Частотный преобразователь (частотник) для асинхронного электродвигателя, принцип работы, схемы своими руками

Зачем нужен преобразователь частоты

Асинхронный двигатель значительно превосходит другие типы электрических машин по характеристикам и мощности, но не лишен характерных недостатков. Так, например, для управления частотой вращения ротора устройство необходимо оборудовать дополнительными элементами. То же самое и с пуском: пусковой ток асинхронного двигателя превышает номинальное значение в 5-7 раз. Из-за этого возникают дополнительные ударные нагрузки и потери мощности, которые вместе только сокращают срок службы агрегата.

Для решения этих задач в результате настойчивых исследований был создан класс специальных устройств, предназначенных для автоматического электронного управления пусковыми токами: преобразователи частоты.

Преобразователь частоты для электродвигателя снижает количество пусковых токов в 4-5 раз и не только выполняет плавный пуск, но также управляет ротором, регулируя напряжение и частоту. Использование устройства имеет и другие преимущества:

экономит до 50% электроэнергии при пуске;
обеспечивает обратную связь с соседними блоками.

На самом деле это не преобразователь, а генератор трехфазного напряжения необходимой амплитуды и частоты.

Назначение частотного преобразователя для асинхронных двигателей

Всего несколько лет назад для регулирования двигателей использовались механические устройства, которые не могли предотвратить удары и пусковые нагрузки на оборудование. В результате срок полезного использования асинхронных двигателей был коротким; кроме того, использование механической системы управления привело к значительным потерям энергии. Для исключения негативного воздействия на промышленное оборудование специалистами разработаны электронные устройства регулирования частоты, позволяющие регулировать ширину импульса асинхронных двигателей. В результате пусковой ток стал в 4-5 раз ниже, что позволяет без проблем запускать оборудование.

В дополнение к отсутствию большого пускового тока преобразователи частоты снижают потери энергии, а также обеспечивают обратную связь между соседними приводами, чтобы оборудование могло работать в режиме автонастройки.

Методы модуляции

Широкое развитие преобразователей электроэнергии в последние десятилетия привело к увеличению исследований в области модуляции. Метод модуляции напрямую влияет на эффективность всей системы электроснабжения (силовой части, системы управления), определяя экономическую выгоду и производительность конечного продукта.

Основная цель методов модуляции — получить наилучшую форму волны (напряжения и токи) с минимальными потерями. Другие второстепенные задачи управления могут быть решены с использованием правильного метода модуляции, такого как снижение синфазного шума, выравнивание напряжения постоянного тока, снижение пульсаций входного тока и замедление скорости нарастания напряжения. Одновременное достижение всех целей управления невозможно, требуется компромисс. Каждая схема силового преобразователя и каждое приложение должны быть тщательно исследованы, чтобы определить наиболее подходящий метод модуляции.

Методы модуляции можно разделить на четыре основные группы:
• PWM — широтно-импульсная модуляция
• PVM — пространственная векторная модуляция
• гармоническая модуляция
• методы переключения частоты

Конструкция. Разновидности преобразователей

Частотный электропривод имеет ряд цепей, в том числе транзистор или тиристор. Базовым элементом электронной схемы является микропроцессор, который отвечает за работу дополнительных элементов схемы и выполняет большое количество дополнительных задач.

Преобразователь частоты — это группа выпрямителей и инверторов, преобразующих переменные токи в постоянные.

Однофазный преобразователь частоты — это высокотехнологичное устройство. Его основная задача — преобразование рабочего напряжения сети в бытовое (220 В). При таком преобразовании выполняется импульс напряжения с заданными частотами (1 — 1000) Гц.

Преобразователь частоты для электродвигателя вырабатывает напряжения с заданными параметрами. Преобразователь частоты работает следующим образом:

1. Сначала осуществляется выпрямление напряжения электрической сети, а также уменьшение импульсов и фильтрация гармоник.
2. Постоянное напряжение поступает от выпрямителя в цепь инвертора, где преобразуется в переменное напряжение с переменной амплитудой и частотой.

Рис.1 Принципиальная схема преобразователя частоты

В роли силовых элементов часто выступают IGBT-транзисторы. Изменяя частоту, можно изменять скорость вращения электродвигателя (M).

Преобразователь частоты делится на две большие разновидности:

При прямом общении.

Их отличительной особенностью является тиристорный выпрямитель, в котором отдельные тиристоры поочередно открываются и закрываются и поочередно подключаются к обмотке статора.

Рис. 2 Графическое представление напряжения инвертора

Выходное напряжение синусоидальной волны образует пилообразную форму с частотой примерно 1 — 40 Гц.Диапазон этого типа преобразователей считается ограниченным из-за того, что неблокирующие тиристоры требуют более сложных схем управления. Что влечет за собой более высокую стоимость оборудования.

Такие преобразователи частоты, работающие с большими токами и напряжениями, имеют КПД порядка 95-98%. Кроме того, высоковольтные приводы дороже низковольтных.

Если сравнить тиристорный преобразователь с транзисторным электроприводом аналогичной мощности, то второе устройство будет иметь гораздо меньшие габариты, меньший вес и более надежную работу.

С ярко выраженной ссылкой СС.

Этот тип датчика гораздо чаще встречается в современных устройствах, предназначенных для регулирования частоты.

Преобразование происходит в 2 этапа:

1. сначала напряжение сети выпрямляется и фильтруется;
2. затем сигнал поступает прямо на инвертор, где ток требуемых частот и амплитуды преобразуется в переменный ток.

Эффективность при таком преобразовании снижается, а габариты устройства увеличиваются. Синусоидальный сигнал обеспечивается отдельным инвертором напряжения и тока.

Принцип работы

Сердцем привода является инвертор с двойным преобразованием. Принцип его работы следующий:

• сначала через диодный мост проходит входной переменный ток синусоидального типа с напряжением 380 или 220 вольт и выпрямляется;
• затем подается на группу конденсаторов для выравнивания и фильтрации;
• затем ток передается на управляющие микросхемы и мостовые переключатели от IGBT-транзисторов (IGBT), которые из него формируют трехфазную широтно-импульсную последовательность с заданными параметрами;
• на выходе сформированные прямоугольные импульсы преобразуются в синусоидальное напряжение под действием индуктивности обмоток.

На схеме ниже показан принцип работы преобразователя частоты асинхронного электродвигателя.

Старт/Стоп двигателя

Запуск и остановка двигателя могут производиться следующими способами.

1. С панели управления преобразователем частоты. Для этого используйте кнопки RUN, STOP / RESET. Если требуется короткий старт, используется кнопка JOG.
2. Путем подачи сигнала на цифровые входы FWD, REW с двухпроводным управлением. Для трехпроводного управления один из цифровых входов DI1… DI6 должен быть активирован и соответствующим образом запрограммирован. Режим выбирается параметром P077. Каждый из этих входов также может использоваться для активации толчкового режима (команда JOG). При двухпроводном управлении требуется постоянный сигнал на соответствующих входах для работы двигателя. При трехпроводном подключении достаточно небольшой продолжительности сигнала.
3. Через последовательный интерфейс с помощью команд от контроллера. Выбор источника команды пуска / останова в преобразователе Prostar PR6000 осуществляется в параметре P006.

Двухпроводное управление пуском / остановом

Трехпроводное управление пуском / остановом

Дополнительные функции и параметры

Современный преобразователь частоты для электродвигателя — сложное устройство. Если он сделан на базе процессора, то функций у него очень много. Бюджетные модели также могут обладать широким набором функций. Для обоснованного выбора стоит знать, что означает каждый из параметров и для чего нужна та или иная функция.

• Выходная частота или диапазон ее изменения. Здесь все ясно. Этот параметр описывает возможности изменения выходной частоты.
• Пределы регулирования напряжения. Нет даже вопросов.
• Тип преобразования частоты. Он может быть векторным и скалярным. Скаляр используется в простейших моделях. Параметры контролируются соотношением между напряжением и частотой. Векторный тип преобразования частоты в FM регулирует работу так, чтобы крутящий момент был постоянным по отношению к нагрузке. Этот способ контроля более сложен и надежен и применяется в более дорогих моделях.
• Наличие ПИД-регулятора. Поддерживает давление, температуру и скорость в заданных пределах (установленных ручкой или запрограммированных). Он должен иметь сигнальные выходы (аналоговые и / или цифровые) для связи с другими элементами управления).
• Регулировка скорости. Помогает стабилизировать двигатель при изменении мощности или скачках.

Перечень характеристик преобразователя частоты SV015IG5A-4

• Тип торможения. Обычно рекомендуется останавливать двигатель на выбеге: выключить питание и дождаться его остановки. Можно применять плавное торможение — постепенное снижение напряжения. Механическое торможение — когда скорость вращения вала тормозится трением. Ротор останавливается быстрее при динамическом торможении. В этом случае на одну из фаз подается постоянное напряжение. Он взаимодействует с ротором и за короткое время его останавливает.
• Количество выходов с разной частотой. Такой преобразователь частоты для электродвигателя может обслуживать одновременно несколько двигателей с разной скоростью вращения (фикс.

Помимо параметров и дополнительных возможностей, на работу влияет качество сборки. Конечно, лучше брать оборудование известных производителей. Компании ABB, Siemens, Mitsubishi, Omron доказали свою состоятельность. Но их частотные единицы дешевыми не назовешь. Если нужно сэкономить, а внешний вид не так важен, обратите внимание на отечественных и белорусских производителей. Внешний дизайн, как обычно, желает быть лучше, да и характеристики и стабильность работы неплохие.

Для каких целей необходим преобразователь частоты?

Это устройство имеет множество функций, но очень часто используется небольшое количество. Фактически, для управления асинхронным двигателем необходимо иметь возможность регулировать не только скорость вращения, но также время ускорения и замедления. Кроме того, защита необходима в любой системе. Преобразователь частоты должен учитывать ток, потребляемый асинхронным двигателем.

Частотомеры широко используются в системах вентиляции. Несмотря на кажущуюся легкость крыльчатки вентилятора, нагрузки на ротор очень велики. И мгновенное ускорение оказывается невозможным. Также бывают ситуации, когда необходимо увеличить скорость вращения, чтобы воздушного потока стало больше или меньше. Но это всего лишь пример, преобразователь частоты часто используется и в других системах. С помощью преобразователя частоты можно синхронизировать скорость конвейера, состоящего из нескольких лент.

Выпускаемые модели

Во многих сферах используются асинхронные двигатели, работа которых отличается высокими показателями стабильности и безопасности. Это особенно важно, так как каждое устройство имеет свои индивидуальные особенности, поэтому необходимы инверторы, обеспечивающие оптимизацию параметров их питания. В новую линейку оборудования вошли:

1. Emotron FDU 2.0 — преобразователь частоты последнего поколения шведской компании Emotron. Устройство работает в диапазоне от 0,75 до 1,6 кВт и рассчитано на разные группы напряжений: 3 × 380 В, 3 × 500 В, 3 × 690 В. Инвертор в основном используется для насосного оборудования или вентиляции.
2. Emotron серии CDU / CDX — это оборудование, предназначенное для управления работой лифта. Инверторы этой марки устанавливаются как на новые лифты, так и при модернизации старых конструкций. Их монтируют в машинном отделении или непосредственно у шахты.
3. «Лидер»: преобразователь частоты используется для управления асинхронными двигателями в насосах, вентиляции, мельницах, дробилках, центрифугах и т.д. Устройство исключает наличие динамических ударов при пуске, что позволяет увеличить срок службы двигателя и механизма привода в 1,5-2 раза.
4. Серия Easydrive Smart — это инвертор с выходной мощностью от 1 Гц до 2 кГц. Отличается автоматическим определением параметров электродвигателя при неподвижном механизме. Устройство имеет семь программируемых переключающих входов, которые позволяют выполнять до 30 функций.

Все модели позволяют изменять направление вращения вала электродвигателя, экономя основные энергоресурсы и снижая эксплуатационные расходы.

Разница типов сигналов управления

При проектировании цеха очень важно учесть, что связь преобразователей частоты с диспетчерским пультом будет происходить с помощью электрических импульсов через кабели связи. Но не забывайте, что разные стандарты общения по-разному влияют друг на друга. Следовательно, передача данных одним способом может значительно снизить качество передачи данных другим способом.
Поэтому расчет преобразователя частоты для асинхронного двигателя должен производиться не только по его электрическим характеристикам, но и по его совместимости с сетью.

Как выбирать

Для производителей преобразователей частоты и другого электронного оборудования основным средством завоевания рынка является цена. Чтобы его уменьшить, создают устройства с минимальным набором функций. Следовательно, чем универсальнее та или иная модель, тем выше ее цена. Для нас это очень важно, поскольку для эффективной и дли�