Расчёт и выбор частотного преобразователя для электродвигателя

Одним из главных недостатков асинхронных двигателей является сложность регулировки частоты вращения. Изменять её можно тремя способами: изменением количества пар полюсов, изменением скольжения и изменением частоты. В последнее время для регулирования скорости вращения асинхронного короткозамкнутого двигателя частоту тока меняют с помощью частотных преобразователей для электродвигателя.

Понятие о принципе работы частотника

В последнее время на производстве стали широко использоваться высокочастотники, у многих неопытных новичков, встречающих их на практике, часто возникает вопрос, что такое частотный преобразователь и для чего он нужен. Достоинствами частотного привода для электродвигателя являются:

• снижение электропотребления двигателем;
• улучшение показателей работы: плавность запуска и регулировки скорости вращения;
• исключение возможных перегрузок.

Плавность пуска обеспечивается преобразователем благодаря снижению с его помощью пускового тока, который без частотника превышает номинальный ток в 5–7 раз.

Основными частями в устройстве преобразователя являются инвертор и конденсаторы. Инвертор обычно выполнен из диодных мостов. Его задача — выпрямить напряжение на входе, которое может принимать значение 220В или 380В в зависимости от количества фаз, но сохранить при этом пульсации. Затем конденсаторы выпрямленное напряжение сглаживают и фильтруют.

Потом постоянный ток отправляется на микросхемы и выходные мостовые IGBT-ключи. Обычно мостовой IGBT-ключ — это шесть транзисторов, соединённых по мостовой схеме. Защиту от пробоя напряжения обратной полярности осуществляют диоды. В более ранних схемах вместо транзисторов были использованы тиристоры, значительными недостатками которых были некоторая замедленность в работе и помехи.

Благодаря этим устройствам возникает широтно-импульсная последовательность с необходимой частотой. На выходе частотника импульсы напряжения имеют прямоугольный вид. А после того как они проходят через обмотку статора, вследствие её индуктивности, принимают синусоидальный вид.

Чтобы понять, зачем нужен инвертор, необходимо уяснить, что ток бывает постоянным и переменным. И если преобразователи частоты используются при работе с переменным током, то для управления электромотором постоянного тока необходим электропривод постоянного тока. Он называется инвертором и его назначением в схеме является контроль тока возбуждения. И он также независимо от изменений нагрузки может поддерживать скорость вращения ротора в требуемых пределах и осуществлять его торможение.

Как выбрать частотный преобразователь?

Частотные преобразователи позволяют легко изменять частоту вращения двигателя, делать его работу более плавным. Это повышает КПД оборудования и продлевает срок его службы.

Что такое частотные преобразователи

Преобразователи частоты – это устройства, позволяющие изменять частоту выходного напряжения. Это необходимо для того, чтобы варьировать скорость вращения двигателя.

При прямом подключении к электросети частота колебаний остается неизменной, стандартные показатели – 50 или 60 Гц. Использование частотного преобразователя позволяет увеличивать или уменьшать вращение ротора. Диапазон возможных изменений – от 0,5-800 Гц. Однако сейчас большинство двигателей рассчитаны на частоту не более 400 Гц.

Главные особенности преобразователей

Современное электрооборудование – это высокотехнологичные устройства с программным управлением. За точность и надежность отвечает электронная система управления. Агрегаты достаточно компактны и просты в управлении.

В зависимости от того, можно ли регулировать показатели напряжения на выходе, преобразователи делятся на управляемые и неуправляемые. В первых параметры можно изменять, во вторых показатели задаются конструкцией агрегата. Встречаются также модели, где происходит автонастройка под параметры подключенного двигателя. Для этого требуется выполнить идентификационный пуск, во время которого автоматически определяются параметры обмоток.

Кроме возможности регулировать показатели различаются типы управления устройством. Их два: скалярное и векторное. Скалярное не дает шансов задать точные настройки, оно лишь определяет соотношение частоты на входе и выходе. При изменении входных данных конечные параметры изменяются пропорционально. Векторное управление дает возможность задавать точные показатели, необходимые для конкретного двигателя в конкретной ситуации.

Чтобы сделать работу оборудования точнее, а управление проще, современная техника оснащается картами памяти и дисплеем для отображения информации.

При использовании преобразователей необходимо учитывать некоторые нюансы. Так, работа двигателя на низких оборотах приводит к повышению температуры, с которым встроенный вентилятор может не справиться. Поэтому необходимо следить за нагревом и при необходимости использовать принудительное охлаждение.

Также работающий преобразователь становится мощным источником высокочастотного тока. Собственные микросхемы оборудования защищены от помех специальными фильтрами. Но чтобы колебания не влияли на работу других приборов, нужно использовать экранирающий кабель как можно меньшей длины. Расстояние до других кабелей должно быть не менее 10 см. Если возникает необходимость пересечения, делать это нужно под углом 90°.

Применение частотных преобразователей

Частотные преобразователи подключают к оборудованию, работа которого предполагает изменение скорости двигателя.

К таким механизмам относятся:

• насосы;
• системы вентиляции;
• транспортеры;
• компрессоры;
• манипуляторы и экскаваторы;
• лифты;
• центрифуги;
• робототехника и др.

Также частотный преобразователь используют для синхронизации работы взаимосвязанных механизмов. Зависимость может быть и прямой, и обратной.

Принцип работы

Чтобы напряжение, проходя через преобразователь, изменил характеристики, используются принцип двойного изменения. На входе сетевое напряжение выпрямляется с помощью диодного моста и фильтруется конденсаторами. Здесь амплитуда колебаний сглаживается, после чего ток поступает в преобразующую часть.

Преобразование происходит благодаря объединенным определенным образом транзисторам (обычно их 6). Подключаются они по встречно-параллельной схеме. С их помощью задаются нужные показатели частоты и амплитуды колебаний тока.

Существуют два типа управляющей системы:

• амплитудная, когда регулируется входные показатели напряжения;
• широтно-импульсная (ШИМ), при которой на изменения показателей влияет порядок переключения транзисторов. В определенной, строго заданной очередности сигнал поступает на положительные и отрицательные выводы, в итоге получается синусоида с четко заданными параметрами.

Управляют процессом и меняют заданные характеристики с помощью микропроцессоров. Специальный микроконтроллер подает сигнал на микросхему. Происходит сравнение изменений с заданным эталоном (5 Гц). Далее программа по специальному алгоритму производит преобразование тока до нужной величины. Кроме этого, микроконтроллер отслеживает температуру полупроводников, защищает аппарат от перегрева и резких скачков напряжения.

Советы по выбору частотников

При выборе частотника наиболее низкая стоимость определена набором минимальных функций. Рост стоимости пропорционален их увеличению.

Первоначально преобразователи классифицируют по мощности. Не менее важными параметрами являются перегрузочная способность и тип исполнения.

Мощность частотника должна быть не меньше максимальной мощности установки. Для оперативного ремонта или замены в случае поломки частотного привода для электромотора желательно, чтобы сервис-центр был расположен в непосредственной близости.

При выборе преобразователя немаловажным фактором является его напряжение. Если подобрать частотник определённого напряжения, а в сети оно окажется более низким, то он будет отключаться. Если же напряжение сети будет длительно допускать допустимое напряжение, то это приведёт к его повреждению и невозможной дальнейшей работе. С учётом этих рисков нужно выбирать частотники с большим интервалом допустимого напряжения.

Существует два типа управления преобразователей: векторное и скалярное.

При скалярном управлении удерживается постоянство между значением напряжения и частоты на выходе. Это наиболее простой тип частотников, и, вследствие этого, более дешёвый.

При векторном управлении из-за снижения статической ошибки управление осуществляется более точно. Но и стоимость асинхронного преобразователя частоты с этим видом управления более высока в сравнении со скалярным управлением.

Зона регулирования частоты тока должна быть в необходимых пределах. Для диапазонов с регулировкой по частоте более, нежели в 10 раз лучше выбрать векторное управление.

Количество вводов должно быть оптимальным, потому как при слишком большой их численности цена прибора для изменения частоты будет неоправданно завышена, а также могут возникнуть некоторые сложности при его настройке.

Необходимо учесть перегрузочные способности частотника по току и мощности. Ток частотника должен быть чуть больше, нежели номинальный ток двигателя. В случае возникновения ударных нагрузок необходим запас по пиковому току, который должен быть не менее 10% от ударного тока.

Рекомендации по выбору преобразователей частоты для управления асинхронными электродвигателями

Для обеспечения надёжной и долговременной эксплуатации преобразователя частоты необходимо правильно подбирать оборудование.

Исходная информация: тип нагрузки, номинальный ток двигателя, напряжение питания, условия окружающей среды, требования по ЭМС, необходимость быстрого торможения, точность поддержания скорости/момента, способ управления преобразователем.

Результат: тип преобразователя частоты, например, VACON NXS 00455 F2H1 SSS A1A2000000.

Выбор типа нагрузки.

Наиболее распространены 2 типа нагрузок:

• с постоянным нагрузочным моментом («ПМ») в рабочем диапазоне скоростей (конвейеры, лифты, экструдеры и т.п.). Для данного типа нагрузки характерны перегрузки до 10…50%.
• с квадратичным нагрузочным моментом («КМ») в рабочем диапазоне скоростей (насосы, вентиляторы, лопастные компрессоры). Для данного типа агрегатов характерны перегрузки не более 10%. Благодаря тому, что в агрегатах с квадратичным нагрузочным моментом не бывает перегрузок, на данные агрегаты допускается установка ПЧ более низкого типономинала.

Определение номинального тока двигателя и напряжения питания.

Информация содержится на шильдике двигателя.

Выбор мощности преобразователя частоты.

Сначала определяется номинальный выходной ток ПЧ. Он должен быть равен, либо может превышать номинальный ток двигателя. В случае, если преобразователь частоты рассчитан для асинхронного двигателя, эксплуатируемого многие годы, то рекомендуется выбирать ПЧ с заведомо завышенным выходным током.

Условия окружающей среды.

Наличие пыли и влажность определяют степень защиты (IP) преобразователя:

• IP00
• IP20
• IP21
• IP54

В случае эксплуатации преобразователей частоты в условиях повышенной влажности и агрессивной среды, для дополнительной защиты привода компания Vacon рекомендует применять лакированные платы.

Требования по электромагнитной совместимости (ЭМС).

Все преобразователи частоты компании Vacon изготавливаются со встроенным фильтром ЭМС, что позволяет соответствовать всем мировым и российским требованиям и стандартам по электромагнитной совместимости для промышленного применения.

Необходимость быстрого торможения.

Определяется наличием или отсутствием тормозного прерывателя и тормозного резистора. Для снижения скорости вращения электродвигателя до нуля используются три способа: торможение самовыбегом, сброс энергии на тормозной резистор и возврат энергии торможения в сеть (рекуперация).

Для того, чтобы осуществить торможение более быстрым способом, понадобится тормозной модуль («чоппер») и тормозной резистор, на котором сбрасывается энергия. Тормозной модуль может быть уже встроен в ПЧ или поставляется отдельно.

• 7. Точность поддержания скорости/момента.

Определяется типом модуля управления ПЧ:

• для стандартных применений могут быть использованы преобразователи частоты серий VACON 10, VACON 20, NX(RV)L и NX(RV)S
• для насосно — вентиляторных применений специальный привод премиум класса VACON 100 HVAC.
• для увеличения точности поддержания момента и скорости на валу двигателя в реализовано векторное управление, позволяющее работать с полным моментом двигателя в области нулевых частот, поддерживать скорость при переменной нагрузке без датчиков обратной связи, точно контролировать момент на валу двигателя.
• для высокоточных применений (станки, краны, упаковочные линии и т.п.) используется преобразователь частоты серии NX(RV)P с датчиком обратной связи по скорости.

Способ управления двигателем.

Определяется типом и количеством интерфейсных плат преобразователя.

Современные преобразователи могут работать в режимах «внешнего управления», когда преобразователь управляется внешними сигналами, «управления с пульта», «комбинированного управления» и «управления по последовательному интерфейсу». В современной технике наиболее распространены два управляющих (задающих) сигнала: 0-10 В и 4-20 В.

Преобразователь частоты сам способен управлять скоростью вращения. Для этого в ПЧ встроен ПИД-регулятор, а также существует возможность подключения датчика обратной связи какого-либо технологического параметра.

Расчёт частотника для электродвигателя

Для того чтобы преобразователь частоты имел возможность работать надёжно и соблюдать заданные значения, необходимо рассчитать его основные параметры:

• тип исполнения;
• ток;
• мощность.

Расчёт тока преобразователя производится по формуле:

где Р – номинальная мощность двигателя, квт;

U – напряжение, В

сosφ – значение коэффициента мощности

Правильный выбор мощности прибора для изменения частоты сказывается на эффективности работы установки. При заниженной мощности частотного преобразователя производительность оборудования будет невысокой. Длительные перегрузки при работе могут привести к поломке преобразователя частоты.

При завышенной мощности частотного преобразователя и скачках напряжения или перегрузке не сработает защита электродвигателя, что приведёт к его повреждению. U

Мощность частотника должна быть больше номинальной мощности соответствующего двигателя на 15%.

Как правильно подобрать преобразователь частот

Наиболее значимо при покупке частотника — не жалеть денег. В случае с преобразователем, дешёвый всегда означает малофункциональный, а это делает покупку бесполезной.

Также следует обратить внимание на тип управления преобразователя:

• Векторный.

Высокоточная установка величины тока.

• Скалярный.

Рабочий режим ограничен заданным выходным соотношением частоты и напряжения. Данный тип управления уместен только для бытовых приборов простейшего типа.

Далее следует обратить внимание на мощность преобразователя частоты. Тут всё просто: чем больше, тем лучше.

Питающая сеть должна обеспечивать достаточно широкий диапазон напряжений. Это снижает риск поломки при резких скачках. Чрезмерно высокое напряжение может спровоцировать взрыв конденсаторов.

Показатели частоты должны удовлетворять производственным потребностям. Их нижний порог определяет широту возможностей для управления приводной скорости. Максимальный частотный диапазон возможен только при векторном управлении.

Число входящих/выходящих управляющих разъёмов должно быть немного больше минимально необходимого. Но это, конечно, отражается на повышении цены и возникновении затруднений при установке устройства.

Наконец, требуется обратить внимание на совпадение характеристик управляющей шины и параметров частотника. Это определяется по соответствию числа разъёмов.

Важно отметить способность переносить перегрузки. Запас мощности преобразователя частоты должен на 15% превосходить мощность двигателя.

Необходимые материалы для самодельного частотника

Изготовить частотник своими руками практически возможно. Для этого нужно определиться с основными деталями, приобрести их, изучить схему сборки. Затем приступить к процессу изготовления.
В начале работы необходимо запастись двумя платами. На одной из плат необходимо установить микроконтроллер и индикатор. На второй — транзисторы, диодный мост, входные клеммы, блок питания и драйвер. Между собой платы необходимо соединять гибким проводом.

Питания будет производиться с помощью импульсного блока.

Для управления маломощным мотором достаточно будет установки токового шунта и подключённого к нему усилителя DA-1. Сечение жил токового шунта составляет полмиллиметра. Для двигателей с более высокой мощностью установки токового шунта недостаточно и поэтому необходимо устанавливать трансформатор.

При мощности двигателей более 0,4 КВт необходима установка термодатчиков.

Микросхема IL300 с линейной развязкой позволяет контролировать параметры электродвигателя.

Оптроны типа ОС2–4 необходимы для дубляжа управляющих кнопок.

В результате эксплуатации вследствие большой протяжённости проводов могут возникать помехи. Устранить их можно с помощью специальных колец для удаления помех.

Подключение и настройка

При подключении асинхронного преобразователя частоты в сеть однофазного тока клеммы двигателя необходимо соединить в «треугольник». Эта схема соединения подразумевает присоединение конца и начала соседних обмоток. Напряжение питания при этом будет 220 В. Выходной ток необходимо удерживать в пределах не более половины его номинального значения.

Если частотник подключается к трехфазной сети, то клеммы двигателя соединяются в «звезду». При этой схеме соединения концы трёх фаз обмоток соединяются в одну точку. Напряжение от сети принимает значение 380В.

Очерёдность подключения общей электрической цепи будет следующей:

1. дифференциальный автоматический выключатель, ток которого совпадает с номинальным током двигателя;
2. преобразователь частоты;
3. электродвигатель.

При работе с трехфазной сетью автоматический выключатель должен быть снабжён общим рычагом по всем трём фазам. В таком случае перегрузка одной из фаз будет устранена выключением всего питания. Допустимый ток срабатывания должен быть рассчитан на основе значения тока двигателя в одной фазе.

При установке преобразователя в однофазную сеть допустимый ток автоматического выключателя должен превышать в три раза значение фазного тока.

Подключается преобразователь к электромотору с помощью магнитного пускателя. Выбирается магнитный пускатель по напряжению сети и номинальному току.

Перед монтажом пульта управления его рычаг должен быть в положении «Выключено». При включении рычага обязательным условием есть появление сигнала на световом индикаторе. Клавишей RUN производится запуск частотника. А рукоятка пульта управления контролирует изменение числа оборотов ротора двигателя.

Следует с особым вниманием изучить значение частоты на частотнике, так как на одних моделях указывается частота вращения ротора электродвигателя, а на других приведена частота тока преобразователя.

Настройка частотного преобразователя для электродвигателя начинается с внимательного изучения инструкции, так как в ней указана последовательность этих операций.

Для того чтобы настроить частотный преобразователь для электродвигателя, необходимо произвести правильный выбор типа проводов и верный размер их сечения.

Перед настройкой частотника необходимо правильно обнаружить и подключить входные и выходные клеммы. Входные клеммы маркируются буквой L с указанием нумерации фазы. Выходные клеммы обозначены латинскими буквами — U, V, W.

Так как параметров у преобразователя заводского исполнения довольно-таки много, частично его настройка производится на заводе. Остальные параметры настраиваются вручную. Основные этапы настройки частотного преобразователя:

• подача питания на частотный преобразователь;
• выбор определённого режима работы;
• установка значений рабочих характеристик оборудования.