смены режимов работы (частые пуски и остановки, изменяющуюся нагрузку). Частотные преобразователи позволяют плавно запускать электродвигатель и снижают максимальный пусковой момент и нагрев оборудования
Это важно, например, в грузоподъемных машинах и позволяет снизить негативное влияние резких пусков, а также исключить раскачивание груза и рывки при остановке
При помощи ПЧ можно плавно регулировать работу нагнетательных вентиляторов, насосов и позволяет автоматизировать технологические процессы (применяются в котельных, на горнодобывающих производствах, в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей сферах, на водопроводных станциях и других предприятиях).
Использование частотных преобразователей в транспортерах, конвейерах, лифтах позволяет увеличить срок службы их узлов, так как снижает рывки, удары и другие негативные факторы при пусках и остановке оборудования
Они могут плавно увеличивать и уменьшать частоту вращения двигателя, осуществлять реверсивное движение, что важно для большого количества высокоточного промышленного оборудования
Преимущества частотных преобразователей:
- Снижение затрат на электроэнергию: за счет снижения пусковых токов и регулирования мощности двигателя исходя из нагрузки;
- Увеличение надежности и долговечности оборудования: позволяет продлить срок эксплуатации и увеличить срок от одного технического облуживания до другого;
- Позволяет внедрить внешний контроль и управление оборудованием с удаленных компьютерных устройств и способность встраивания в системы автоматизации;
- Частотные преобразователи могут работать с любой мощностью нагрузки (от одного киловатта до десятков мегаватт);
- Наличие специальных компонентов в составе частотных преобразователей позволяет защитить от перегрузок, обрыва фазы и короткого замыкания, а также обеспечить безопасную работу и отключение оборудования при возникновении аварийной ситуации.
Конечно, глядя на такой список достоинств можно задаться вопросом, почему бы их не использовать для всех двигателей на предприятии? Ответ тут очевиден, увы, но это высокая стоимость частотников, их монтаж и наладка. Не каждое предприятие может позволить себе эти расходы.
Особенности и схема подключения частотного преобразователя к разным типам электродвигателей
Схема работы устройства плавного пуска, его назначение и конструкция
Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт
Устройство, виды и принцип действия асинхронных электродвигателей
Что такое импульсный блок питания и где применяется
Что такое контактор: назначение, принцип работы, виды, схемы подключения
Функция регулирования
Среди важнейших функций ПЧ можно выделить следующие: коэффициент полезного действия и мощности, срок службы, плавное регулирование. Для результативной работы необходимо настроить на выходе правильное соотношение между рабочей частотой и напряжением. Изменения частоты напряжения, поступающее на двигатель изменяет частоту вращающего магнитного поля, которое влияет на скорость механического вращения коленчатого вала.
Преобразователь частоты оказывает действие на напряжение коленчатого вала электродвигателя и токи подшипников. Чему способствует применение преобразователей частоты и ограничению несбалансированного напряжения наведенного тока коленчатого вала. Подшипниковые токи могут быть уменьшены, схема подключения указана на рисунках ниже.
Моторы с одним и двумя коленчатыми валами
Значение напряжения зависимо от момента нагрузки. Когда момент постоянный, статорное напряжение регулируется пропорционально частоте. При увеличении частоты в 2 раза, напряжение изменяется в 4 раза.
Монтаж частотника
Привод устанавливается на твердую ровную площадку из негорючего материала в месте, недоступным для прямых лучей солнца. Сложность работ по установке прибора зависит от него самого (чем выше мощность и больше функций, тем сложнее схема подключения частотного преобразователя).
Для установки, кроме самого преобразователя частоты, потребуются соединительные провода, крепежи, инструмент для подготовки технических отверстий, если они необходимы, обжимка, автоматические выключатели. Параметры выключателей должны соответствовать характеристикам выбранного частотника. Порядок действий:
- изучить инструкцию частотного преобразователя;
- сформировать комплект дополнительных изделий, руководствуясь рекомендациями производителя;
- выполнить работы по настройке, перечисленные в инструкции (строго соблюдая последовательность, проверяя контакты и качество обжимки проводов, без спешки);
- повторно проверить надежность креплений, отсутствие неизолированных проводов и т. д. (базовые пункты правил безопасности при проведении электротехнических работ).
Важный момент: сразу после подключения частотный преобразователь электродвигателя запускать нельзя. В любой инструкции есть это указание, но многие его нарушают. По статистике, такое действие – самая распространенная причина негарантийного ремонта нового преобразователя частоты.
Вторая распространенная ошибка – использование автоматики, не рассчитанной на уровень потребления электродвигателя, к которому подключается частотник. Это приводит к подвижности биметаллической пластины, хаотичным разъединениям цепи и повреждению механизма.
Подключение, настройка
Схема подключения частотника предполагает установку перед ним автоматического выключателя. В идеале последний должен работать с током, равным номинальному потреблению электромотора. Если в каталоге нужного выключателя преобразователя частоты не нашлось, надо брать аналог, приближенный к номинальному току электродвигателя.
Количество фаз, на которое рассчитана автоматика, выбирается по частотнику:
- Для трехфазного устройства берется 3-фазный выключатель с общим рычагом. Последний обеспечит обесточивание сети при угрозе (факте) короткого замыкания в одной из фаз. Ток срабатывания равен току 1 фазы электродвигателя.
- Для однофазного частотного преобразователя нужен одинарный автомат. Ток срабатывания равен току 1 фазы, умноженному на 3. Подключение – напрямую.
При настройке нужно соединить в электрическом двигателе обмотки (схема – «звезда» или «треугольник» в зависимости от характера напряжения). Затем фазные провода привода соединяются с контактами электродвигателя по схеме подключения частотника.
Работа трехфазного электродвигателя в однофазном режиме: схемы подключения
При включении трехфазного электродвигателя в однофазную сеть возникает пульсирующее магнитное поле. Для старта двигателя нужен сдвиг фаз относительно друг друга не менее чем на 900. Для этого применяют резистивные, емкостные, индуктивные пусковые элементы, включаемые в цепь одной из обмоток. При этом схема трехфазного электродвигателя становится эквивалентной однофазной электрической машине.
В схеме с пусковым резистором сдвиг фаз достигается более медленным намагничиванием одной из обмоток. Такой способ имеет значительные недостатки: большие потери мощности на сопротивление и перегрев электродвигателя при длительной работе. Схемы с индуктивными пусковыми элементами также обладают недостатками.
На практике для включения трехфазных электрических машин в однофазную сеть пусковые резисторы и катушки практически не используют.
Самая распространенная схема – включение через конденсатор. Емкостные элементы гораздо компактнее резисторов, не обладают активным сопротивлением. К недостаткам конденсаторного пуска относят значительный нагрев двигателя при длительной работе и низкий пусковой момент.
Для оборудования, которое запускается под нагрузкой и предназначено для длительной работы, например бетономешалки, применяют схему с 2 конденсаторами. При пуске оба емкостных элемента включены цепь, после разгона двигателя пусковой конденсатор отключается. Это позволяет устранить недостатки схемы с конденсаторным сдвигом фаз.
Емкость рабочего конденсатора для схемы включения «звезда» определяется исходя из выражения: Cр=2800 хP/(√3хU²х η х cosϕ). Параметры емкостного элемента при соединении в «треугольник» – по формуле Cр=4800 х P/(√3 х U² х η х cosϕ).
Конденсатор можно выбрать из расчета 70 микрофарад на 1 киловатт мощности двигателя. Емкость пускового конденсатора рассчитывается как Cп=2,5 х Cр.
При выборе схемы подключения, нужно учесть параметры двигателя. Если на табличке указаны значения 380/220 В, для включения в сеть 220 В обмотки соединять нужно только «треугольником». Если указано значение только 380 В, нужно разобрать двигатель, найти точку соединения обмоток и вывести все выводы на клеммник.
Для подключения электродвигателей применяют металлобумажные и электролитические конденсаторы. Первые рассчитаны на длительную работу, хорошо выдерживают коммутационные перенапряжения. К недостаткам металлобумажных конденсаторов относится небольшая емкость. Для запуска электродвигателя необходимо параллельно подключить несколько элементов в одну конденсаторную батарею.
Электролитические конденсаторы компакты и обладают значительной емкостью
При выборе устройств необходимо обратить внимание на номинальное напряжение. Для электродвигателей в сети 220 В применяют элементы не менее чем на 400-450 В
При коммутациях возникают импульсные броски, при заниженном напряжении, емкостные элементы быстро выходят из строя. Целесообразно использовать специальные конденсаторы для электродвигателей.
Работа трехфазного двигателя от однофазной сети имеет ряд недостатков. Потери мощности составляют 30-40%, то есть мощность электрической машины в таком режиме равна 60-70% от номинального значения, указанного производителем. При этом также наблюдается повышенный шум при работе, избыточный нагрев обмоток.
