Как работает частотный преобразователь для асинхронного двигателя. Какие преимущества дает использование частотников в промышленности. Из каких основных компонентов состоит частотный преобразователь. Для чего применяются частотные преобразователи в асинхронных электродвигателях.
Что такое частотный преобразователь для асинхронного двигателя
Частотный преобразователь (ЧП) — это электронное устройство для управления скоростью вращения асинхронного электродвигателя. Основная задача ЧП — преобразование входного переменного напряжения фиксированной частоты в выходное напряжение с регулируемой частотой и амплитудой.
Применение частотных преобразователей позволяет:
- Плавно регулировать скорость вращения двигателя в широком диапазоне
- Обеспечивать плавный пуск и торможение двигателя
- Экономить электроэнергию за счет оптимизации режимов работы
- Защищать двигатель от перегрузок
- Увеличивать срок службы электродвигателя и приводного механизма
Принцип работы частотного преобразователя
- Выпрямление входного переменного напряжения с помощью диодного моста
- Сглаживание выпрямленного напряжения в звене постоянного тока
- Инвертирование постоянного напряжения в переменное с заданной частотой
- Формирование выходного сигнала с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ)
За счет изменения частоты и амплитуды выходного напряжения регулируется скорость вращения и момент на валу асинхронного двигателя.
Основные компоненты частотного преобразователя
В состав типового частотного преобразователя входят следующие основные функциональные блоки:
- Выпрямитель — преобразует входное переменное напряжение в постоянное
- Звено постоянного тока — сглаживает пульсации выпрямленного напряжения
- Инвертор — формирует выходное переменное напряжение регулируемой частоты
- Система управления — обеспечивает алгоритмы работы и защиты
- Панель управления — для настройки и контроля параметров
Дополнительно могут присутствовать входные и выходные фильтры, тормозной модуль и другие опциональные блоки.
Преимущества использования частотных преобразователей
Применение частотных преобразователей для управления асинхронными двигателями дает ряд существенных преимуществ:
- Экономия электроэнергии до 30-60% за счет оптимизации режимов работы
- Плавный пуск и торможение двигателя без пусковых токов и ударных нагрузок
- Точное регулирование скорости и момента во всем диапазоне
- Повышение срока службы двигателя и механизмов
- Снижение шума и вибраций при работе оборудования
- Возможность удаленного управления и диагностики
Все это обеспечивает снижение эксплуатационных затрат и повышение эффективности технологических процессов.
Области применения частотных преобразователей
Частотные преобразователи для асинхронных двигателей широко применяются в различных отраслях промышленности и сферах жизнедеятельности:
- Насосное и компрессорное оборудование
- Вентиляционные системы
- Конвейеры и транспортеры
- Подъемно-транспортные механизмы
- Металлообрабатывающие станки
- Экструдеры и смесители
- Центрифуги и сепараторы
- Бытовая техника (стиральные машины, кондиционеры)
Практически везде, где требуется регулирование скорости асинхронных двигателей, находят применение частотные преобразователи.
Скалярное и векторное управление в частотных преобразователях
В современных частотных преобразователях применяются два основных метода управления асинхронными двигателями:
Скалярное управление
При скалярном управлении поддерживается постоянное соотношение напряжение/частота (U/f). Это простой метод, подходящий для механизмов с постоянным моментом нагрузки (насосы, вентиляторы). Основные особенности:
- Простота реализации и настройки
- Невысокая точность регулирования скорости (1-2%)
- Ограниченный диапазон регулирования (до 1:10)
- Невозможность точного управления моментом
Векторное управление
Векторное управление обеспечивает раздельное регулирование магнитного потока и момента двигателя. Преимущества векторного метода:
- Высокая точность регулирования скорости (до 0.1%)
- Широкий диапазон регулирования (до 1:1000)
- Возможность точного управления моментом
- Высокая динамика привода
Векторное управление применяется в механизмах с переменным моментом нагрузки, требующих высокой точности регулирования.
Настройка и программирование частотных преобразователей
Для корректной работы частотного преобразователя с конкретным асинхронным двигателем требуется правильная настройка параметров. Основные этапы настройки включают:
- Ввод паспортных данных двигателя (мощность, напряжение, ток, частота и др.)
- Настройка параметров разгона/торможения
- Выбор и настройка закона управления (скалярное/векторное)
- Настройка защитных функций и ограничений
- Конфигурирование входов/выходов
- Оптимизация работы в конкретном применении
Современные частотные преобразователи имеют удобный интерфейс для настройки с помощью встроенной панели управления или через ПК. Многие параметры настраиваются автоматически.
Защитные функции частотных преобразователей
Частотные преобразователи обеспечивают комплексную защиту двигателя и самого преобразователя от нештатных режимов работы. Основные защитные функции включают:
- Защита от перегрузки по току
- Защита от перенапряжения в звене постоянного тока
- Защита от перегрева двигателя и преобразователя
- Защита от обрыва фазы двигателя
- Защита от короткого замыкания на выходе
- Защита от потери нагрузки (сухой ход насоса)
При срабатывании защиты происходит отключение преобразователя и вывод кода ошибки на дисплей. Это позволяет оперативно выявлять и устранять неисправности.
Таким образом, частотные преобразователи являются эффективным средством управления асинхронными двигателями, обеспечивая оптимизацию технологических процессов и снижение эксплуатационных затрат.
Частотный преобразователь асинхронного двигателя в промышленности
Хотя еще рано сбрасывать со счетов электропривод постоянного тока, в промышленности и бытовой сфере в практически любых технических системах используется сочетание асинхронного двигателя и преобразователя частоты. Несмотря на очевидные преимущества асинхронного двигателя перед двигателем постоянного тока, его слабой стороной являлась сложность регулирования скорости вращения. В настоящее время данная проблема устранена благодаря современным частотным преобразователям.
ЧТО ТАКОЕ ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОРАЗОВАТЕЛЬ
Говоря простым языком — частотный преобразователь – устройство для управления асинхронным двигателем. Возможно регулирование скорости вращения и другими методами — установкой вариатора, редуктора, муфты, но это не позволяет менять скорость в широком диапазоне, усложнят монтаж и не является энергосберегающим решением.
ЗАЧЕМ НУЖЕН ЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Частотный преобразователь в случае асинхронных электродвигателей самых различных агрегатах как промышленного, так и потребительского назначения используется для оптимизации управления двигателем, приводящей в итоге к экономии электроэнергии, увеличению срока службы устройства. Использование частотных преобразователей позволяет произвести эффективную, простую и надёжную автоматизацию процесса управления оборудованием.
Основные задачи, которые решает преобразователь частоты, кроме увеличения/уменьшения скорости вращения это:
- Плавный пуск и плавный останов двигателя, что позволяет избежать высоких механических нагрузок на оборудование.
- Уменьшение затрат электроэнергии, что актуально не только для больших промышленных предприятий, но при бытовом использовании в составе насосной станции на даче, например.
- Защита от перегрузки двигателя, что продлевает срок его эксплуатации.
- Сохранение высокого крутящего момента на низких оборотах, что очень важно при тяжелом пуске (например, в составе оборудования дробилок для щебня)
И как говорилось выше, всё, что связано с управлением скоростью вращения – изменяемое или адаптивное вращение (пример: линии конвейера, где вращение может быть задано с непостоянной скоростью).
УСТРОЙСТВО ЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Как на заре появления транзисторных радиоприёмников в народе их стали называть просто “транзисторами”, по названию основного электронного компонента этих устройств, так и название “частотный преобразователь” нельзя считать совсем точным.
На самом деле мы рассматриваем устройство, состоящее из выпрямительного модуля, преобразующего переменный ток на входе в постоянный, и модуля преобразователя частоты, преобразующего полученный на выходе выпрямительного модуля постоянный ток в переменный заданной частоты и амплитуды, возможно ШИМ-модулированный.
Само же это устройство в целом является одним из компонентов электропривода.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
В зависимости от технических деталей принципа управления, частотные преобразователи условно подразделяются на “векторные” и “скалярные”.
Скалярное управление наиболее распространено и максимально удовлетворяет требованиям таких механизмов, как насосы, вентиляторы, компрессоры, а также тех, для которых важно поддерживать скорость вращения. Метод довольно прост, но имеет небольшой диапазон регулирования скорости и требует установки дополнительных датчиков для реализации управления по скорости и моменту.
Разнообразие векторных вариантов управления впечатляет, но может быть условно разделено на две группы:
- Управление по вектору тока (довольно простой метод, присущий абсолютному большинству преобразователей)
- Управление по вектору напряжения. Основано на том, что напряжение пропорционально моменту, что позволяет без дополнительных пересчетов получить управление последней характеристикой.
Все остальные методы, по большому счету, являются их дополнением, каждый производитель совершенствует по своему усмотрению расчеты и измерения таких показателей, как индуктивность, намагниченность, вектор электромагнитного поля и т.д.
Собственно детали методов управления являются весьма сложными, а сами методы постоянно совершенствуются. Важным моментом при выборе частотного преобразователя является знание потенциальным потребителем минимальных требований, которые налагает объект управления (вентилятор, насос, конвейер и т.д.). Это позволит с одной стороны не переплачивать за преобразователь с ненужными свойствами, а с другой – не оказаться в ситуации, когда привод, скомпонованный из частотника и асинхронного двигателя, не обеспечивает должное функционирование объекта управления.
ВИДЫ ЧАСТОТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЛЕЙ
Помимо определения способа управления, который определяется техническими требованиями оборудования и стоимостью частотного преобразователя, необходимо знать мощность и тип подключения к двигателю, то есть количество фаз на входе и выходе.
На предприятиях используется напряжение 380В, соответственно частотник подбирается 3 фазы вход 380В, 3 фазы выход 380В. https://www.technowell.ru/catalog/innovert/trekhfaznye_INNOVERT/chastotnyy-preobrazovatel-innovert-5…
Для бытового использования, где напряжение 230В, подходит преобразователь частоты с 1 фазой вход 230, 3 фазы выход 230В. Максимально допустимая мощность таких частотников 3,7 кВт. https://www.technowell.ru/catalog/innovert/odnofaznye_INNOVERT/chastotnyy-preobrazovatel-innovert-2-…
Так же большинство производителей выпускает линейки подготовленные для специального использования, например с вентиляторами: https://www.technowell.ru/catalog/innovert/seriya-dlya-ventilyatsii/chastotnyy-preobrazovatel-innove…
Или насосами: https://www.technowell.ru/catalog/innovert/seriya-dlya-nasosov/trekhfaznye-INNOVERT-IHD/chastotnyy-p… где уже выставлены определенные настройки, характерные при использовании с данным оборудованием.
принцип работы, особенности и применение в асинхронных электродвигателях
Чаще всего преобразователи частоты используются для асинхронного двигателя, но встречаются они и в бытовой технике. Несмотря на распространённость, они обладают не только преимуществами, но и недостатками, устранять которые приходится, используя дополнительные приборы. Все преобразователи выполняют важную функцию, и представить хоть одно производство без частотника для асинхронных двигателей невозможно.
- Сферы применения устройства
- Принцип работы частотника
- Применение в асинхронных двигателях
- Основные составляющие прибора
Сферы применения устройства
Преобразователь частоты – это специальное устройства, которое устанавливается на мощные электродвигатели. Их главное предназначение — изменение частоты поступающего тока. Как известно, ток, который поступает из розетки имеет частоту, она равна 50 Гц. Для того чтобы ускорить или наоборот замедлить двигатель, эту частоту можно изменять.
Роль, которую играет частотник – изменение частоты тока.
Самый яркий пример — это стиральные машины, они имеются у каждого в доме, для ускорения частоты вращения барабана частотник электродвигателя увеличивает частоту тока, чтобы уменьшить количество оборотов, производится обратное действие. Также их используют для плавного запуска мощных двигателей: современные частотники, могут изменять колебание тока от 1-800 Герц.
Принцип работы частотника
В основе работы частотника лежит инвертор с двойным преобразованием. Преобразователь работает по следующей схеме:
- Вначале переменный синусоидальный ток (220-380 В), поступающий в инвертор выпрямляется. Для выпрямления используется диодный мост.
- После ток поступает на группу конденсаторов, где он фильтруется и сглаживается.
- Далее, мостовые ключи из биполярных транзисторов (IGBT, БТИЗ) и управляющие микросхемы принимают отфильтрованный ток и формируют из него трёх или однофазную широтно-импульсную модуляцию с требуемыми параметрами.
- На выходе получается синусоидальный ток с уже изменёнными характеристиками, синусоидальность обеспечивается индуктивностью обмоток.
Более подробно весь процесс изображён на следующей схеме:
Применение в асинхронных двигателях
Асинхронные двигатели превосходят по мощности и производительности обычные электродвигатели, но при этом они обладают рядом недостатков. Основным из них является необходимость увеличения номинальной мощности при запуске в 5-7 раз, а также то, что для регулирования скорости вращения ротора необходимо использовать специальные устройства. Увеличение потребляемой мощности при запуске порождает скачки внутри сети и ударные импульсы, в свою очередь, это негативно влияет на срок службы любого асинхронного двигателя.
Для решения всех проблем сразу был разработан асинхронный преобразователь частоты.
Их использование удобно тем, что работа частотника происходит в автоматическом режиме, и поэтому контроль за токами происходит постоянно. Это устройство уменьшает пусковые токи, тем самым не создавая перегрузок в сети и не нанося вред двигателю, также он позволяет регулировать частоту вращения ротора. Отпадает необходимость в использовании магнитного пускателя. Главные плюсы частотника:
- экономия электроэнергии;
- увеличение долговечности двигателя;
- возможность регулирования работы двигателя;
- обеспечивает обратную связь смежных приводов.
В действительности, это настоящий генератор трехфазного напряжения, при помощи которого можно добиться нужной величины и частоты.
Основные составляющие прибора
В состав любого частотника входит четыре главных модуля:
- выпрямитель;
- блок фильтрации напряжения;
- инверторный узел;
- система управления на базе микропроцессора.
Все эти модули соединены блоком управления, он контролирует системы и отвечает за работу выходного каскада, выдаваемого инвертором. Современные устройства подобного типа также обладают определёнными защитными узлами, которые защищают его от превышения тока и коротких замыканий. Также они оборудованы датчиками слежения за температурой и прочими системами, позволяющими отслеживать отклонения от нормы при его работе.
Несмотря на то что частотник должен выпрямлять ток и держать постоянную его частоту, полностью сгладить пульсации он не может, это связано с переменной составляющей и непостоянством тока в самой сети. Для того чтобы полностью убрать эти колебания, используются катушки индуктивности и конденсаторы. Их подключение и настройка происходит, как правило, в системе частотного преобразователя. Катушка сглаживает ток, благодаря своему реактивному сопротивлению, в свою очередь, конденсатор, пропуская через себя ток, выдаёт не переменное, а постоянное напряжение.
Встречаются частотные преобразователи как для однофазных сетей, так и для трехфазных. Также они могут отличаться по типу управления, существуют векторные и скалярные модели. Векторные применяются в тех случаях, когда необходимо жёстко регулировать частоту вращения ротора, второй тип частотников используется на объектах, где нет особой необходимости в жёстком регулировании подаваемой частоты, их можно встретить в вентиляционных системах. Скалярный тип управления используется для однофазных систем, в свою очередь, векторная для трехфазных. Принцип регулирования частоты в обоих случаях остаётся одинаковым.
Преобразователи частоты для асинхронных двигателей: принцип действия и принцип работы
Сегодня в промышленности часто используются преобразователи частоты для асинхронных двигателей. Стоит отметить, что такие двигатели имеют в своей конструкции три обмотки, которые соединяются по схеме «звезда» или «треугольник».
Но у них есть один недостаток – очень сложно регулировать скорость вращения ротора. Но это было раньше. Теперь, когда на помощь приходит микро- и силовая электроника, эта задача упрощается. Поворотом переменного резистора можно изменять скорость вращения в широких пределах.
Для чего нужен преобразователь частоты?
Функций у этого устройства много, но чаще всего используется небольшое количество. По сути, для управления асинхронным двигателем нужно уметь регулировать не только скорость вращения, но и время разгона и торможения. Кроме того, любая система требует защиты. Необходимо, чтобы преобразователь частоты учитывал ток, потребляемый асинхронным двигателем.
Частое использование частоты в системах вентиляции. Несмотря на кажущуюся легкость крыльчатки вентилятора, нагрузки на ротор очень велики. И мгновенное ускорение невозможно. Бывают также ситуации, в которых необходимо увеличить скорость вращения, чтобы поток воздуха стал больше или меньше. Но это только пример, преобразователь частоты часто используется в других системах.
С помощью частотника можно синхронизировать скорость конвейера, состоящего из нескольких лент.
Принцип работы инвертора
В основе лежит микропроцессорное управление и несколько схем преобразования переменного и постоянного напряжения. Несколько процессов происходят с напряжением, которое подается на вход питания устройства. Работа преобразователя частоты не сложная, достаточно рассмотреть три шага. Сначала происходит выпрямление. Во-вторых, фильтрация. В-третьих, инвертирование — это преобразование постоянного тока в переменный.
Только на последнем этапе возможно изменение свойств и параметров тока. Варьируя токовые характеристики, можно регулировать скорость вращения ротора асинхронного двигателя. В инверторном каскаде используются мощные сборки транзисторов. Эти элементы имеют три вывода – два силовых и один управляющий. Величина подаваемого на последний сигнала зависит от ВАХ на выходе частотника.
Как заменить инвертор?
Преобразователи частоты для асинхронных двигателей стали применяться относительно недавно.
Но наука к ним шла постепенно, сначала меняли скорость вращения ротора с помощью шестерен или вариатора. Правда, это управление было очень громоздким, а мощность привода тратилась впустую из-за ненужных механизмов. Ременная передача помогла увеличить скорость вращения, но здесь указать окончательный параметр было очень сложно. По этим причинам использование преобразователя частоты намного выгоднее, поскольку позволяет избежать потерь мощности. Но самое главное — дает возможность изменять параметры привода без внесения каких-либо изменений в механику.
Какой диск выбрать для домашнего использования?
Стоит отметить, что подключение возможно к сети однофазного и трехфазного тока. Все зависит от конкретной модели ПЧ, а точнее от того, какой тип инверторной схемы инвертора использовался в производстве. Чтобы понять принцип работы, достаточно взглянуть на устройство устройства. Самый первый узел – это выпрямитель, который собран на полупроводниковых диодах. Это мостовая схема для преобразования однофазного или трехфазного переменного тока в постоянный.
Для использования в доме нужно выбирать те модели частотников, ввод которых подключен к однофазной сети переменного тока. Выбор связан с тем, что в частные дома провести трехфазную сеть проблематично, да и невыгодно, так как необходимо использовать более совершенные электросчетчики.
Основные узлы ПЧ
Мало что было сказано о том, что представляет собой схема преобразователя частоты. Но для детального изучения необходимо рассмотреть его подробнее. На первом этапе осуществляется преобразование – выпрямление переменного тока. Вне зависимости от того, сколько фаз подано на ввод (три или одна), на выходе выпрямителя вы получите постоянное однополярное (один плюс и один минус) напряжение 220 вольт. Это так много между фазой и нулем.
Далее идет блок фильтров, который помогает избавиться от всех переменных выпрямленного тока. И на самом последнем этапе происходит инвертирование — из постоянного тока делается переменный с помощью силовых транзисторов, управляемых микроконтроллером.
Как правило, преобразователи частоты для асинхронных двигателей имеют монохромный ЖК-дисплей, на котором отображаются необходимые параметры.
Могу ли я сделать устройство самостоятельно?
Изготовление этого устройства связано со многими трудностями. Вам необходимо изучить основы программирования микроконтроллеров, чтобы расширить возможности устройства. Важно учитывать все основные требования. Например, возможность автоматического аварийного отключения при превышении максимально допустимого тока, потребляемого двигателем. Для этого на выходе необходимо установить трансформаторы тока, которые будут осуществлять постоянный контроль. Также должно быть обеспечено активное и пассивное охлаждение всех силовых элементов системы — диодов и транзисторов, а также отключение устройства при чрезмерном нагреве. Только в этом случае можно безопасно эксплуатировать преобразователи частоты для асинхронных двигателей.
VFD – Learnchannel-TV.com
Управление двигателем с помощью частотно-регулируемого привода или частотно-регулируемого привода
Параметризация ЧРП
Управление V/f (векторное управление)
87-Гц-работа с ЧРП:
В этом видео описывается работа ЧРП или частотно-регулируемого привода .
Другие названия для этого: преобразователь частоты , преобразователь привода переменного тока 9.0046 и т.д. Из содержания:
Блок-схема его основных компонентов и их функции
Построение выходного сигнала с помощью Широтно-импульсная модуляция PWM
Построение 3-фазного сигнала
Управление крутящим моментом и скоростью
Параметр Boost и рампа
Техническая реализация 9004 5 ДС/ Преобразователь переменного тока
Преобразователь частоты позволяет бесступенчато регулировать скорость и крутящий момент как синхронных, так и асинхронных двигателей.
Принцип работы преобразователя частоты прост: сначала необходимо выпрямить переменное напряжение местного источника питания, а затем сгладить пульсации постоянного напряжения.
После этого вы можете преобразовать это постоянное напряжение в переменное напряжение желаемой частоты и уровня:
Структура частотно-регулируемого привода
Выпрямитель
Меньшие преобразователи частоты для меньшей мощности также могут питаться от однофазного переменного напряжения. Выпрямляется мостовой схемой. Если энергия торможения двигателя должна быть возвращена в источник питания (ключевое слово: рекуперативное торможение), здесь используется полностью управляемый мостовой выпрямитель B6C.
Сглаживание
Пульсации постоянного напряжения сглаживаются в звене постоянного тока с помощью буферного конденсатора, а катушка индуктивности подавляет сильные колебания тока.
Тормозной прерыватель
Этот модуль является дополнительным и служит для рассеивания энергии торможения подключенного двигателя через резистор.
Инвертор
Кроме того, уже сглаженное напряжение из звена постоянного тока преобразуется в трехфазное напряжение инвертором постоянного/переменного тока.
Сегодня для этой функции используется все больше и больше IGBT.
ИНСТРУКЦИИ ПО ТЕХОБСЛУЖИВАНИЮ И ТЕХОБСЛУЖИВАНИЮ
Из-за конденсаторов в звене постоянного тока после выключения частотно-регулируемого привода сохраняется высокое напряжение. Квалифицированный персонал должен подождать не менее десяти минут, прежде чем открывать это устройство и проверять, разряжен ли ЧРП.
P параметризация ЧРП Управление V/f (векторное управление)
Управление V/f самое простое способ управления трехфазной асинхронной машиной и применяется для приводов с небольшим требования к динамическим приводам (таким как ременные передачи, насосы, вентиляторы).
Цель состоит в том, чтобы поддерживать постоянный крутящий момент двигателя. Это достигается с помощью параметра , называемого « Ramp «: С увеличением частоты полное сопротивление обмотки двигателя также увеличивается.
