Как работают преобразователи частоты для асинхронных двигателей

Асинхронные электродвигатели – самые распространенные электрические машины. Они отличаются простотой конструкции, дешевизной, высокой ремонтопригодностью, а также другими преимуществами. Они широко используются для привода промышленного оборудования, механизмов и устройств самого разного назначения. Сферу их применения несколько ограничивают высокие пусковые токи, затруднение регулирования скорости, ударные механические нагрузки на оборудование, соединенное с валом при пуске.

Частотные преобразователи позволяют осуществлять мягкий пуск электрических машин, ограничивать пусковые токи, синхронизировать момент силы на валу с моментом нагрузки, осуществлять точную регулировку скорости вращения, подключать трехфазные двигатели в однофазную сеть без конденсаторов.

Электродвигатель – устройство для преобразования электроэнергии во вращательное движение вращающейся части электрической машины. Преобразование энергии в двигателях происходит за счет взаимодействия магнитных полей обмоток статора и ротора. Эти электрические машины широко используются во всех отраслях промышленности, в качестве привода электротранспорта и инструментов, в системах автоматизации, бытовой техники и так далее.

Принцип действия частотных преобразователей

Принцип действия частотного регулирования основан на зависимости скорости вращения и момента силы на валу двигателя переменного тока от частоты напряжения питания. Частотные регуляторы изменяют частоту поданного на электродвигатель напряжения, тем самым регулируя скорость вращения ротора и момент силы.

Преобразование частоты может осуществляться несколькими способами. Схема преобразования частоты с непосредственной электрической связью с сетью представляет собой управляемый выпрямитель на тиристорах. Управляющий блок генерирует сигналы, поочередно отпирающие полупроводниковые устройства, подающие напряжение заданной частоты на обмотки электрической машины.

Такая схема отличается высоким к.п.д., обеспечивает стабильную работу двигателя при небольших скоростях вращения ротора, передачу генерируемой электроэнергии при торможении двигателя в сеть.

Однако, такие недостатки, как невозможность изменять частоту в большую сторону, наличие в выходном напряжении постоянной составляющей и субгармоник, вызывающих перегрев обмоток и появление электромагнитных помех, ограничивают сферы применения частотников с непосредственной связью.

Большинство современных частотных преобразователей построено на базе схем двойного преобразования. Такое техническое решение имеет следующие преимущества:

• Возможность изменять частоту как в большую, так и меньшую сторону.
• Выходное напряжение чистой синусоидальной формы.
• Отсутствие высших гармоник.
• Плавное, высокоточное регулирование частоты питающего напряжения двигателя.

Состоит такой преобразователь частоты из трех блоков:

• Диодного или тиристорного выпрямителя с емкостными, индуктивными или комбинированными фильтрами. Этот узел осуществляет выпрямление сетевого напряжения и его сглаживание.
• Инвертирующего блока. Этот элемент осуществляет обратное преобразование постоянного напряжения в переменное. Индуктивный элемент на выходе осуществляет фильтрацию постоянной составляющей, а также высокочастотных помех, наличие которых негативно сказывается на работе электродвигателя.
• Управляющей схемы на базе микропроцессора. Основные ее функции – задание частоты выходного напряжения и тока. Частота тока на выходе инвертора определяется шириной или длительностью управляющих импульсов со схемы управления (широтно- или частотно- импульсная модуляция). Процессор также осуществляет связь с удаленными пунктами управления, автоматическое регулирование по обратной связи по механическим и электрическим характеристикам подключенной к нему электрической машины, а также другие функции.

Таким образом, при частотном регулировании питающее напряжение сначала преобразуется в постоянное, затем инвертируется в переменное напряжение требуемой частоты.

Выбор частотного преобразователя

При проектировании частотно-регулируемого электропривода необходимо учесть множество нюансов. При выборе частотника руководствуются следующими критериями:

• Назначение преобразователя. Многие производители выпускают ПЧ, предназначенные для электродвигателей насосов, лифтов, электроприводов вентиляционных систем, а также универсальные устройства общепромышленного назначения. Специализированные частотники производят под конкретное технологическое оборудование. Возможность их адаптации существенно ограничена. Общепромышленные регуляторы частоты можно настраивать под различные приводы.
• Способ управления и поддержка различных протоколов связи. Регулируемые по частоте электроприводы обычно интегрируются в комплексные системы автоматизации и удаленного контроля и управления. Частотный преобразователь должен быть укомплектован контроллером, который поддерживает связь по протоколу, применяемому в конкретной АСУТП.
• Мощность и перезагрузочная способность. Номинальная электрическая мощность преобразователя должна быть больше аналогичного параметра электродвигателя на 15-30%. При расчете мощности учитывают пусковые токи электрической машины, пиковые нагрузки на двигатель и их длительность. Ошибки ведут к перегреву частотника, выходу из строя силовых транзисторов или тиристоров.
• Диапазон и точность регулирования. Интервал изменения частоты и точность ее задания должны соответствовать требованиям условий технологического процесса. Возможность изменения частоты у скалярных преобразователей 1:10, если требуется более широкий диапазон, необходим частотник с векторным управлением.
• Электромагнитная совместимость. Частотный преобразователь чувствителен к электромагнитным помехам и сам является их источником. Выбор устройства осуществляется на основании условий его установки. При необходимости может потребоваться его установка в отдельном помещении, подключение специальных фильтров и использование экранированных кабелей. Компания «Данфосс» выпускает преобразователи, укомплектованные встроенными ЭМ-фильтрами.
• Наличие функций отключения двигателя при перегреве, дисбалансе фаз, перегрузках, других аварийных и ненормальных режимов работы.
• Наличие автоматизированного управления по событиям. Для синхронизации работы промышленного оборудования необходимы частотники, имеющие функции регулирования по достижению определенной величины технологических параметров.
• Количество входов и выходов для подключения удаленных устройств управления и контроля. На случай модернизации САР или усложнения АСТП рекомендуется выбрать частотники с избыточным количеством аналоговых и дискретных разъемов. Для электроприводов автоматизированных систем рекомендуется подобрать частотный регулятор со встроенной памятью и функцией ведения журнала событий.
• Номинальный ток и напряжение. Электрические параметры частотника должны соответствовать характеристикам электродвигателя.

Выбор частотного регулятора для промышленного оборудования делается на основании расчетов по специализированным методикам. Малейшие ошибки могут привести к авариям, которые могут иметь непредсказуемые последствия. Проектирование электропривода и выбор ПЧ целесообразно доверить специалистам по автоматизации. Правильный выбор частотника обеспечивает экономию электроэнергии до 40-50%, снижение затрат на ремонт и обслуживание электропривода и дает неплохой экономический эффект.

Практическое подключение преобразователя частоты к электросети

Физический монтаж привода требует строгого соблюдения регламентов электробезопасности. Стандартная схема подключения преобразователя частоты всегда делится на два независимых контура: силовой и сигнальный. Смешивать их в одном кабельном канале категорически запрещено из-за риска наводок.

Разводка силовых линий

Ввод питающего напряжения осуществляется на клеммы, которые чаще всего маркируются как L1, L2 и L3 (для трехфазного оборудования) или L и N (при однофазном питании). Подключение преобразователя частоты к сети обязательно выполняется через защитный автомат, номинал которого подбирается с учетом мощности устройства.

Выход на электродвигатель строго заводится на клеммы U, V и W. Главная ошибка новичков — подача сетевого напряжения на эти моторные выходы, что моментально выводит из строя инверторный каскад. Также обязательным условием является надежное заземление (клемма PE) корпуса ПЧ и станины двигателя.

Как настроить преобразователь частоты: первичный ввод в эксплуатацию

Любая заводская инструкция по эксплуатации преобразователей частоты содержит таблицы с сотнями параметров. Однако для запуска типового оборудования достаточно запрограммировать лишь базовую группу регистров, которая отвечает за безопасность и динамику.

Автотюнинг и паспортные значения

Первичная настройка преобразователя частоты начинается с ввода данных, указанных на шильдике мотора. Вам потребуется внести номинальный ток, напряжение, мощность и базовую частоту (обычно 50 Гц). Эта информация нужна микропроцессору для корректной работы алгоритмов тепловой защиты.

Далее задается время разгона и время торможения. Эти параметры измеряются в секундах и определяют, насколько плавно ротор выйдет на рабочие обороты. В финале выбирается источник команд: инвертор должен понимать, откуда ждать сигнал на запуск — с кнопок на лицевой панели, от внешних тумблеров или по цифровой шине связи от контроллера.

Управление кинематикой: плавный пуск, реверсивный ход и торможение

Интеграция ПЧ в систему полностью избавляет от необходимости собирать громоздкие шкафы с электромагнитными контакторами. Управление механикой берет на себя микропроцессор.

• Электронный плавный пуск преобразователь частоты реализует путем постепенного поднятия напряжения и частоты. Это полностью срезает разрушительные стартовые токи, которые при прямом включении в сеть могут превышать номинал в 7 раз. Механика станка защищается от рывков, а гидравлика — от гидроударов.
• Программный реверс асинхронных электродвигателей также выполняется без физического переключения фаз. Современная схема реверсивного управления асинхронным электродвигателем требует лишь подачи слаботочного сигнала на один из дискретных входов (DI).
• Если же требуется экстренно остановить высокоинерционный механизм, активируется динамическое преобразователь частоты торможение, при котором излишки энергии сбрасываются на специальные тормозные резисторы.

Эксплуатация в однофазных сетях и встроенные функции защиты

На небольших производствах или в частных мастерских часто нет выделенной линии на 380В. В таких случаях применяются однофазные преобразователи частоты 220в, которые питаются от обычной розетки, а на выходе генерируют полноценные три фазы по 220В. При этом мотор подключается по схеме «треугольник» и работает без потери полезной мощности.

Важно не путать такие устройства с другим типом оборудования — когда требуется преобразователь частоты для однофазного двигателя (где изначально присутствует пусковой конденсатор). Такие приводы имеют специфическую кривую U/f и используются в узкоспециализированных насосах или бытовых вентиляторах.

Внутренний мониторинг аварий

Комплексная защита трехфазных асинхронных электродвигателей — важнейшая фоновая задача инвертора. Система непрерывно отслеживает температуру транзисторов, силу тока и напряжение на шине постоянного тока. При возникновении межвиткового замыкания, заклинивании ротора или обрыве одной из питающих фаз привод за доли секунды блокирует работу и выводит на дисплей код ошибки, спасая оборудование от пожара.

Режимы управления: скалярный и векторный алгоритмы

Принцип работы преобразователя частоты напрямую зависит от выбранного математического алгоритма, который будет формировать ШИМ-сигнал для управления обмотками статора. Выделяют два основных метода.

Скалярное управление (V/f)

Самый простой и распространенный метод. Его суть заключается в поддержании постоянного соотношения между напряжением и частотой. Скалярный режим отлично подходит для механизмов с переменным моментом нагрузки — центробежных насосов, дымососов и вентиляторов. Он позволяет одновременно подключать несколько одинаковых двигателей к одному ПЧ.

Векторное управление

Более сложный алгоритм, при котором микропроцессор раздельно управляет током, создающим магнитный поток, и током, формирующим крутящий момент. Векторный режим незаменим там, где необходимо удерживать максимальное усилие на валу даже при околонулевых скоростях вращения (грузоподъемные краны, экструдеры, конвейерные ленты под уклоном).

Часто задаваемые вопросы

Можно ли подключить трехфазный двигатель 380В к однофазному преобразователю 220В?

Да, это возможно. Двигатель необходимо переключить со схемы «звезда» на «треугольник». При этом он будет работать от однофазной сети 220В с сохранением 100% своего крутящего момента.

Обязательно ли использовать экранированный кабель от ПЧ к двигателю?

Настоятельно рекомендуется. Инвертор работает по принципу широтно-импульсной модуляции и генерирует сильные высокочастотные помехи. Экранированный кабель защитит соседние слаботочные сети, датчики и контроллеры автоматики от сбоев.

Почему двигатель перегревается при длительной работе на низких оборотах?

У стандартных асинхронных машин крыльчатка охлаждения жестко посажена на вал ротора. При снижении частоты вращения падает и интенсивность обдува корпуса. Если двигатель должен долго работать на скорости ниже 30-40% от номинала, необходимо устанавливать независимый узел принудительной вентиляции.

Зачем нужен сетевой или моторный дроссель?

Сетевой дроссель (реактор) устанавливается на входе ПЧ для защиты устройства от скачков напряжения в электросети и уменьшения гармоник, уходящих обратно в сеть. Моторный дроссель ставится на выходе (между ПЧ и мотором), если длина кабельной трассы превышает 30-50 метров, чтобы сгладить пики напряжения и защитить изоляцию обмоток двигателя от пробоя.