Весь мир вокруг нас наполнен устройствами, работающими от электродвигателей. Начиная со стиральных машин, пылесосов, кондиционеров, вентиляторов, токарных станков, болгарок, и заканчивая поездами, трамваями, автомобилями и лодками. На промышленных предприятиях электродвигатели используются для привода различных производственных станков, установок и машин.
Различные приложения имеют определенные требования. Например, конвейеры должны транспортировать продукт со строго определенной скоростью, подстраиваясь под текущую ситуацию.
Так что же обеспечивает возможность плавного регулирования скорости вращения этих двигателей? Ответ: это частотные преобразователи, иногда (хотя и не совсем корректно) называемые инверторами.
Преобразователь частоты (инвертор) используется везде, где требуется управление скоростью двигателя и крутящим моментом. Инверторы широко используются в промышленности, поскольку позволяют значительно экономить электроэнергию, а значит – снизить затраты и повысить производительность.
Содержание:
- Технические аспекты применения частотных преобразователей
- Устройство частотных преобразователей
- Типы сигналов управления
- Как правильно выбрать частотный преобразователь
- Выбор мощности частотного преобразователя
- Работа привода на пониженной скорости
- Электромагнитная совместимость
- Питание от аварийного генератора
- Питание трехфазного преобразователя от однофазной сети
- Экономия электроэнергии и денег
- Синхронизация нескольких устройств
- Защита сети от высших гармоник
- Правильный выбор класса защиты
- Параллельное подключение электродвигателей к одному частотному преобразователю
- Задание функции регулирования
- Преимущества использования регулируемого электропривода с частотным преобразователем
- Чтение документации
- Подбор частотного преобразователя (инвертора) для каждого применения за пять шагов
Технические аспекты применения частотных преобразователей
В настоящее время, асинхронный электродвигатель стал основным устройством в большинстве электроприводов. Все чаще для управления им используется частотный преобразователь – инвертор с ШИМ регулированием.
Такое управление дает массу преимуществ, но и создает некоторые проблемы выбора тех или иных технических решений. Попробуем разобраться в них более подробно.
Устройство частотных преобразователей
Разработка и производство широкой номенклатуры мощных высоковольтных транзисторных IGBT модулей предоставили возможность реализации многофазных силовых переключателей, управляемых непосредственно с помощью цифровых сигналов.
Программируемые вычислительные средства позволили на входах коммутаторов сформировать числовые последовательности, обеспечивающие сигналы частотного управления асинхронными электродвигателями.
Разработка и массовый выпуск однокристальных микроконтроллеров, обладающих большими вычислительными ресурсами, обусловили возможность перехода к следящим электроприводам с цифровыми регуляторами.
Силовые преобразователи частоты, как правило, реализуют по схеме, содержащей выпрямитель на мощных силовых диодах или транзисторах и инвертор (управляемый коммутатор) на IGBT транзисторах, шунтированных диодами.
Схема частотного преобразователя
Входной каскад выпрямляет подаваемое синусоидальное напряжение сети, которое после сглаживания с помощью индуктивно-емкостного фильтра служит источником электропитания управляемого инвертора, вырабатывающего при действии команд цифрового управления сигнал с импульсной модуляцией, который формирует в обмотках статора токи синусоидальной формы с параметрами, обеспечивающими требуемый режим работы электродвигателя.
Цифровое управление силовым преобразователем осуществляется с помощью микропроцессорных аппаратных средств и соответствующим поставленным задачам программным обеспечением.
Вычислительное устройство в режиме реального времени вырабатывает сигналы управления 52 модулями, а также производит обработку сигналов измерительных систем, контролирующих работу привода.
Силовые устройства и управляющие вычислительные средства объединены в составе конструктивно оформленного промышленного изделия, называемого частотным преобразователем.
В промышленном оборудовании применяются два основных вида частотных преобразователей:
-
фирменные преобразователи для конкретных типов оборудования.
-
универсальные преобразователи частоты предназначены для многоцелевого управления работой АД в задаваемых пользователем режимах.
Установку и контроль режимов работы частотного преобразователя можно производить с помощью пульта управления, оснащенного экраном для индикации введенной информации. В простом варианте скалярного регулирования частоты можно воспользоваться набором простых логических функций, имеющихся в заводских установках контроллера, и встроенным ПИД-регулятором.
Для осуществления более сложных режимов управления с использованием сигналов с датчиков обратных связей необходимо разработать структуру САУ и алгоритм, который следует запрограммировать с помощью подключаемого внешнего компьютера.
Большинство производителей выпускает целый ряд преобразователей частоты, отличающихся входными и выходными электрическими характеристиками, мощностью, конструктивным исполнением и другими параметрами.
Для подключения к внешнему оборудованию (электросети, двигателю) могут быть использованы дополнительные внешние элементы: магнитные пускатели, трансформаторы, дроссели.
Необходимо делать различия между сигналами различных типов и для каждого из них использовать отдельный кабель. Различные типы сигналов могут оказывать влияние друг на друга. На практике такое разделение встречается часто, например кабель от датчика давления может быть подключен непосредственно к преобразователю частоты.
Ниже на рисунке приведен рекомендуемый вариант подключения преобразователя частоты при наличии различных цепей и сигналов управления.
Пример подключения силовых цепей и цепей управления преобразователя частоты
Можно выделить следующие типы сигналов:
-
аналоговые — сигналы напряжения или тока (0...10 В, 0/4...20 мА), значение которых меняется медленно или редко, обычно это сигналы управления или измерения;
-
дискретные сигналы напряжения или тока (0...10 В, 0/4...20 мА), которые могут принимать только два редко изменяющихся значения (высокое или низкое);
-
цифровые (данные) — сигналы напряжения (0...5 В, 0...10 В), которые меняются быстро и с высокой частотой, обычно это сигналы портов RS232, RS485 и т.п.;
-
релейные — контакты реле (0...220 В переменного тока) могут включать индуктивные токи в зависимости от подключенной нагрузки (внешние реле, лампы, клапаны, тормозные устройства и т.д.).
Как правильно выбрать частотный преобразователь
При выборе частотного преобразователя для конкретного применения одним из наиболее важных аспектов, который нужно учитывть, является алгоритм управления электродвигателем, реализованный в конструкциях преобразователя.
Вообще говоря, можно сказать, что в настоящее время на рынке существует два типа преобразователей: для требовательных и тяжелых приложений и для легких и простых приложений.
Это деление требует наличия определенных алгоритмов управления двигателем, поэтому для легких нагрузок обычно выбирают скалярный режим, а для больших нагрузок — режим векторного управления полем.
Синхронные двигатели также становятся все более популярными, и во многих конструкциях преобразователей мы можем найти алгоритм управления вектором поля для синхронных двигателей с постоянными магнитами.
Классификация частотных преобразователей по сферам применения:
- Микроприводы для простых приложений;
- Приводы общего назначения для большинства общих применений;
- Преобразователи для сегмента HVAC & R (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха и охлаждение);
- Преобразователи для промышленности;
- Преобразователи с возможностью возврата энергии в сеть или версия Low Harmonic Drive (коэффициент мощности = 1 и коэффициент нелинейных искажений THDI <3%);
- Преобразователи, предназначенные для лифтов, кранов и подъемников;
- Специализированные преобразователи.
Выбор мощности частотного преобразователя
При выборе мощности частотного преобразователя необходимо основываться не только на мощности электродвигателя, но и на номинальных токах и напряжениях преобразователя и двигателя.
Дело в том, что указанная мощность частотного преобразователя относится только к эксплуатации его со стандартным 4-х полюсным асинхронным электродвигателем в стандартном применении.
Реальные приводы имеют много аспектов, которые могут привести к росту токовой нагрузке привода, например, при пуске. В общем случае, применение частотного привода позволяет снизить токовые и механические нагрузки за счет плавного пуска. Например, пусковой ток снижается с 600% до 100-150% от номинального.
Работа привода на пониженной скорости
Необходимо помнить, что хотя частотный преобразователь легко обеспечивает регулирование по скорости 10:1, но при работе двигателя на низких оборотах мощности собственного вентилятора может не хватать. Необходимо следить за температурой двигателя и обеспечить принудительную вентиляцию.
Электромагнитная совместимость
Поскольку частотный преобразователь мощный источник высокочастотных гармоник, то для подключения двигателей нужно использовать экранированный кабель минимальной длины. Прокладку такого кабеля необходимо вести на расстоянии не менее 100 мм от других кабелей. Это минимизирует наводки. Если нужно пересечь кабели, то пересечение делается под углом 90 градусов.
Питание от аварийного генератора
Плавный пуск, который обеспечивает частотный преобразователь позволяет снизить необходимую мощность генератора. Так как при таком пуске ток снижается в 4-6 раз, то в аналогичное число раз можно снизить мощность генератора. Но все равно, между генератором и приводом должен быть установлен контактор, управляемый от релейного выхода частотного привода. Это защищает частотный преобразователь от опасных перенапряжений.
Питание трехфазного преобразователя от однофазной сети
Трехфазные частотные преобразователи могут быть запитаны от однофазной сети, но при этом их выходной ток не должен превышать 50% от номинального.
Экономия электроэнергии и денег
Экономия происходит по нескольким причинам. Во-первых, за счет роста косинуса фи до значений 0.98, т.е. максимум мощности используется для совершения полезной работы, минимум уходит в потери. Во-вторых, близкий к этому коэффициент получается на всех режимах работы двигателя.
Без частотного преобразователя, асинхронные двигатели на малых нагрузках имеют косинус фи 0.3-0.4. В-третьих, нет необходимости в дополнительных механических регулировках (заслонках, дросселях, вентилях, тормозах и т.д.), все делается электронным образом. При таком устройстве регулирования, экономия может достигать 50%.
Синхронизация нескольких устройств
За счет дополнительных входов управления частотного привода можно синхронизировать процессы на конвейере или задавать соотношения изменения одних величин, в зависимости от других. Например, поставить в зависимость скорость вращения шпинделя станка от скорости подачи резца. Процесс будет оптимизирован, т.к. при увеличении нагрузки на резец, подача будет уменьшена и наоборот.
Защита сети от высших гармоник
Для дополнительной защиты, кроме коротких экранированных кабелей, используются сетевые дроссели и шунтирующие конденсаторы. Дроссель, кроме того, ограничивает бросок тока при включении.
Правильный выбор класса защиты
Для безотказной работы частотного привода необходим надежный теплоотвод. Если использовать высокие классы защиты, например IP 54 и выше, то трудно или дорого добиться такого теплоотвода. Поэтому, можно использовать отдельный шкаф с высоким классом защиты, куда ставить модули с меньшим классом и осуществлять общую вентиляцию и охлаждение.
Параллельное подключение электродвигателей к одному частотному преобразователю
С целью снижения затрат, можно использовать один частотный преобразователь для управления несколькими электродвигателями. Его мощность нужно выбирать с запасом 10-15% от суммарной мощности всех электродвигателей. При этом нужно минимизировать длины моторных кабелей и очень желательно ставить моторный дроссель.
Большинство частотных преобразователей не допускают отключение или подключение двигателей с помощью контакторов во время работы частотного привода. Это производится только через команду стоп привода.
Для получения максимальных показателей работы электропривода, таких как: коэффициент мощности, коэффициент полезного действия, перегрузочная способность, плавность регулирования, долговечность, нужно правильно выбирать соотношение между изменением рабочей частоты и напряжения на выходе частотного преобразователя.
Функция изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки. При постоянном моменте, напряжение на статоре электродвигателя должно регулироваться пропорционально частоте (скалярное регулирование U/F = const). Для вентилятора, например, другое соотношение – U/F*F = const. Если увеличиваем частоту в 2 раза, то напряжение нужно увеличить в 4 (векторное регулирование). Есть приводы и с более сложными функциями регулирования.
Преимущества использования регулируемого электропривода с частотным преобразователем
Кроме повышения КПД и энергосбережения такой электропривод позволяет получить новые качества управления. Это выражается в отказе от дополнительных механических устройств, создающих потери и снижающих надежность систем: тормозов, заслонок, дросселей, задвижек, регулирующих клапанов и т.д. Торможение, например, может быть осуществлено за счет обратного вращения электромагнитного поля в статоре электродвигателя. Меняя только функциональную зависимость между частотой и напряжением, мы получаем другой привод, не меняя ничего в механике.
Следует заметить, что хотя частотные преобразователи похожи друг на друга и освоив один, легко разобраться с другим, тем не менее, необходимо тщательно читать документацию. Некоторые производители накладывают ограничения на использование своей продукции, а при их нарушении снимают изделия с гарантии.
Подбор частотного преобразователя (инвертора) для каждого применения за пять шагов
Шаг 1 - Каков характер нагрузки на электродвигатель?
Очень важно определить, как выглядят характеристики крутящего момента (крутящий момент — сила, создаваемая на валу двигателя) в зависимости от скорости для данной машины.
Обычно различают два типа таких нагрузок: переменный и постоянный крутящий момент. Необходимо учитывать, какая из двух наиболее распространенных характеристик нагрузки применима.
Нагрузки с переменным крутящим моментом — это нагрузки, при которых характеристика крутящего момента изменяется в зависимости от скорости. К таким нагрузкам относятся приводы насосов и вентиляторов, для которых моментная характеристика пропорциональна скорости (M примерно равен 1/f2).
По мере увеличения скорости центробежных насосов и вентиляторов мощность, потребляемая из сети, увеличивается до третьей степени. Поэтому наибольшей экономии энергии можно добиться, регулируя скорость насоса или вентилятора.
При нормальной работе насосов и вентиляторов скорость регулируется в пределах 50-90% от номинальной скорости. Нагрузка увеличивается пропорционально квадрату скорости и находится на уровне 30%-80%.
По этой причине насосы и вентиляторы обычно недогружены и преобразователи для них могут быть подобраны по так называемому двойная номинальная мощность (пример: преобразователь мощностью 0,75 кВт можно использовать для насоса или вентилятора мощностью 1,5 кВт — выбор меньше, чем указано на паспортной табличке двигателя).
Для нагрузок с переменным крутящим моментом обычно требуется перегрузка не более 120 % In в течение 60 секунд (недогрузка).
Нагрузки с постоянным крутящим моментом — это нагрузки, при которых значение момента остается постоянным во времени. Если нагрузка на двигатель постоянна, двигатель должен развивать крутящий момент, превышающий момент нагрузки.
Избыточный крутящий момент используется для обеспечения адекватного ускорения вала двигателя. Привод для такой нагрузки должен быть способен генерировать 60% превышение крутящего момента по отношению к нагрузке, что позволяет свободно управлять при резких изменениях нагрузки. Перегрузочная способность привода для таких нагрузок обычно составляет 150 % In в течение 60 секунд.
Нагрузки с постоянным крутящим моментом включают: длинные ленточные конвейеры, измельчители, прокатные станы, мельницы, миксеры, дробилки и др.
Нагрузки с постоянным крутящим моментом более требовательны, и, в отличие от нагрузок с переменным крутящим моментом, преобразователь частоты часто выбирается выше, чем указано на паспортной табличке двигателя.
После того, как характеристики нагрузки известны, перейдите ко второму шагу, паспортной табличке двигателя.
Шаг 2 - электрические параметры, описывающие двигатель
Критическим фактором при выборе привода являются электрические характеристики приводного двигателя. Всегда сверяйте данные привода с данными на заводской табличке двигателя. Выбор преобразователя может основываться на номинальном токе двигателя или на полной мощности, потребляемой двигателем (не на активной мощности).
На какие параметры следует обратить внимание? В первую очередь проверяем номинальный ток двигателя и его питающее напряжение. Двигатели обычно изготавливаются таким образом, что у пользователя есть выбор из двух стандартов питания, в зависимости от внутренних соединений статора (соединение по схеме звезда и треугольник).
Итак, двигатели до мощности около 4 кВт изготавливаются таким образом, что при соединении треугольником они работают на напряжении 3х230В переменного тока, а при соединении звездой - на напряжении 3х400В переменного тока.
На этом этапе пользователь должен решить, как он хочет подключить двигатель, так как это зависит от того, какой тип инвертора использовать (однофазный или трехфазный). После этого процесса мы уже знаем характер нагрузки, которая у нас есть, и у нас есть данные о напряжении двигателя и его номинальном токе.
Шаг №3 - Какая должна быть динамика системы (запуск и остановка)?
Прежде всего, задайте себе несколько вопросов:
- Требует ли наше приводное приложение очень высокой динамики?
- Происходит ли частое и внезапное контролируемое торможение двигателем?
- Требуется ли резкое изменение скорости при большой нагрузке?
- Возможна ли работа с большой инерцией?
Если это так, наш преобразователь должен быть оснащен соответствующими тормозными или рекуперативными системами.
В приложениях, где торможение происходит очень часто, рекомендуется использовать рекуперативный привод, то есть возвращать электроэнергию обратно в сеть.
Во время торможения двигатель становится генератором, а энергия возвращается в преобразователь частоты. Эта энергия должна либо отбираться от тормозного модуля и тормозного резистора, либо передаваться в электрическую сеть.
На этом этапе следует определить, должен ли преобразователь быть оснащен тормозным модулем и резистором, или же требуется регенеративный модуль.
В основном в приложениях, где требуется быстрая и контролируемая остановка или при работе с большой инерцией (вентилятор с большими лопастями), необходимо использовать соответствующую систему торможения.
Шаг №4 - Место установки и условия окружающей среды
После обширного интервью о нашем приложении и движке пришло время подумать о месте установки.
Это очень важно по крайней мере по нескольким причинам:
- Какая степень IP должна быть у устройства?
- Подвержен ли он воздействию влаги, пыли?
- Существенны ли вибрации?
- Какова температура окружающей среды?
- Является ли место установки промышленным или жилым?
В пищевой промышленности требуется IP 66 из-за частой мойки приборов после производства.
Если устройство предполагается установить в шкафу управления, который уже имеет соответствующий класс защиты IP, не нужно переплачивать за повышенную степень защиты корпуса – достаточно обычного, типового IP20.
В зависимости от места установки преобразователь также должен быть оснащен фильтром ЭМС соответствующего класса. Для жилой среды ограничения больше, и фильтр должен быть класса C2. Для промышленных сред, класс C3.
Лучше всего покупать частотные преобразователи со встроенным ЭМС-фильтром и дросселем в цепи постоянного тока (меньше шума, меньше искажения тока, лучше коэффициент мощности).
Шаг 5 - Необходимые аксессуары, фильтры, дроссели, дополнительные карты, связь
Наконец, спросите себя о необходимых дополнительных аксессуарах, таких как: входные/выходные дроссели, многочисленные дополнительные карты расширения (дополнительные входы/выходы, вход безопасного останова, аварийный источник питания) или коммуникационные карты (profibus, modbus, ethernet, profinet, ethercat).
Правильный анализ системы привода, двигателя и места установки гарантирует выбор правильного частотного преобразователя.
Описанные выше пять шагов при выборе инвертора обеспечивают безотказную и долговременную работу нашей приводной системы. Помните, что неправильный или неправильно выбранный частотный преобразователь может принести больше вреда, чем пользы.
Это может быть вам интересно:
Частотный преобразователь - виды, принцип действия, схемы подключения