Принцип работы частотного преобразователя или как его часто называют - инвертора: переменное напряжение промышленной сети выпрямляется блоком выпрямительных диодов и фильтруется батареей конденсаторов большой емкости для минимизации пульсаций полученного напряжения. Это напряжение подается на мостовую схему, включающую шесть управляемых IGBT или MOSFET транзисторов с диодами, включенными антипараллельно для защиты транзисторов от пробоя напряжением обратной полярности, возникающем при работе с обмотками двигателя. Кроме того, в схему иногда включают цепь "слива" энергии - транзистор с резистором большой мощности рассеивания. Эту схему используют в режиме торможения, чтобы гасить генерируемое напряжение двигателем и обезопасить конденсаторы от перезарядки и выхода из строя.
Блок-схема инвертора показана ниже.
Частотный преобразователь в комплекте с асинхронным электродвигателем позволяет заменить электропривод постоянного тока. Системы регулирования скорости двигателя постоянного тока достаточно просты, но слабым местом такого электропривода является электродвигатель. Он дорог и ненадежен. При работе происходит искрение щеток, под воздействием электроэрозии изнашивается коллектор. Такой электродвигатель не может использоваться в запыленной и взрывоопасной среде.
Асинхронные электродвигатели превосходят двигатели постоянного тока по многим параметрам: они просты по устройству и надежны, так как не имеют подвижных контактов. Они имеют меньшие по сравнению с двигателями постоянного тока размеры, массу и стоимость при той же мощности. Асинхронные двигатели просты в изготовлении и эксплуатации.
Основной недостаток асинхронных электродвигателей – сложность регулирования их скорости традиционными методами (изменением питающего напряжения, введением дополнительных сопротивлений в цепь обмоток).
Управление асинхронным электродвигателем в частотном режиме до недавнего времени было большой проблемой, хотя теория частотного регулирования была разработана еще в тридцатых годах. Развитие частотно-регулируемого электропривода сдерживалось высокой стоимостью преобразователей частоты. Появление силовых схем с IGBT-транзисторами, разработка высокопроизводительных микропроцессорных систем управления позволило различным фирмам Европы, США и Японии создать современные преобразователи частоты доступной стоимости.
Регулирование частоты вращения исполнительных механизмов можно осуществлять при помощи различных устройств: механических вариаторов, гидравлических муфт, дополнительно вводимыми в статор или ротор резисторами, электромеханическими преобразователями частоты, статическими преобразователями частоты.
Применение первых четырех устройств не обеспечивает высокого качества регулирования скорости, неэкономично, требует больших затрат при монтаже и эксплуатации. Статические преобразователи частоты являются наиболее совершенными устройствами управления асинхронным приводом в настоящее время.
Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту f1 питающего напряжения, можно в соответствии с выражением
неизменном числе пар полюсов p изменять угловую скорость магнитного поля статора.
Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.
Регулирование скорости при этом не сопровождается увеличением скольжения асинхронного двигателя, поэтому потери мощности при регулировании невелики.
Для получения высоких энергетических показателей асинхронного двигателя – коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности – необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение.
Закон изменения напряжения зависит от характера момента нагрузки Mс. При постоянном моменте нагрузки Mс=const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте:
Для вентиляторного характера момента нагрузки это состояние имеет вид:
При моменте нагрузки, обратно пропорциональном скорости:
Таким образом, для плавного бесступенчатого регулирования частоты вращения вала асинхронного электродвигателя, преобразователь частоты должен обеспечивать одновременное регулирование частоты и напряжения на статорной обмотке асинхронного двигателя.
Преимущества использования регулируемого электропривода в технологических процессах
Применение регулируемого электропривода обеспечивает энергосбережение и позволяет получать новые качества систем и объектов. Значительная экономия электроэнергии обеспечивается за счет регулирования какого-либо технологического параметра. Если это транспортер или конвейер, то можно регулировать скорость его движения. Если это насос или вентилятор – можно поддерживать давление или регулировать производительность. Если это станок, то можно плавно регулировать скорость подачи или главного движения.
Особый экономический эффект от использования преобразователей частоты дает применение частотного регулирования на объектах, обеспечивающих транспортировку жидкостей. До сих пор самым распространённым способом регулирования производительности таких объектов является использование задвижек или регулирующих клапанов, но сегодня доступным становится частотное регулирование асинхронного двигателя, приводящего в движение, например, рабочее колесо насосного агрегата или вентилятора. При использовании частотных регуляторов обеспечивается плавная регулировка скорости вращения позволяет в большинстве случаев отказаться от использования редукторов, вариаторов, дросселей и другой регулирующей аппаратуры.
При подключении через частотный преобразователь пуск двигателя происходит плавно, без пусковых токов и ударов, что снижает нагрузку на двигатель и механизмы, тем самым увеличивает срок их службы.
Перспективность частотного регулирования наглядно видна из рисунка
Таким образом, при дросселировании поток вещества, сдерживаемый задвижкой или клапаном, не совершает полезной работы. Применение регулируемого электропривода насоса или вентилятора позволяет задать необходимое давление или расход, что обеспечит не только экономию электроэнергии, но и снизит потери транспортируемого вещества.
Структура частотного преобразователя
Большинство современных преобразователей частоты построено по схеме двойного преобразования. Они состоят из следующих основных частей: звена постоянного тока (неуправляемого выпрямителя), силового импульсного инвертора и системы управления.
Звено постоянного тока состоит из неуправляемого выпрямителя и фильтра. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в нем в напряжение постоянного тока.
Силовой трехфазный импульсный инвертор состоит из шести транзисторных ключей. Каждая обмотка электродвигателя подключается через соответствующий ключ к положительному и отрицательному выводам выпрямителя. Инвертор осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в трехфазное переменное напряжение нужной частоты и амплитуды, которое прикладывается к обмоткам статора электродвигателя.
В выходных каскадах инвертора в качестве ключей используются силовые IGBT-транзисторы. По сравнению с тиристорами они имеют более высокую частоту переключения, что позволяет вырабатывать выходной сигнал синусоидальной формы с минимальными искажениями.
Принцип работы преобразователя частоты
Преобразователь частоты состоит из неуправляемого диодного силового выпрямителя В, автономного инвертора, системы управления ШИМ, системы автоматического регулирования, дросселя Lв и конденсатора фильтра Cв. Регулирование выходной частоты fвых. и напряжения Uвых осуществляется в инверторе за счет высокочастотного широтно-импульсного управления.
Широтно-импульсное управление характеризуется периодом модуляции, внутри которого обмотка статора электродвигателя подключается поочередно к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя.
Длительность этих состояний внутри периода ШИМ модулируется по синусоидальному закону. При высоких (обычно 2…15 кГц) тактовых частотах ШИМ, в обмотках электродвигателя, вследствие их фильтрующих свойств, текут синусоидальные токи.
Таким образом, форма кривой выходного напряжения представляет собой высокочастотную двухполярную последовательность прямоугольных импульсов (рис. 3).
Частота импульсов определяется частотой ШИМ, длительность (ширина) импульсов в течение периода выходной частоты АИН промодулирована по синусоидальному закону. Форма кривой выходного тока (тока в обмотках асинхронного электродвигателя) практически синусоидальна.
Регулирование выходного напряжения инвертора можно осуществить двумя способами: амплитудным (АР) за счет изменения входного напряжения Uв и широтно-импульсным (ШИМ) за счет изменения программы переключения вентилей V1-V6 при Uв = const.
Второй способ получил распространение в современных преобразователях частоты благодаря развитию современной элементной базы (микропроцессоры, IBGT-транзисторы). При широтно-импульсной модуляции форма токов в обмотках статора асинхронного двигателя получается близкой к синусоидальной благодаря фильтрующим свойствам самих обмоток.
Такое управление позволяет получить высокий КПД преобразователя и эквивалентно аналоговому управлению с помощью частоты и амплитуды напряжения.
Современные инверторы выполняются на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов – запираемых GTO – тиристоров, либо биполярных IGBT-транзисторов с изолированным затвором. На рис. 2.45 представлена 3-х фазная мостовая схема автономного инвертора на IGBT-транзисторах.
Она состоит из входного емкостного фильтра Cф и шести IGBT-транзисторов V1-V6 включенными встречно-параллельно диодами обратного тока D1-D6.
За счет поочередного переключения вентилей V1-V6 по алгоритму, заданному системой управления, постоянное входной напряжение Uв преобразуется в переменное прямоугольно-импульсное выходное напряжение. Через управляемые ключи V1-V6 протекает активная составляющая тока асинхронного электродвигателя, через диоды D1-D6 – реактивная составляющая тока.
И – трехфазный мостовой инвертор;
В – трехфазный мостовой выпрямитель;
Сф – конденсатор фильтра;
Вариант схемы подключения частотного преобразователя фирмы Omron.
Подключение частотных преобразователей с соблюдением требований ЭМС
Монтаж и подключение с соблюдением требований ЭМС подробно описаны в соответствующих руководствах на устройства.
Техническая информация преобразователи
Режимы работы центробежных насосов энергетически наиболее эффективно регулировать путем изменения частоты вращения их рабочих колес. Частота вращения рабочих колес может быть изменена, если в качестве приводного двигателя используются регулируемый электропривод.
Устройство и характеристики газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания таковы, что они могут обеспечить изменение частоты вращения в необходимом диапазоне.
Процесс регулирования частоты вращения любого механизма удобно анализировать с помощью механических характеристик агрегата.
Рассмотрим механические характеристики насосного агрегата, состоящего из насоса и электродвигателя. На рис. 1 представлены механические характеристики центробежного насоса, оборудованного обратным затвором (кривая 1) и электродвигателя с короткозамкнутым ротором (кривая 2).
Рис. 1. Механические характеристики насосного агрегата
Разница значений вращающего момента электродвигателя и момента сопротивления насоса называется динамическим моментом. Если вращающий момент двигателя больше момента сопротивления насоса, динамический момент считается положительным, если меньше - отрицательным.
Под воздействием положительного динамического момента насосный агрегат начинает работать с ускорением, т.е. разгоняется. Если динамический момент отрицательный, насосный агрегат работает с замедлением, т.е. тормозится.
При равенстве этих моментов имеет место установившийся режим работы, т.е. насосный агрегат работает с постоянной частотой вращения. Эта частота вращения и соответствующий ей момент определяются пересечением механических характеристик электродвигателя и насоса (точка а на рис. 1).
Если в процессе регулирования тем или иным способом изменить механическую характеристику, например сделать ее более мягкой за счет введения дополнительного резистора в роторную цепь электродвигателя (кривая 3 на рис. 1), момент вращения электродвигателя станет меньше момента сопротивления.
Под воздействием отрицательного динамического момента насосный агрегат начинает работать с замедлением, т.е. тормозится до тех пор, пока вращающий момент и момент сопротивления опять не уравновесятся (точка б на рис. 1). Этой точке соответствует своя частота вращения и свое значение момента.
Таким образом, процесс регулирования частоты вращения насосного агрегата непрерывно сопровождается изменениями вращающего момента электродвигателя и момента сопротивления насоса.
Регулирование частоты вращения насоса может осуществляться или изменением частоты вращения электродвигателя, жестко соединенного с насосом, или изменением передаточного отношения трансмиссии, соединяющей насос с электродвигателем, который работает с постоянной скоростью.
Регулирование частоты вращения электродвигателей
В насосных установках используются преимущественно двигатели переменного тока. Частота вращения электродвигателя переменного тока зависит от частоты питающего тока f, числа пар полюсов р и скольжения s. Изменив один или несколько из этих параметров можно изменить частоту вращения электродвигателя и сочлененного с ним насоса.
Основным элементом частотного электропривода является . В преобразователе постоянная частота питающей сети f1 преобразуется в переменную f 2. Пропорционально частоте f 2 изменяется частота вращения электродвигателя, подключенного к выходу преобразователя.
С помощью частотного преобразователя практически неизменные сетевые параметры напряжение U1 и частота f1 преобразуются в изменяемые параметры U2 и f 2, требуемые для системы управления. Для обеспечения устойчивой работы электродвигателя, ограничения его перегрузки по току и магнитному потоку, поддержания высоких энергетических показателей в частотном преобразователе должно поддерживаться определенное соотношение между его входными и выходными параметрами, зависящее от вида механической характеристики насоса. Эти соотношения получаются из уравнения закона частотного регулирования.
Для насосов должно соблюдаться соотношение:U1/f1 = U2/f2 = const
На рис. 2 представлены механические характеристики асинхронного электродвигателя при частотном регулировании. При уменьшении частоты f2 механическая характеристика не только меняет свое положение в координатах n - М, но несколько изменяет свою форму. В частности, снижается максимальный момент электродвигателя. Обусловлено это тем, что при соблюдении соотношения U1/f1 = U2/f2 = const
и изменении частоты f1 не учитывается влияние активного сопротивления статора на величину вращающего момента двигателя.
Рис. 2. Механические характеристики частотного электропривода при максимальных (1) и пониженных (2) частотах
При частотном регулировании с учетом этого влияния максимальный момент остается неизменным, форма механической характеристики сохраняется, меняется только ее положение.
Частотные преобразователи с имеют высокие энергетические характеристики за счет того, что на выходе преобразователя обеспечивается форма кривых тока и напряжения, приближающаяся к синусоидальной. В последнее время наибольшее распространение получили частотные преобразователи на IGBT-модулях (биполярных транзисторах с изолированным затвором).
IGBT-модуль является высокоэффективным ключевым элементом. Он обладает малым падением напряжения, высокой скоростью и малой мощностью переключения. Преобразователь частоты на IGBT-модулях с ШИМ и векторным алгоритмом управления асинхронным электродвигателем имеет преимущества по сравнению с другими типами преобразователей. Он характеризуется высоким значением коэффициента мощности во всем диапазоне изменения выходной частоты.
Принципиальная схема преобразователя представлена на рис. 3.
Рис. 3. Схема частотного преобразователя на IGBT-модулях: 1 - блок вентиляторов; 2 - источник питания; 3 - выпрямитель неуправляемый; 4 - панель управления; 5 - плата пульта управления; 6 - ШИМ; 7 - блок преобразования напряжения; 8 - плата системы регулирования; 9 - драйверы; 10 - предохранители блока инвертора; 11 - датчики тока; 12 - асинхронный короткозамкнутый двигатель; Q1, Q2, Q3 - выключатели силовой цепи, цепи управления и блока вентиляторов; K1, К2 - контакторы заряда конденсаторов и силовой цепи; С - блок конденсаторов; Rl, R2, R3 - резисторы ограничения тока заряда конденсаторов, разряда конденсаторов и узла слива; VT - силовые ключи инвертора (IGBT-модули)
На выходе частотного преобразователя формируется кривая напряжения (тока), несколько отличающаяся от синусоиды, содержащая высшие гармонические составляющие. Их наличие влечет за собой увеличение потерь в электродвигателе. По этой причине при работе электропривода на частотах вращения, близких к номинальной, происходит перегрузка электродвигателя.
При работе на пониженных частотах вращения ухудшаются условия охлаждения самовентилируемых электродвигателей, применяемых в приводе насосов. В обычном диапазоне регулирования насосных агрегатов (1:2 или 1:3) это ухудшение условий вентиляции компенсируется существенным снижением нагрузки за счет уменьшения подачи и напора насоса.
При работе на частотах, близких к номинальному значению (50 Гц), ухудшение условий охлаждения в сочетании с появлением гармоник высших порядков требует снижения допустимой механической мощности на 8 - 15%. Из-за этого максимальный момент электродвигателя снижается на 1 - 2%, его КПД - на 1 - 4%, cosφ - на 5 - 7%.
Во избежание перегрузки электродвигателя необходимо или ограничить верхнее значение его частоты вращения, или оснастить привод более мощным электродвигателем. Последняя мера обязательна тогда, когда предусматривается работа насосного агрегата с частотой f 2 > 50 Гц. Ограничение верхнего значения частоты вращения двигателя осуществляется ограничением частоты f 2 до 48 Гц. Увеличение номинальной мощности приводного электродвигателя осуществляется с округлением до ближайшего стандартного значения.
Групповое управление регулируемыми электроприводами агрегатов
Многие насосные установки состоят из нескольких агрегатов. Как правило, регулируемым электроприводом оборудуются не все агрегаты. Из двух-трех установленных агрегатов регулируемым электроприводом достаточно оснастить один. Если один преобразователь постоянно подключен к одному из агрегатов, имеет место неравномерное расходование их моторесурса, поскольку агрегат, оснащенный регулируемым приводом, используется в работе значительно большее время.
Для равномерного распределения нагрузки между всеми агрегатами, установленными на станции, разработаны станции группового управления, с помощью которых агрегаты могут поочередно подключаться к преобразователю. Станции управления изготавливаются обычно для низковольтных (380 В) агрегатов.
Обычно низковольтные станции управления предназначены для управления двумя-тремя агрегатами. В состав низковольтных станций управления входят автоматические выключатели, обеспечивающие защиту от межфазных коротких замыканий и замыканий на землю, тепловые реле для защиты агрегатов от перегрузки, а также аппаратура управления (ключи, и пр.).
Схема коммутации станции управления содержит в своем составе необходимые блокировки, позволяющие произвести подключение преобразователя частоты к любому выбранному агрегату и осуществить замену работающих агрегатов без нарушения технологического режима работы насосной или воздуходувной установки.
Станции управления, как правило, наряду с силовыми элементами (автоматическими выключателями, контакторами и т.п.) содержат в своем составе управляющие и регулирующие устройства (микропроцессорные контроллеры и пр.).
По требованию заказчика станции комплектуются устройствами автоматического включения резервного питания (АВР), коммерческого учета потребляемой электроэнергии, управления запорной аппаратурой.
При необходимости в состав станции управления вводятся дополнительные аппараты, обеспечивающие использование наряду с частотным преобразователем устройства плавного пуска агрегатов.
Автоматизированные станции управления обеспечивают:
поддержание заданного значения технологического параметра (давления, уровня, температуры и др.);
контроль режимов работы электродвигателей регулируемых и нерегулируемых агрегатов (контроль потребляемого тока, мощности) и их защиту;
автоматическое включение в работу резервного агрегата при аварии основного;
переключение агрегатов непосредственно на сеть при выходе из строя частотного преобразователя;
автоматическое включение резервного (АВР) электрического ввода;
автоматическое повторное включение (АПВ) станции после пропажи и глубоких посадок напряжения в питающей электрической сети;
автоматическое изменение режима работы станции с остановкой и запуском агрегатов в работу в заданное время;
автоматическое включение в работу дополнительно нерегулируемого агрегата, если регулируемый агрегат, выйдя на номинальную частоту вращения, не обеспечивал требуемой подачи воды;
автоматическое чередование работающих агрегатов через заданные промежутки времени для обеспечения равномерного расходования моторесурса;
оперативное управление режимом работы насосной (воздуходувной) установки с панели управления или с диспетчерского пульта.
Рис. 4. Станция группового управления частотно-регулируемыми электроприводами насосов
Эффективность применения частотно-регулируемого электропривода в насосных установках
Применение частотно-регулиремого привода позволяет существенно экономить электроэнергию, т. к. дает возможность использовать крупные насосные агрегаты в режиме малых подач. Благодаря этому можно, увеличив единичную мощность агрегатов, уменьшить их общее число, и следовательно, уменьшить габаритные размеры зданий, упростить гидравлическую схему станции, уменьшить число трубопроводной арматуры.
Таким образом, применение регулируемого электропривода в насосных установках позволяет наряду с экономией электроэнергии и воды уменьшить число насосных агрегатов, упростить гидравлическую схему станции, уменьшить строительные объемы здания насосной станции. В связи с этим возникают вторичные экономические эффекты: уменьшаются расходы на отопление, освещение и ремонт здания, приведенные затраты в зависимости от назначения станций и других конкретных условий могут быть сокращены на 20 - 50%.
В технической документации на преобразователи частоты указывается, что применение регулируемого электропривода в насосных установках позволяет экономить до 50% энергии, расходуемой на перекачку чистых и сточных вод, а сроки окупаемости составляют три - девять месяцев.
Вместе с тем расчеты и анализ эффективности регулируемого электропривода в действующих насосных установках показывает, что в небольших насосных установках с агрегатами мощностью до 75 кВт, особенно тогда, когда они работают с большой статической составляющей напора, оказывается нецелесообразным применение регулируемых электроприводов. В этих случаях можно использовать более простые системы регулирования с применением дросселирования, изменения числа работающих насосных агрегатов.
Применение регулируемого электропривода в системах автоматизации насосных установок, с одной стороны, уменьшает потребление энергии, с другой - требует дополнительных капитальных затрат, поэтому целесообразность применения регулируемого электропривода в насосных установок определяется сравнением приведенных затрат двух вариантов: базового и нового. За новый вариант принимается насосная установка, оснащенная регулируемым электроприводом, а за базовый - установка, агрегаты которой работают с постоянной частотой вращения.
Согласно последним данным статистики примерно 70% всей выработанной электроэнергии в мире потребляет электропривод. И с каждым годом этот процент растет.
При правильно подобранном способе управления электродвигателем возможно получение максимального КПД, максимального крутящего момента на валу электромашины, и при этом повысится общая производительность механизма. Эффективно работающие электродвигатели потребляют минимум электроэнергии и обеспечивают максимальную экономичность.
Для электродвигателей, работающих от преобразователя частоты ПЧ, эффективность во многом будет зависеть от выбранного способа управления электрической машиной. Только поняв достоинства каждого способа, инженеры и проектировщики систем электроприводов смогут получить максимальную производительность от каждого способа управления.
Содержание:
Способы контроля
Многие люди, работающие в сфере автоматизации, но не сталкивающиеся вплотную с процессами разработки и внедрения систем электроприводов полагают, что управление электродвигателем состоит из последовательности команд, вводимых с помощью интерфейса от пульта управления или ПК. Да, с точки зрения общей иерархии управления автоматизированной системой это правильно, однако есть еще способы управления самим электродвигателем. Именно эти способы и будут оказывать максимальное влияние на производительность всей системы.
Для асинхронных электродвигателей, подключенных к преобразователю частоты, существует четыре основных способа управления:
- U/f – вольт на герц;
- U/f с энкодером;
- Векторное управление с разомкнутым контуром;
- Векторное управление с замкнутым контуром;
Все четыре метода используют широтно-импульсную модуляцию ШИМ, которая изменяет ширину фиксированного сигнала путем изменения длительности импульсов для создания аналогового сигнала.
Широтно-импульсная модуляция применяется к преобразователю частоты путем использования фиксированного напряжения шины постоянного тока. путем быстрого открытия и закрытия (правильней сказать коммутации) генерируют выходные импульсы. Варьируя ширину этих импульсов на выходе получают «синусоиду» нужной частоты. Даже если форма выходного напряжения транзисторов импульсная, то ток все равно получается в виде синусоиды, так как электродвигатель имеет индуктивность, которая влияет на форму тока. Все методы управления основываются на ШИМ модуляции. Разница между методами управления заключается лишь в методе вычисления подаваемого напряжения на электродвигатель.
В данном случае несущая частота (показана красным) представляет собой максимальную частоту коммутации транзисторов. Несущая частота для инверторов, как правило, лежит в пределах 2 кГц – 15 кГц. Опорная частота (показана синим) представляет собой сигнал задания выходной частоты. Для инверторов применимых в обычных системах электроприводов, как правило, лежит в пределах 0 Гц – 60 Гц. При накладывании сигналов двух частот друг на друга, будет выдаваться сигнал открывания транзистора (обозначен черным цветом), который подводит силовое напряжение к электродвигателю.
Способ управления U/F
Управление вольт-на-герц, наиболее часто называемое как U/F, пожалуй, самый простой способ регулирования. Он часто используется в несложных системах электропривода из-за своей простоты и минимального количества необходимых для работы параметров. Такой способ управления не требует обязательной установки энкодера и обязательных настроек для частотно-регулируемого электропривода (но рекомендовано). Это приводит к меньшим затратам на вспомогательное оборудование (датчики, провода обратных связей, реле и так далее). Управление U/F довольно часто применяют в высокочастотном оборудовании, например, его часто используют в станках с ЧПУ для привода вращения шпинделя.
Модель с постоянным моментом вращения имеет постоянный вращающий момент во всем диапазоне скоростей при одинаковом соотношении U/F. Модель с переменным соотношением вращающего момента имеет более низкое напряжение питания на низких скоростях. Это необходимо для предотвращения насыщения электрической машины.
U/F — это единственный способ регулирования скорости асинхронного электродвигателя, который позволяет регулирование нескольких электроприводов от одного преобразователя частоты. Соответственно все машины запускаются и останавливаются одновременно и работают с одной частотой.
Но данный способ управления имеет несколько ограничений. Например, при использовании способа регулирования U/F без энкодера нет абсолютно никакой уверенности, что вал асинхронной машины вращается. Кроме того, пусковой момент электрической машины при частоте 3 Гц ограничивается 150%. Да, ограниченного крутящего момента более чем достаточно для применения в большинстве существующего оборудования. Например, практически все вентиляторы и насосы используют способ регулирования U/F.
Данный метод относительно прост из-за его более «свободной» спецификации. Регулирование скорости, как правило, лежит в диапазоне 2% — 3% максимальной выходной частоты. Отклик по скорости рассчитывается на частоту свыше 3 Гц. Скорость реагирования частотного преобразователя определяется быстротой его реакции на изменение опорной частоты. Чем выше скорость реагирования – тем быстрее будет реакция электропривода на изменение задания скорости.
Диапазон регулирования скорости при использовании способа U/F составляет 1:40. Умножив это соотношение на максимальную рабочую частоту электропривода, получим значение минимальной частоты, на которой сможет работать электрическая машина. Например, если максимальное значение частоты 60 Гц, а диапазон составляет 1:40, то минимальное значение частоты составит 1,5 Гц.
Паттерн U/F определяет соотношение частоты и напряжения в процессе работы частотно-регулируемого электропривода. Согласно ему, кривая задания скорости вращения (частота электродвигателя) будет определять помимо значения частоты еще и значения напряжения, подводимого к клеммам электрической машины.
Операторы и технические специалисты могут выбрать необходимый шаблон регулирования U/F одним параметром в современном частотном преобразователе. Предустановленные шаблоны уже оптимизированы под конкретные применения. Также существуют возможности создания своих шаблонов, которые будут оптимизироваться под конкретную систему частотно-регулируемого электропривода или электродвигателя.
Такие устройства как вентиляторы или насосы имеют момент нагрузки, который зависит от скорости их вращения. Переменный крутящий момент (рисунок выше) шаблона U/F предотвращает ошибки регулирования и повышает эффективность. Эта модель регулирования уменьшает токи намагничивания на низких частотах за счет снижения напряжения на электрической машине.
Механизмы с постоянным крутящим моментом, такие как конвейеры, экструдеры и другое оборудование используют способ регулирования с постоянным моментом. При постоянной нагрузке необходим полный ток намагничивания на всех скоростях. Соответственно характеристика имеет прямой наклон во всем диапазоне скоростей.
Способ управления U/F с энкодером
Если необходимо повысить точность регулирования скорости вращения в систему управления добавляют энкодер. Введение обратной связи по скорости с помощью энкодера позволяет повысить точность регулирования до 0,03%. Выходное напряжение по-прежнему будет определятся заданным шаблоном U/F.
Данный способ управления не получил широкого применения, так как представляемые им преимущества по сравнению со стандартными функциями U/F минимальны. Пусковой момент, скорость отклика и диапазон регулирования скорости – все идентично со стандартным U/F. Кроме того, при повышении рабочих частот могут возникнуть проблемы с работой энкодера, так как он имеет ограниченное количество оборотов.
Векторное управление без обратной связи
Векторное управление (ВУ) без обратной связи используется для более широкого и динамичного регулирования скорости электрической машины. При пуске от преобразователя частоты электродвигатели могут развивать пусковой момент в 200% от номинального при частоте всего 0,3 Гц. Это значительно расширяет перечень механизмов, где может быть применен асинхронный электропривод с векторным управлением. Этот метод также позволяет управлять моментом машины во всех четырех квадрантах.
Ограничение вращающего момента осуществляется двигателем. Это необходимо для предотвращения повреждения оборудования, машин или продукции. Значение моментов разбивают на четыре различных квадранта, в зависимости направления вращения электрической машины (вперед или назад) и в зависимости от того, реализует ли электродвигатель . Ограничения могут устанавливаться для каждого квадранта отдельно или же пользователь может задать общий вращающий момент в преобразователе частоты.
Двигательный режим асинхронной машины будет при условии, что магнитное поле ротора отстает от магнитного поля статора. Если магнитное поле ротора начнет опережать магнитное поле статора, то тогда машина войдет в режим рекуперативного торможения с отдачей энергии, проще говоря – асинхронный двигатель перейдет в генераторный режим.
Например, машина по закупорке бутылок может использовать ограничение момента в квадранте 1 (направление вперед с положительным моментом) для предотвращения чрезмерного затягивания крышки бутылки. Механизм производит движение вперед и использует положительный момент для того, чтобы закрутить крышку бутылки. А вот устройство, такое как лифт, с противовесом тяжелее, чем пустая кабина, будет использовать квадрант 2 (обратное вращение и положительный момент). Если кабина подымается на верхний этаж, то крутящий момент будет противоположен скорости. Это необходимо для ограничения скорости подъема и недопущения свободного падения противовеса, так как он тяжелее, чем кабина.
Обратная связь по току в данных преобразователях частоты ПЧ позволяет устанавливать ограничения по моменту и току электродвигателя, поскольку при увеличении тока растет и момент. Выходное напряжение ПЧ может изменятся в сторону увеличения, если механизм требует приложения большего крутящего момента, или уменьшатся, если достигнуто его предельно допустимое значение. Это делает принцип векторного управления асинхронной машиной более гибким и динамичным по сравнению с принципом U/F.
Также частотные преобразователи с векторным управлением и разомкнутым контуром имеют более быстрый отклик по скорости – 10 Гц, что делает возможным его применение в механизмах с ударными нагрузками. Например, в дробилках горной породы нагрузка постоянно меняется и зависит от объема и габаритов обрабатываемой породы.
В отличии от шаблона управления U/F векторное управление использует векторный алгоритм, для определения максимально эффективного напряжения работы электродвигателя.
Векторное управления ВУ решает данную задачу благодаря наличию обратной связи по току двигателя. Как правило, обратная связь по току формируется внутренними трансформаторами тока самого преобразователя частоты ПЧ. Благодаря полученному значению тока преобразователь частоты проводит вычисления вращающего момента и потока электрической машины. Базовый вектор тока двигателя математически расщепляется на вектор тока намагничивания (I d) и крутящего момента (I q).
Используя данные и параметры электрической машины ПЧ вычисляет векторы тока намагничивания (I d) и крутящего момента (I q). Для достижения максимальной производительности, преобразователь частоты должен держать I d и I q разведенными на угол 90 0 . Это существенно, так как sin 90 0 = 1, а значение 1 представляет собой максимальное значение крутящего момента.
В целом векторное управление асинхронным электродвигателем осуществляет более жесткий контроль. Регулирование скорости составляет примерно ±0,2% от максимальной частоты, а диапазон регулирования достигает 1:200, что позволяет сохранять вращающий момент при работе на низких скоростях.
Векторное управление с обратной связью
Векторное управление с обратной связью использует тот же алгоритм управления, что и ВУ без обратной связи. Основное различие заключается в наличии энкодера, что дает возможность частотно-регулируемому электроприводу развивать 200% пусковой момент при скорости 0 об/мин. Этот пункт просто необходим для создания начального момента при трогании с места лифтов, кранов и других подъемных машин, чтоб не допустить просадки груза.
Наличие датчика обратной связи по скорости позволяет увеличить время отклика системы более 50 Гц, а также расширить диапазон регулирования скорости до 1:1500. Также наличие обратной связи позволяет управлять не скоростью электрической машиной, а моментом. В некоторых механизмах именно значение момента имеет большую важность. Например, мотальная машина, механизмы закупорки и другие. В таких устройствах необходимо регулировать момент машины.
В асинхронных электрических двигателях возникает необходимость регулировки частоты вращения ротора. С этой целью используется частотно-регулируемый привод, основным элементом которого является частотный преобразователь. В его конструкцию входит мост постоянного тока, он же - выпрямитель, преобразующий промышленный переменный ток в постоянный. Другая важная деталь - инвертор, выполняющий обратное преобразование постоянного тока в переменный с необходимой частотой и амплитудой.
Принцип работы частотно регулируемого привода
Асинхронные двигатели широко применяются в промышленности и на транспорте, являясь основной движущей силой узлов, машин и механизмов. Они отличаются высокой надежностью и сравнительно легко поддаются ремонту.
Однако данные устройства могут вращаться только на одной частоте, которую имеет питающая сеть переменного тока. Для работы в различных диапазонах используются специальные устройства - частотные преобразователи, выполняющие регулировку частот до требуемых параметров.
Работа преобразователей тесно связана с принципом действия асинхронного двигателя. Его статор состоит из трех обмоток к каждой из которых подведен электрический ток, создающий переменное магнитное поле. Под действием этого поля в роторе индуцируется ток, который также приводит к возникновению магнитного поля. В результате взаимодействия полей статора и ротора, начинается вращение ротора.
Когда асинхронный двигатель запускается, происходит значительное потребление тока от питающей сети. Из-за этого привод механизма испытывает значительную перегрузку. Наблюдается скачкообразное стремление двигателя достичь номинальных оборотов. В результате, снижается срок службы не только самого агрегата, но и тех устройств, которые он приводит в действие.
Данная проблема успешно решается путем использования частотно регулируемого привода, позволяющего изменять частоту напряжения, питающего двигатель. Применение современных электронных компонентов делает эти устройства малогабаритными и высокоэффективными.
Принцип работы частотного преобразователя достаточно простой. Вначале осуществляется подача сетевого напряжения к выпрямителю, где происходит его трансформация в постоянный ток. Затем он сглаживается конденсаторами и поступает на транзисторный преобразователь. Его транзисторы в открытом состоянии обладают крайне малым сопротивлением. Их открытие и закрытие происходит в определенное время при помощи электронного управления. Происходит формирование напряжения, аналогичного трехфазному, когда фазы смещаются относительно друг друга. Импульсы имеют прямоугольную форму, однако это совершенно не влияет на работу двигателя.
Частотные преобразователи имеют большое значение при работе . При такой схеме подключения необходимо использование фазосдвигающего конденсатора для создания вращающего момента. Эффективность агрегата заметно падает, однако частотный преобразователь увеличить его производительность.
Таким образом, применение частотно регулируемого электропривода делает управление трехфазными двигателями переменного тока более эффективным. В результате, улучшаются производственные технологические процессы, а энергоресурсы используются более рационально.
Преимущества и недостатки устройств регулировки частоты
Данные регулировочные устройства обладают несомненными достоинствами и дают высокий экономический эффект. Они отличаются высокой точностью регулировок, обеспечивают пусковой момент равный максимальному. При необходимости электродвигатель может работать с неполной нагрузкой, что позволяет существенно экономить электроэнергию. Регулировщики частоты заметно продлевают срок эксплуатации оборудования. При плавном пуске двигателя, его износ становится намного меньше.
Частотно регулируемый привод поддается удаленной диагностике по промышленной сети. Это позволяет вести учет отработанных моточасов, распознавать выпадающие фазы во входных и выходных цепях, а также выявлять другие дефекты и неисправности.
К регулировочному устройству могут подключаться различные датчики, которые дают возможность настройки каких-либо величин, например, давления. Если сетевое напряжение неожиданно пропало, включается система управляемого торможения и автоматического перезапуска. Скорость вращения стабилизируется при изменяющейся нагрузке. Частотно регулируемый привод становится альтернативной заменой автоматического выключателя.
В качестве основного недостатка следует отметить создание помех большинством моделей таких устройств. Для обеспечения нормальной работы необходимо устанавливать фильтры высокочастотных помех. Кроме того, повышенная мощность частотно регулируемых приводов значительно поднимает их стоимость, поэтому минимальный срок окупаемости составляет 1-2 года.
Применение регулировочных устройств
Частотно регулировочные устройства применяются во многих сферах - в промышленности и в быту. Ими оборудуются прокатные станы, конвейеры, резательные автоматы, вентиляторы, компрессоры, мешалки, бытовые стиральные машины и кондиционеры. Приводы хорошо зарекомендовали себя в городском троллейбусном транспорте. Использование частотно регулируемых приводов в станках с числовым программным управлением позволяет синхронизировать движения сразу в направлении многих осей.
Максимальный экономический эффект эти системы дают при их использовании в различном насосном оборудовании. Стандартное любых типов заключается в регулировке дросселей, устанавливаемых в напорных линиях и определении числа действующих агрегатов. За счет этого удается получить определенные технические параметры, такие как давление в трубопроводе и другие.
Насосы имеют постоянную частоту вращения и не учитывают изменяющийся расход в результате переменного водопотребления. Даже в случае минимального расхода насосы будут поддерживать постоянную частоту вращения, приводя к созданию избыточного давления в сети и вызывая аварийные ситуации. Все это сопровождается значительным бесполезным расходом электроэнергии. В основном это происходит в ночное время при резком падении водопотребления.
С появлением частотно регулируемого привода появилась возможность поддержки постоянного давления непосредственно у потребителей. Данные системы хорошо зарекомендовали себя в совокупности с асинхронными двигателями общего назначения. Регулировка частоты позволяет изменять скорость вращения вала, делая ее более высокой или низкой по сравнению с номинальной. Датчик давления, установленный у потребителя, передает информацию на частотно регулируемый привод, который, в свою очередь, изменяет частоту, поступающую к двигателю.
Современные регулирующие устройства отличаются компактными размерами. Они размещаются в корпусе, защищенном от пыли и влаги. Благодаря удобному интерфейсу, приборы могут эксплуатироваться даже в наиболее сложных условиях, при широком диапазоне мощности - от 0,18 до 630 киловатт и напряжении 220/380 вольт.
