Преобразователь частоты для трехфазного двигателя

Трехфазные асинхронные электродвигатели – самые распространенные электрические машины. Их отличают небольшие габариты при значительной мощности, простота конструкции, низкая стоимость. До появления частотных регуляторов применение этих устройств ограничивали высокие пусковые токи, сложные схемы регулирования скорости вращения ротора.

Ранее для этого применялись:

• Механические устройства (муфты, редукторы и т.д.).
• Электрические схемы, изменяющие величину питающего напряжения.

Такие методы не обеспечивали точность, жесткие механические характеристики электродвигателя во всем диапазоне регулирования вызывали значительные потери мощности. В качестве электропривода ответственного оборудования применялись электрические машины постоянного тока, а также двигатели с фазным ротором.

С появлением высоковольтных транзисторов и тиристоров стал возможным серийный выпуск частотных преобразователей для асинхронных электродвигателей мощностью до десятков МВт. Частотно-регулируемый электропривод отвечает всем современным требованиям:

• Максимально возможный К.П.Д. (свыше 90%).
• Надежность и простота управления.
• Высокая ремонтопригодность.
• Широкий диапазон и плавное регулирование скорости вращения, углового положения вала, разгона и торможения, момента силы и других параметров.
• Высокая энергоэффективность.
• Изменение характеристик в зависимости от фактической нагрузки на валу.
• Помехоустойчивость и быстрое устранение ошибок.
• Снижение тока при запуске до 100-200% от номинального.

Применение преобразователей частоты позволяет заменить дорогостоящие электромоторы переменного тока с фазным ротором и двигатели постоянного тока на дешевые асинхронные машины с короткозамкнутым ротором.

Принцип работы частотного преобразователя

Принцип частотного регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты напряжения, поданного на обмотки статора. ПЧ состоит из силовой и управляющей части. Первая состоит из управляемого или неуправляемого выпрямителя, конденсатора и инвертора. Переменное напряжение сети поступает на выпрямитель, где преобразуется в постоянное. Пульсация получаемого напряжения сглаживается на конденсаторе. Далее постоянное напряжение инвертируется в переменное и поступает в цепь питания электродвигателя.

Постоянная составляющая и высшие гармоники сглаживаются на обмотках двигателя. При необходимости между ПЧ и электрической машиной включают L-фильтры.

Частота и амплитуда напряжения в выходной цепи зависит от управляющих импульсов, отпирающих и запирающих транзисторные ключи инвертора.

Управляющая часть содержит микроконтроллер. Функции этого устройства – формирование управляющих сигналов в соответствии с заданной программой, обработка информации с датчиков, подача сигналов на внешние устройства. Кроме того, в состав управляющей схемы могут входить устройства связи, конвертор интерфейсов, дополнительная память.

Типы сигналов управления

Частотный преобразователь имеет входные и выходные клеммы для подключения датчиков, внешних устройств управления, сигнализации и контроля. Для управления частотно-регулируемым приводом используют следующие сигналы:

• Цифровые(0-5; 0-10 В). Служат для обмена данными с ПК, а также оборудованием удаленного контроля по протоколам САN, RS232, LАN и так далее.
• Аналоговые (0-10 В; 0-20 мА). К таким входам подключают датчики, устройства управления с соответствующим уровнем выходного сигнала.
• Релейные. Предназначены для включения устройств оповещения, сигнальных ламп, звуковой сигнализации, тормозных электромагнитных муфт и т.д.
• Дискретные (0-10 В; 0-20 мА). Для подключения устройств с 2 положениями.

Как правильно подобрать преобразователь частоты для трехфазного двигателя

Выбор ПЧ делают по следующим критериям:

• Способу управления. Различают векторный и скалярный способ управления электродвигателями. Последний применяется для низкопроизводительных вентиляторов, насосных агрегатов, компрессоров. Для лифтов, кранового оборудования и других устройств, требующих точной регулировки с обратной связью по нескольким характеристикам, применяют векторные ПЧ.
• Диапазону регулирования скорости и момента. Он должен соответствовать требованиям к оборудованию.
• Номинальному току, электрической мощности и напряжению. При этом учитывают максимальное значение величин этих характеристик. Рекомендуемый запас мощности ПЧ составляет 15-20%. На двигателе обычно указывают 2 значения напряжения при подключении в звезду или треугольник. Необходимо подобрать преобразователь с номинальным напряжением, соответствующим типу соединения обмоток.
• Количеству аналоговых, цифровых и релейных входов и выходов. Для упрощения последующей модернизации системы управления электроприводом необходимо подобрать преобразователь частоты с большим количеством разъемов.
• Электромагнитной совместимости. Частотный преобразователь является источником высших гармоник и электромагнитных помех. При выборе этого устройства необходимо учесть электромагнитную совместимость с другим оборудованием. При необходимости применять экранированные кабели и фильтры.
• Классу пылевлагозащищенности IP. При невозможности подобрать подходящий ПЧ, устройство, несоответствующее условиям монтажа, устанавливают в электротехнические шкафы, обеспечивающие необходимую защиту от пыли и влаги.
• Возможности подключения нескольких электродвигателей. Для подключения двух или более однотипных двигателей иногда достаточно одного преобразователя частоты.
• Наличию информационного дисплея, пульта дистанционного управления, поддерживаемым протоколам обмена данными, другим дополнительным функциям.

Самостоятельное подключение ПЧ

Подключение частотных преобразователей может осуществляться собственным электротехническим персоналом предприятия. При этом руководствуются технической документацией и следующими правилами:

• Класс ЭМС ПЧ должен соответствовать аналогичной характеристике другого электрооборудования. Для достижения этого требования используют РЧ-фильтры и экранируемые кабели.
• Электродвигатели, для плавного пуска которых применялось переключение “звезда-треугольник”, подключают по одной рабочей схеме.
• ПЧ защищают трехфазным автоматическим выключателем и плавкими предохранителями, включаемыми перед устройством.
• Все управляющие кабели прокладывают раздельно. Также запрещена совместная прокладка силовой и контрольной линии.
• Датчик температуры обмоток подключают к соответствующему входу ПЧ.
• Недопустимо включение конденсаторных фильтров между частотником и электродвигателем. Для компенсации реактивной составляющей используют индуктивные устройства.
• При наличии принудительного охлаждения электродвигателя, управляющую цепь также подключают к ПЧ, который обеспечивает одновременный запуск охлаждающего вентилятора и электродвигателя.
• При установке ПЧ в шкафах управления должна быть обеспечена хорошая вентиляция и охлаждение корпуса устройства.

Частотные преобразователи применяются во всех сферах промышленности и народного хозяйства, а также для бытового электропривода. Их применение снижает потребление электроэнергии, позволяет заменить дорогие электрические машины на простые и дешевые двигатели асинхронного типа, упростить схемы автоматического управления.