инвентор

Частотные преобразователи для асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели используются в промышленности для обеспечения работы различных механизмов. Но они имеют один существенный недостаток — при запуске происходит кратковременный скачок тока в пять–семь раз. Кроме потерь электроэнергии, промышленные механизмы терпят ударные нагрузки, что приводит к их преждевременному изнашиванию. Поэтому было разработан частотный преобразователь или инвертор, обеспечивающий плавный пуск и останов асинхронных двигателей.

Основы работы преобразователя

Преобразователь частоты не только обеспечивает плавный пуск-остановка двигателя, но и изменяет частоту вращения ротора, регулируя частоту напряжения на входе двигателя. При этом инверторы изменяют частоту в широком диапазоне от значения частоты питающей сети. В асинхронном двигателе величина напряжения питания определяет частоту вращения магнитного поля, создаваемого статором. Обозначим частоту напряжения  f_1 , тогда угловая скорость магнитного поля двигателя определяется следующей формулой:

 w_0=\frac{2πf_1}{p} ,

где p-число пар полюсов статора. Закон пропорциональности зависит от момента нагрузки. Если момент нагрузки постоянный, то напряжение на статоре регулируется по закону

\frac{U_1}{f_1}=const.

Для вентиляторов применяется следующая зависимость:

\frac{U_1}{f_1^2}=const.

Если момент нагрузки обратно пропорционален скорости, то напряжение и частота связаны формулой:

\frac{U_1}{√(f_1 )}=const.

По принципу управления преобразователи можно разделить на типы:

  • со скалярным управлением;
  • с векторным управлением.

Основы работы частотного преобразователяПринцип скалярного управления заключается в управлении частотой питающего тока и силы этого тока. Скалярное управление предусматривает поддержание заданного соотношения частоты и напряжения при неизменном крутящемся моменте. Инвертор с управлением по скалярному принципу применяется для вентиляторов, компрессоров, насосов. Допускается подключение к одному преобразователю несколько двигателей.

Скалярный режим позволяет осуществлять регулировку скорости двигателя в узком диапазоне и в среднем колеблется от 1Гц до 100Гц. Это означает, что инвертор преобразует частоту вращения электрического тока сети 50Гц на входе в частоту вращения электрического тока на выходе в диапазоне 1:100Гц.

Важной характеристикой частотных преобразователей является диапазон сохранения скорости с сохранением крутящего момента вала двигателя.

Принцип действия инвертора с векторным управлением заключается в управление характеристиками частоту, силы тока и фазы питающего тока. Так как вращение ротора асинхронной машины отстает от вращения магнитного поля статора на 3-5% при максимальном КПД и соответственно максимальной мощности и крутящем моменте, то инвертор с векторным управлением регулирует вращение фазы магнитного поля статора по отношению к вращению ротора, так, чтобы оно было всегда впереди на 3-5%.

При использовании частотного преобразователя реализованного по векторному принципу необходимы датчики обратной связи, которые отслеживают положение ротора электродвигателя. С использованием датчиков диапазон регулирования скорости увеличивается и может достигать показаний выходного тока от 1Гц до 800Гц, что составляет диапазон 1:800ГцЧто актуально для регулирования скорости в лифтовых механизмах, станках.

Название «векторное управление» возникло из-за математического представления тока, создаваемого магнитным полем статора в виде вектора, величина которого равна величине тока, а координаты зависят от фазы тока. Кратко можно сказать, что при векторном режиме управления двигатель развивает максимальный момент тогда, когда вектор магнитного поля находится под углом 1030— 1050 к электрическому току в обмотке ротора. Векторный режим обеспечивает постоянный момент вращения на малых скоростях, высокую точность управления и возможность быстро регулировать скорость изменением частоты.

В инверторе используется принцип преобразования напряжения сети в два этапа. На первом этапе переменное напряжение сети (220 В/380 В) выпрямляется, сглаживается с помощью диодов и конденсаторов. В итоге на первом этапе получается напряжение постоянного тока. На втором этапе формируются прямоугольные импульсы заданной частоты. Через транзисторы инвертора они поступают на обмотки статора, где под воздействием магнитного поля превращаются в синусоидальные, соответствующие переменному току.

Преобразователи с методом широтно-импульсной модуляции напряжения (ШИМ) формируют синусоидальную кривую, параметры которой определяют амплитуду и частоту напряжения.

Виды модулированных сигналов управления эл. двигателем с помощью шим

Виды модулированных сигналов управления эл. двигателем с помощью шим

Виды частотных преобразователей

По назначению преобразователи выпускаются для однофазного и трехфазного напряжения. По типу управления — со скалярным или векторным управлением, о чем рассказывали выше. По типу преобразования делятся на два вида:

  • с автономным инвертором напряжения (АИН);
  • автономным инвертором тока (АИТ).

Современная промышленность выпускает частотные преобразователи в широком ассортименте, разной мощности и с разными функциями.

Виды входной и выходной информации

Частотные преобразователи различаются по количеству входов и выходов. Входные(выходные) сигналы делятся на следующие типы, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1

Дискретные сигналы Аналоговые сигналы Цифровые сигналы
Входные Выходные Входные Выходные Входные Выходные
Пуск Готов Задание частоты от систем управления или получение сигналов от датчиков Для подключения к устройствам отображения информации Передают информацию от датчиков положения и скорости.

 

Для передачи данных АСУ
Стоп Работа
Блокировка пуска Отказ
Торможение
Реверс
Выбор скорости

Способы подключения частотного преобразователя

Способы подключения частотного преобразователяПреобразователи частоты по способу подключения к сети делятся на однофазные и трехфазные. Однофазные частотники подключаются к бытовой сети 220 В, а на выходе формируют трехфазное напряжение. К двигателю они подключаются по схеме «треугольник». При этом необходимо, чтобы выходной ток составлял не больше половины номинального.

Трехфазные инверторы подключаются к сети 380 В, подключение проводится по принципу «звезда».

Частотный преобразователь на корпусе имеет ряд клемм для подключения с соответствующей маркировкой. Рассмотрим их обозначения и функции.

Назначение Обозначение Описание
Входные клеммы R, S, T Подключение к питающей сети
Выходные клеммы U, V, W Подключение к двигателю
Дополнительные клеммы G

PB

+ -

Заземление

Соединение с тормозным резистором

Клеммы постоянного тока

Отдельно имеются цифровые выходы для подключения к управляющей аппаратуре (АСУ). Количество выходов определяется производителем инверторов, подробнее они описаны в инструкции по эксплуатации на конкретную модель.

Основные правила выбора преобразователя

В зависимости от требований по мощности и типу управляемых механизмов подбирается частотный преобразователь.

  • Мощность инвертора, указанная в документации, должна быть равной или больше механической мощности электродвигателя. Но при этом необходимо дополнительно ориентироваться на тип подключаемых механизмов. Для подъемных устройств выбирается преобразователь, имеющий величину мощности выше паспортного значения мощности двигателя. А для центробежного насоса допускается мощность инвертора ниже.
  • Если подключаемая нагрузка отличается большой инерционностью, то в зависимости от требуемого времени разгона подбирается мощность преобразователя. Для быстрого разгона потребуется преобразователь с мощностью, больше номинальной мощности двигателя на 10-15%.
  • При выборе частотника номинальный рабочий ток должен превышать значение номинального тока электродвигателя на 10%, чтобы не допустить блокировку по превышению тока.

Основным критерием выбора частотного преобразователя при невозможности одновременно удовлетворить требования по току и напряжению является выбор по полной номинальной мощности, которая должна превышать номинальную мощность двигателя.

При выборе инвертора нельзя обойти вниманием и количество входных (выходных) сигналов и их тип, что позволяет осуществлять автоматизацию производственным процессом и ее модернизацию. При этом желательно ориентироваться принципом — «входов много не бывает».

Основные функции частотного преобразователя

Как уже обсуждали, в первую очередь выбирается метод управления: скалярный или векторный. Скалярный способ используется для простых механизмов, где требуется обеспечение заданной скорости вращения (вентиляторы, компрессоры и т. д.), где не требуются датчики обратной связи. Векторное управление подразделяется на управление по напряжению и по току. При высоких требованиях к регулировке скорости (от 1:800) дополнительно предусмотрены специальные приводы. И есть необходимость ставить датчики обратной связи на вал двигателя

На использовании сигнала обратной связи основана работа ПИД — регулятора. ПИД — регулятор расшифровывается как пропорционально – интегрально — дифференциальный регулятор. Измеряется отклонение величины (скорости, напряжения) от уставки (заранее заданного отклонения) и управляющей системой формируется сигнал по корректировке с учетом статистической ошибки. Такая система используется при работе насосов, станков.

Основные функции частотного преобразователя

Использование преобразователя частоты позволяет обеспечить защиту двигателя от перегрузки (холостого хода), возникающих при сбое в работе присоединенных механизмов. При обнаружении перегрузки преобразователь формирует аварийный сигнал и выдает команду «Останов».

Дополнительная функция «Летящий пуск» позволяет осуществлять задержку пуска двигателя в зависимости от условий вращения, при перезапуске двигателя. Особенно это актуально для механизмов, допускающих вращение в одну или другую сторону.

Фильтр ЕМС уменьшает электромагнитные помехи, обеспечивая защиту преобразователя и машин, чувствительных к помехам.

Среди функций защиты системы преобразователь — двигатель перечислим основные, которые осуществляются с помощью частотника:

  • от перегрузки по току;
  • от перегрева;
  • от замыкания выходных фаз;
  • от перенапряжения;
  • от неисправностей в системе питания.

Разные производители оснащают инверторы различными дополнительными функциями по согласованию с заказчиком. Поэтому выбор частотного преобразователя определяется подключаемым оборудованием и задачами, выполнение которых должна обеспечивать система преобразователь — двигатель.