Преобразователь частоты - что это такое?

Преобразователь частоты – это статическое преобразовательное устройство, необходимое для управления скоростью вращения асинхронных электрических двигателей. Асинхронные электрические двигатели переменного тока существенно отличаются от устройств постоянного тока. Отличие приходится на простоту конструкции и удобство использования. Именно этот фактор объясняет такую популярность асинхронных электродвигателей.


Важно отметить, что регулирование скорости вращения может выполняться посредством таких устройств, как механический вариатор, гидравлическая муфта и прочие. Но все эти методы имеют значительные недостатки, к которым относят сложность использования, низкое качество работы, дороговизну и малый диапазон регулирования.


Избежать всех этих проблем поможет частотный преобразователь для электродвигателя. В этом случае регулирование скорости вращения выполняется путем изменения напряжения питания и частоты электродвигателя. КПД такого частотника достигает 98%, а риск возникновения и развития аварийных ситуаций заметно снижается.


Классификация частотных преобразователей


По типу питающего напряжения преобразователи частоты делятся на следующие виды:

  • с однофазным питанием (однофазный);
  • с трехфазным питанием (трехфазный);
  • высоковольтные устройства.

По типу управляемого электрического двигателя подключенного к преобразователю, устройства разработаны для управления:

  • однофазными двигателями с расщепленными полюсами и однофазные конденсаторные электрические двигатели;
  • трехфазными асинхронными электрическими двигателями переменного тока;
  • электрическими двигателями с постоянными магнитами.

По области применения типы частотных преобразователей будут следующими:

  • общепромышленного назначения;
  • векторный преобразователь частоты;
  • для управления механизмами, имеющими насосно-вентиляторный тип нагрузки;
  • частотные преобразователи для кранов и прочих подъемных механизмов;
  • адаптированный для использования в тяжелых условиях (частотный преобразователь взрывозащищенный);
  • децентрализованный частотно регулируемый преобразователь, монтируемый непосредственно на электрический двигатель.

Все приведенные выше типы частотных преобразователей адаптированы для определенных условий эксплуатации, и чем сложнее эти условия, тем внимательнее следует подходить к подбору соответствующего оборудования. Так, современный высокочастотный преобразователь частоты позволяет не только организовывать наиболее энергоэффективные алгоритмы управления технологическими процессами, но и увеличивать срок службы двигателей и прочих включенных в технологический процесс элементов.


Если у Вас возникли сложности при выборе, мы поможем подобрать преобразователь частотно аналоговый, общепромышленный и другие типы преобразователей частоты, оптимально подходящие под конкретные условия использования.


Устройство частотного преобразователя


В большинстве случаев устройство частотного преобразователя базируется на схеме двойного преобразования. Агрегаты включают: звено постоянного тока (неуправляемый выпрямитель), силовой импульсный инвертор и управляющую систему. В свою очередь, звено постоянного тока включает неуправляемый выпрямитель и фильтр. Здесь переменное напряжение сети преобразуется в напряжение постоянного тока. В силовой трехфазный импульсный инвертор входит шесть транзисторных ключей и каждая обмотка двигателя подключается через определенный ключ к положительному/отрицательному выводам выпрямителя. Посредством инвертора выполняется преобразование выпрямленного напряжения в трехфазную переменную величину нужной частоты и амплитуды, прикладываемую к обмоткам статора электрического двигателя.



В роли ключей используются силовые IGBT-транзисторы. Если сравнивать их с тиристорами, то первые имеют более высокую частоту переключения, что дает возможность вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы при минимальных искажениях. Информация о том, как подключить и настроить частотный преобразователь будет рассматриваться ниже. В данном разделе приведено только общее устройство преобразователя частоты для ознакомления.

Принцип действия частотного преобразователя


Принцип действия частотного преобразователя базируется на особенностях работы асинхронного электродвигателя. В электрическом двигателе такого типа частота вращения магнитного поля (величина n1) зависит от частоты напряжения питающей сети. В случае, когда питание обмотки статора выполняется трехфазным напряжением, имеющим частоту f, генерируется вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого определяется по нижеприведенной формуле:

, где

р – это число пар статорных полюсов.


Переход от скорости вращения поля ω1, которая измеряется в радианах, к частоте вращения n1 (об/мин), выполняется согласно формуле:

, где

60 – это коэффициент пересчета размерности.

Если подставить в это уравнение скорость вращения поля ω1, получим следующее равенство:


Отсюда несложно заключить, что показатель частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя зависит от частоты напряжения питающей сети. Именно эта зависимость и отображает всю суть метода частотного регулирования. Частотный преобразователь для электродвигателя изменяет частоту напряжения питания на входе и, как следствие, регулирует частоту вращения ротора. Подчеркнем, что выходная частота в современных частотниках изменяется в широком диапазоне, а, значит, эта величина может быть как ниже, так и выше частоты питающей сети.


Частотник для электродвигателя, принцип работы силовой части которого лег в основу нижеприведенной классификации, соответствует следующим параметрам:

  • Преобразователи с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.
  • Преобразователи с непосредственной связью (промежуточное звено постоянного тока отсутствует).

По историческим меркам первыми появились частотные преобразователи с непосредственной связью. В этих агрегатах силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель, выполненный на тиристорах. Управляющий узел в порядке очереди отпирает группы тиристоров, тем самым формируя выходной сигнал. Сегодня этот метод преобразования в новых разработках не используется.



Как работает преобразователь этого класса? Здесь используется двойное преобразование электроэнергии: входное синусоидальное напряжение (величины L1, L2, L3 на рисунке) с постоянной амплитудой/частотой выпрямляется в выпрямительном блоке (BR), фильтруется и сглаживается в блоке фильтрации (ВF), как результат, - получаем постоянное напряжение. Представленный узел носит название – звено постоянного тока.


решение задач формирования синусоидального переменного напряжения с регулируемой частотой отвечает блок преобразования (BD). Роль электронных ключей, формирующих выходной сигнал, выполняют биполярные транзисторы с изолированным затвором IGВТ. Процесс управления вышеперечисленными блоками происходит согласно заблаговременно запрограммированному алгоритму микропроцессорным модулем или логическим блоком (BL).


Схема ниже показывает, что частотные преобразователи могут быть запитаны от внешнего звена постоянного тока. При этом защита частотника выполняется посредством быстродействующих предохранителей. Важно отметить, что использовать контакторы для питания от звена постоянного тока не рекомендуется. Дело в том, что при контакторной коммутации возникает повышенный зарядный ток и предохранители могут выгореть.



Два принципа управления преобразователями частоты


Различают два базовых принципа управления частотными преобразователями. Основной принцип скалярного управления состоит в изменении частоты и амплитуды питающего напряжения согласно закону:

Эта формула показывает, что оговоренный принцип является наиболее простым и доступным способом реализации частотного управления. За счет доступной стоимости преобразователей со скалярным управлением, такие агрегаты широко используются для привода механизмов, диапазон регулирования частоты вращения двигателя которых составляет 1:40. Такое ограничение удовлетворяет требованиям по управлению насосами, компрессорами, вентиляторами. Весомым преимуществом скалярного метода выступает возможность одновременного управления группой электрических двигателей.


Второй тип систем управления представляет векторный принцип, обеспечивающий параметры асинхронного электропривода, максимально приближенные к характеристикам привода постоянного тока. Такие особенности системы реализуются посредством разделения каналов регулирования потокосцепления и скорости вращения двигателя. Преобразователи, работающие по векторному принципу, характеризуются относительно высокой стоимостью и используются в механизмах, предъявляющих повышенные требования к качеству регулирования скорости – станки, лифты, краны и т.п.


Таким образом, мы кратко рассмотрели то, как работает частотник, для чего нужен этот агрегат и на каких принципах базируется его управление.


Применение частотного преобразователя


Применение частотных преобразователей позволило успешно реализовать эффективные системы регулирования скорости нижеприведенных объектов:


  • насосы горячей/холодной воды в системах тепло- и водоснабжения;
  • вспомогательные агрегаты котельных, ТЭС, ТЭЦ и котлоагрегатов;
  • дробилки, мельницы, экструдеры и мешалки;
  • различные песковые и пульповые насосы обогатительных фабрик;
  • лифтовые установки;
  • центрифуги разных типов;
  • производственные линии картона, пленки и прочих ленточных материалов;
  • крановое и эскалаторное оборудование;
  • механизмы силовых манипуляторов;
  • приводы буровых станков, специализированного оборудования и т.д.

В начале статьи уже было рассмотрено, для чего нужен частотный преобразователь, а на данном этапе освещения вопроса остается подчеркнуть, что этот тип оборудования позволяет получить существенный экономический эффект:


  • экономия до 50% электроэнергии в агрегатах путем поддержания двигателя в режиме оптимального КПД;
  • увеличение объема и оптимизация качества выпускаемой продукции;
  • повышение уровня производительности производственного оборудования;
  • снижение степени износа механических звеньев;
  • продление срока эксплуатации технологического оборудования, коммутационной аппаратуры.

В конечном итоге, назначение преобразователя частоты – это обеспечение максимально эффективной и продуктивной работы оборудования со всеми вытекающими положительными аспектами.


Как выбрать преобразователь частоты?


Чтобы упросить выбор частотного преобразователя, рекомендуем обратить внимание на таблицу, где приведены факторы, заслуживающие первостепенного внимания при подборе агрегата:


Классификация Связанные характеристики
Скорость и момент Параметры времени Перегрузочная способность Пусковой момент
Тип нагрузки Фрикционная нагрузка и подъем груза.
Вязкая, высокоинерционная нагрузка.
Нагрузка с передачей и накоплением энергии.
* *
Характеристики скорости и момента Постоянный момент
Постоянная скорость
Уменьшающийся момент
Уменьшающаяся скорость
* *
Характер нагрузки Постоянная нагрузка
Ударная нагрузка
Периодически изменяющаяся нагрузка
Высокий начальный момент
Низкий начальный момент
* * * *
Продолжительный режим на ном. скор.
Продолжительный режим на низкой/средней скорости.
Повторно-кратковременный режим.
* *
Максимальный вых. ток (мгновенный)
Постоянный вых. ток (продолжит)
* *
Максимальная частота
Номинальная частота
*
Мощность или импеданс источника питания
(распред. трансформатора + провода).
Скачки напряжения или дисбаланс фаз.
Число фаз, частота.
* *
Механическое трение,
потери в проводниках
* *
Изменение рабочего цикла *

Также подбор частотного преобразователя исходит из определенного перечня задач, которые должен эффективно решать привод:

  • тип и мощность подключаемого двигателя
  • точность и диапазон регулирования скорости
  • точность поддержания момента вращения на валу электродвигателя

Учитываются и конструктивные особенности ПЧ: форма, размер, пульт управление и т.п.


При работе с асинхронными электрическими двигателями, выбор преобразователя частоты должен основываться на соответствующей мощности. В случае, когда есть необходимость в большом пусковом моменте или минимальном времени разгона и торможения, рекомендуется обратить внимание на агрегаты на ступень выше стандартного. При выборе ПЧ для двигателя специального назначения, важно руководствоваться номинальным током преобразователя, который должен быть выше номинального тока электродвигателя.


Подключение частотного преобразователя к двигателю


Чтобы подключить ПЧ, мало открыть соответствующую страницу и, обнаружив знакомые значки и обозначения, соединить провода просто по схеме. Правильное подключение преобразователя частоты предполагает взятие во внимание рекомендованных производителем сечений, типов проводов, а также дополнительного оборудования. Схема содержит варианты подключения дополнительных установок и агрегатов, к которым могут относиться реакторы постоянного тока, тормозные блоки, фильтры, входные/выходные фильтры и т.д.


Также обратите внимание на выбор автоматических выключателей. Категорически не рекомендуется занижать их номиналы. Даже незначительный на первый взгляд дребезг биметаллической пластины вызовет хаотичные размыкания цепи, автомат при этом не отключится, однако звено постоянного тока ПЧ может пострадать. Обязательно учтите сечение проводов, используйте только хорошо обжатые наконечники.


Как показывает практика, в ряде случаев при монтаже путают входной и выходные клеммы частотного преобразователя (хотя существует общая схема маркировки у всех производителей). К сети подключаем L1-L3, к электродвигателю U,V,W. Упустите этот момент, и расплатой станет дорогостоящий ремонт.


Коммутация дискретных входов ПЧ, как правило, выполняется внешними «сухими» контактами, другими словами, внешний выключатель коммутирует или замыкает контакты внутри частотника. Категорически запрещено подавать на входы управления напряжение (220В/380В), это выводит из строя преобразователь.



Расчет преобразователя частоты


Выполнить точный расчет частотного преобразователя в условиях работы с одним или несколькими двигателями рекомендуется по нижеприведенным формулам.


Работа частотного преобразователя с одним электродвигателем предполагает учет следующих величин:


Pn – номинальная мощность электродвигателя (как правило, указывается на шильдике, кВт);
J – приведенный к валу электрического двигателя момент инерции нагрузки (величина Нм2). В случае, когда вал не связан с инерционными элементами или электродвигатель работает на холостом ходу, приведенный момент инерции приравнивается к моменту инерции ротора электрического двигателя;
n – частота вращения (выражается в об/мин), до которой нужно разогнать электродвигатель за определенное время t;
t – время (секунды) в течение которого нужно разогнать электродвигатель до частоты вращения n;
Un – значение напряжения (В) на обмотках электрического двигателя (номинальные обороты);
k – коэффициент искажения тока на выходе преобразователя; k = 0,95 - 1,05; в ходе расчета предельных величин рекомендуется брать во внимание максимальное значение коэффициента;
η КПД электродвигателя;
cosφ – эту величину следует взять из спецификации на двигатель, примерное значение будет равно 0,8-0,85.



1. Произведем расчет номинального момента на валу двигателя:



2. Расчет пусковой мощности электродвигателя:



3. Опираясь на этот параметр, выбирается рабочая мощность ПЧ, которая должна соответствовать нижеприведенному условию:



4. При этом ток, требуемый электродвигателю при линейном разгоне (величина Id), не должен быть больше пускового тока преобразователя.



5. Выполним расчет полной потребляемой электродвигателем мощности в условиях номинального установившегося режима.




Расчет преобразователя частоты с несколькими параллельно подключенными электродвигателями одинаковой мощности включает следующие показатели:


N – число электродвигателей, параллельно подсоединенных к одному частотному преобразователю, (шт.);
Ns – число одновременно запускаемых электродвигателей, (шт.);
Ks – коэффициент кратности пускового тока, величина равна Md/Mn ;
In – номинальный ток электродвигателя согласно паспортным данным, (А).


1. Расчет полной пусковой мощности:



2. Расчет полного пускового тока:



Полученные данные являются базой для выбора частотного преобразователя, соответствующего следующим условиям:


  • При времени разгона менее 60с. Рпч ≥ 1,5Ps, Iпч ≥ 1,5Is;
  • При времени разгона более 60с. Рпч ≥ Ps, IпчIs.

Возврат к списку