Частотные преобразователи: принцип работы, как выбрать и правильно смонтировать

Содержание:

• Основная информация о частотных преобразователях
• Принцип действия частотного преобразователя
• Основные классификационные признаки и параметры выбора частотных преобразователей
• Типичные ошибки при выборе и монтаже частотных преобразователей
• Популярные модели частотных преобразователей: обзор решений рынка

Изобретателем электродвигателя, обеспечивающего прямое вращение вала, принято считать русского физика немецкого происхождения Бориса Семеновича Якоби. Ученый создал устройство в 1834 году. Электродвигатели нашли применение в быту, промышленности, транспорте и жилищно-коммунальном хозяйстве. С момента появления этих агрегатов инженеры стремились повысить их эффективность и надежность, увеличить удельную мощность. Одновременно проводились исследования по управлению механическими характеристиками электродвигателей. К важным параметрам, которые необходимо контролировать, относятся скорость и направление вращения, мощность на валу, крутящий момент, момент инерции, КПД и момент скольжения.

Этот материал познакомит вас с современными методами регулировки характеристик электродвигателей посредством частотных преобразователей. Такие системы широко применяются в станках, автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП), насосном оборудовании, а также в устройствах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC).

Основная информация о частотных преобразователях

Частотные преобразователи — это силовые электронные устройства, которые автоматически изменяют частоту и амплитуду тока, подаваемого на электродвигатель. Благодаря этому регулируется скорость вращения его вала.

У такого оборудования есть несколько основных функций.

• Плавный запуск и остановка двигателя, что снижает динамические нагрузки на его узлы и предотвращает работу на оборотах, близких к механическому резонансу, благодаря адаптивной настройке режимов. Это способствует увеличению срока службы мотора.
• Подстройка мощности силовой установки под реальные нагрузки, что повышает эффективность работы и оптимизирует расход электроэнергии.
• Наличие встроенных систем защиты, которые помогают избежать аварийных ситуаций.
• Обеспечение стабильной работы техники даже при нестабильном электроснабжении с автоматическим перезапуском после кратковременных отключений питания.

Частотные преобразователи рассчитаны на управление определенными типами электродвигателей. Они маркируются как Inverter Duty (с поддержкой инверторного управления).

Принцип действия частотного преобразователя

Частотные преобразователи управляют электродвигателями двумя основными методами: скалярным и векторным.

При скалярном управлении изменяется частота и напряжение питания двигателя. Из-за этого метод также называют вольт-частотным. Он применим для асинхронных двигателей малой и средней мощности. Скалярные преобразователи характеризуются простотой конструкции, надежностью, низкой стоимостью. Они могут одновременно управлять несколькими двигателями и имеют невысокие требования к вычислительным ресурсам. Однако у них ограниченная точность управления крутящим моментом, невысокая динамика и КПД. Такой метод широко используется в насосах, вентиляционном оборудовании, на конвейерах и в простых станках.

Устройство скалярного преобразователя включает силовой блок и блок управления. Оба этих компонента устроены довольно просто. Силовой блок состоит из выпрямителя, фильтра, инвертора и датчиков тока. К нему подключен трехфазный электродвигатель. Выпрямитель и фильтр преобразуют входное переменное напряжение в постоянное. После этого инвертор с помощью широтно-импульсной модуляции формирует выходной сигнал, изменяющий амплитуду и частоту в соответствии с текущими требованиями двигателя. При этом соотношение амплитуды и частоты поддерживается постоянным, а форма сигнала максимально приближена к синусоиде. Блок управления на базе микропроцессора обрабатывает данные с датчиков тока и оптимизирует работу силового блока. Он обеспечивает плавный пуск и защиту от перегрузок.

Векторное управление воздействует не только на параметры вольт-частотного сигнала, но и на фазу или магнитный поток статора двигателя. Этот метод применяется для управления как асинхронными, так и синхронными электродвигателями. Он отличается стабильной скоростью разгона, высокой точностью определения положения вала, оптимизацией крутящего момента с учетом нагрузки, а также более высоким КПД. Для реализации этого способа управления требуются значительные вычислительные ресурсы и сложные математические алгоритмы.

Обратная связь в векторных преобразователях обеспечивается датчиками положения ротора, такими как:

• квадратурный инкрементальный энкодер, фиксирующий относительное положение вала;
• датчик с эффектом Холла, обеспечивающий данные об абсолютном положении ротора, но с ограниченной точностью;
• цифровой абсолютный энкодер с улучшенной точностью и интерфейсом связи;
• аналоговый сельсинный датчик, использующий электромеханический принцип для высокоточного измерения положения ротора.

Векторное управление применяется в силовых установках большой мощности, грузоподъемных механизмах, высокопроизводительном вентиляционном оборудовании, автоматике, робототехнике и станках с числовым программным управлением, где критичны точность и динамика движения.

Основные классификационные признаки и параметры выбора частотных преобразователей

Преобразователи частоты делят по нескольким базовым признакам.

• По назначению: универсальные и промышленные.
• По типу управления: скалярные и векторные.
• По номинальной мощности: малой (до 6 кВт) и большой (свыше 6 кВт).
• По электропитанию: однофазные и трехфазные.
• По точности регулирования: высокоточные (от 0,01 %) и средней точности, значительно уступающие по показателям.
• По рабочему напряжению: низковольтные (до 1 кВ) и высоковольтные (более 1 кВ).
• По конфигурации: устройства с непосредственной связью и модели инверторного типа.
• По способу подключения двигателя: по схеме «звезда» или «треугольник».
• По конструктивному исполнению: стоечные, модульные и панельные.
• По уровню защиты: общетехнические классов IP20–IP40 и промышленные с защитой IP65.

При выборе преобразователя учитывают важные параметры:

1. Мощность выбирается согласно максимальной нагрузке, чтобы номинал устройства соответствовал пиковым требованиям для высокой надежности.
2. Тип двигателя влияет на совместимость. Преобразователи могут работать с асинхронными моторами с короткозамкнутым или фазным ротором, а также с синхронными двигателями.
3. Перегрузочная способность определяет устойчивость устройства к динамическим нагрузкам. Например, преобразователь для насоса с постоянной нагрузкой работает проще, чем для вентиляции. Ведь во втором случае нагрузка меняется из-за открытия и закрытия воздухозаборников, вызывая кратковременные перегрузки.
4. Условия эксплуатации — температура, влажность, давление, вибрации, особенности электросети — также критичны для долговременной работы преобразователя. Пренебрежение этими факторами может привести к поломке.
5. Схема подключения двигателя влияет на характеристики работы. Соединение «звезда» обеспечивает плавный запуск, но ограничивает мощность, тогда как «треугольник» увеличивает выходную мощность, но вызывает высокий стартовый ток.

По способу регулирования чаще используют скалярные преобразователи. Они просты и надежны, подходят для HVAC-систем, насосного и вентиляторного оборудования, конвейеров и станков с базовыми требованиями.

Векторные преобразователи применяются там, где важна высокая точность и динамика управления. Например, в текстильной, металлургической и пищевой промышленности, электроэнергетике, робототехнике, станках с ЧПУ и в лифтовом хозяйстве многоквартирных домов. Для точного контроля скорости в лифтах часто используют инкрементальные энкодеры.

Типичные ошибки при выборе и монтаже частотных преобразователей

Распространенные ошибки при выборе и установке частотных преобразователей включают неправильный подбор типа двигателя, пренебрежение условиями эксплуатации, несоблюдение требований электромагнитной совместимости. Также сюда относятся некорректные настройки программного обеспечения.

Одной из частых ошибок является выбор преобразователя, несовместимого с типом электродвигателя. Инверторное управление возможно только для асинхронных двигателей с короткозамкнутым или фазным ротором и синхронных моторов с маркировкой Inverter Duty.

Недооценка условий эксплуатации, например чрезмерной вибрации, может привести к выходу устройства из строя. В таких случаях рекомендуется выбирать другое место монтажа или использовать амортизаторы для снижения вибрационных нагрузок.

Проблемы с электромагнитной совместимостью связаны с тем, что преобразователь является источником радиопомех из-за частоты широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Высокая частота ШИМ увеличивает помехи. А это способно вызвать сбои в чувствительной электронике. Для предотвращения таких проблем применяют фильтры радиопомех, экранирование и удаленное размещение оборудования.

Некорректная настройка программного обеспечения влияет на работу устройства. Сюда относятся ошибки в параметрах двигателя, при управлении стартом и остановом, в настройках ПИД-регуляторов и прочих функций. Например, слишком высокая частота ШИМ при длинных линиях подключения приводит к потерям энергии и снижению КПД.

При монтаже важно строго придерживаться схем, рекомендованных производителем. Ошибочное подключение питающей сети к выходным клеммам вызовет повреждение преобразователя. Общая шина заземления может использоваться для нескольких устройств. Однако к ней не следует подключать сварочное и мощное оборудование.

Популярные модели частотных преобразователей: обзор решений рынка

На сайте Центра Измерительной Техники «ЭТАЛОНПРИБОР» представлен широкий выбор популярных моделей частотных преобразователей для различных задач промышленной автоматизации и управления электродвигателями. Вот краткий обзор ключевых моделей и линеек.

ПЧВ3 — векторные преобразователи частоты

• Новая серия ориентирована на управление насосами и вентиляторами.
• Отличается компактными размерами, расширенными функциями и широким диапазоном мощностей (например, модель ПЧВ3-90К-В — для двигателей до 90 кВт, выходной ток — до 180 А).
• Основное применение — системы инженерной инфраструктуры, HVAC, технологические линии.

INNOVERT VENT — преобразователи для вентиляторов

• Модельный ряд для трехфазных асинхронных двигателей вентиляторов, диапазон мощностей — от 0,4 кВт до 110 кВт.
• Характеристики INNOVERT VENT: класс защиты IP20, широкий диапазон температур, принудительное воздушное охлаждение.
• Предусмотрена работа как с пластиковым, так и с металлическим корпусом для разных мощностей.
• Есть поддержка различных вариантов монтажа, широкий набор рабочих токов.

VFD1 — универсальные бюджетные преобразователи

• Линейка VFD1 подходит для универсального применения с асинхронными приводами в промышленности и коммунальном хозяйстве.
• Особенности — простота настройки, доступная цена и надежность эксплуатации.

ПЧВ1 — преобразователи малой мощности

• Преобразователь ПЧВ1-1К5-А (1,5 кВт) рассчитан на питание от сети 220 В, имеет выходное напряжение 3 × 220 В.
• Поддерживает скалярное управление в диапазоне до 600 Гц.
• Предназначен для маломощных приводов, вентиляции, насосных станций, компактных станков.

Automation Drive FC 300

• Универсальный промышленный частотник с широким диапазоном напряжений: 200–240 В, 380–500 В, 525–600 В.
• Подходит как для традиционного, так и для промышленного управления высокомощными электродвигателями.

CONTROL-L620

• Продвинутая серия частотных преобразователей с многообразием режимов регулирования, защитой по току и набором сигнальных функций.
• Применяется для сложной промышленной автоматики и электроприводов.

При выборе важно учитывать максимальную мощность двигателя, функциональные возможности регулирования, условия эксплуатации и применяемый тип автоматизации. Оборудование от ведущих российских и зарубежных производителей, таких как ОВЕН, INNOVERT, VFD, Automation Drive и других, можно подобрать с учетом нужных параметров.

Автоматизация производственных процессов невозможна без интеграции современных электронных устройств. Использование силовой электроники сегодня позволяет достичь большей энергоэффективности, повысить качество управления приводами и продлить срок службы оборудования.

Помимо стандартных электронных методов, существуют и электромеханические варианты контроля электродвигателей. Это, например, регулировка числа пар полюсов или применение реостатов в роторной цепи. Однако такие решения считаются устаревшими из-за множества ограничений и недостатков, поэтому они здесь не рассматриваются.

Для подбора подходящего частотного преобразователя рекомендуется воспользоваться каталогом оборудования Центра Измерительной Техники «ЭТАЛОНПРИБОР» и советами специалистов профильного магазина.