Частотный преобразователь — устройство, принцип работы, назначение

Частотный преобразователь — электронное устройство для изменения частоты тока. Оно широко применяется для работы асинхронных электрических двигателей. Использование этого прибора позволяет продлить срок службы механизмов и увеличить экономию электроэнергии.

Достигается это тем, что преобразователь частоты (ПЧ) обеспечивает плавный пуск рабочего режима электрооборудования и его остановку.

Назначение преобразователей частоты

Преобразователи частоты (ПЧ) предназначены для регулирования скорости или момента электродвигателя в широком диапазоне и с максимальным КПД.

Преобразователь частоты обеспечивает полную защиту двигателя: от короткого замыкания на землю и между фазами, тепловую защиту от перегрузки по току и моменту.

Преобразователь частоты измеряет, регистрирует, отображает и передаёт по сети АСУ ТП параметры двигателя: ток, скорость, момент, мощность, напряжение, температуру, потреблённую электроэнергию

Частотный преобразователь обеспечивает:

  • высокий пусковой момент при низком пусковом токе и низких оборотах двигателя (за счёт эффективного управления электромагнитным полем)
  • высокий перегрузочный момент двигателя
  • длительный плавный разгон или останов двигателя с высокоинерционной нагрузкой
  • эффективное динамическое торможение двигателя
  • управление работой двигателя, как в двигательном, так и в генераторном режиме
  • максимальный КПД двигателя во всех режимах работы
  • управление электромагнитным тормозом (в подъёмниках)
  • ПИД-регулирование переменной процесса
  • работу двигателя с обратной связью по скорости и положению
  • локальное управление технологическим процессом (в ПЧ может быть встроен логический контроллер, расширяемые входы для подключения датчиков и выходы для управления исполнительными устройствами).

Классификация преобразователей частоты

По типу питающего напряжения преобразователи частоты делятся на разновидности:

  • однофазные;
  • трехфазные;
  • высоковольтные аппараты.

Основную задачу преобразователя частоты можно сформулировать следующим образом: перевод рабочего процесса на экономичный режим с помощью управления скоростью и моментом двигателя, согласно заданным техническим параметрам и характеру нагрузки.

При этом цифровой дисплейприбора показывает такие параметры работы системы, как:

  • величина I и U двигателя;
  • выходные значения частоты, скорости, мощности и момента (f, v, Р и М);
  • отображение состояния дискретных входовдля регулирования скорости вращения вала АД и дистанционного управления системой;
  • продолжительность работы самого частотного преобразователя.

По сфере использования типы инверторы бывают:

  • промышленного назначения мощностью до 315 кВт;
  • ПЧ с векторным управлением мощностью до 500 кВт;
  • для управления механизмами с насосно-вентиляторным типом нагрузки (Р 15 — 315 кВт);
  • частотники для кранов и других подъемных конструкций;
  • для применения в условиях взрывоопасности;
  • устанавливаемые ЧРП прямо на электродвигатель.

Устройство и назначение

Частотный преобразователь представляет собой набор схем, в которых тиристоры или транзисторы функционируют в режиме электронных ключей. Основное управление этими ключами осуществляет микропроцессор, который параллельно выполняет контроль, диагностику и защиту.

Часто преобразователь называют инвертором частотником. Существует два класса оборудования этого назначения:

  1. С прямой связью.
  2. С промежуточным звеном постоянного тока.

По своим характеристикам каждый класс обладает своими преимуществами и недостатками, которые и определяют место их конкретного использования. Управляемый выпрямитель считается основным электрическим устройством в инверторах с прямой связью. Во время работы он отключает тиристоры и подключает статорную обмотку электродвигателей к сети.

Преобразование выходного напряжения происходит за счет участков входного, поэтому их частота не может быть равна или больше питания, поступающего от источника. То есть она находится в пределах от 0 до 50 Гц, что приводит к слишком малому диапазону управления частотой вращения электродвигателя.

Эти параметры не позволяют подобные конструкции использовать в современных, регулируемых по частоте приводах.

Асинхронные электродвигатели требуют сложную регулировку вращения, которую и обеспечивают преобразователи частоты, создающие на выходе высокочастотное напряжение до 800 Гц.

Виды преобразователей частоты

Существует несколько типов частотников, которые на данный момент являются самыми распространенными для производства и использования:

Электромашинные (электроиндукционные) преобразователи: используются в тех случаях, когда невозможно или нецелесообразно применение электронных ПЧ. Конструктивно такие устройства являются асинхронными двигателями с фазным ротором, которые работают в режиме генератора-преобразователя.

Данные устройства являются преобразователями со скалярным управлением. На выходе из данного аппарата создается напряжение заданной амплитуды и частоты для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Они применяются в тех случаях, когда не требуется поддерживать скорость вращения ротора в зависимости от нагрузки (насосы, вентиляторы и прочее оборудование).

Электронные преобразователи: широко применяется в любых условиях работы для различного оборудования. Такие устройства являются векторными, они автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора и обеспечивают постоянное значение частоты вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

  1. Циклоконверторы;
  2. Циклоинверторы;
  3. ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока:
  • Частотный преобразователь источника тока;
  • Частотный преобразователь источника напряжения (с амплитудно- или широтно- импульсной модуляцией).

По сфере применения оборудование может быть:

  • для оборудования мощностью до 315 кВт;
  • векторные преобразователи для мощности до 500 кВт;
  • взрывозащищённые устройства для применения во взрывоопасных и запыленных условиях;
  • частотные преобразователи, монтируемые на электродвигатели;

Каждый тип частотного преобразователя имеет определенные преимущества и недостатки и применим для различного оборудования и нагрузок, а также условий работы.

Управление частотным преобразователем может быть ручным или внешним. Ручное управление осуществляется с пульта управления ПЧ, которым можно отрегулировать частоту вращения или остановить работу. Внешнее управление выполняется при помощи автоматических систем управления (АСУТП), которые могут контролировать все параметры устройства и позволяют переключать схему или режим работы (через ПЧ или байпас). Также внешнее управление позволяет программировать работу преобразователя в зависимости от условий работы, нагрузки, времени, что позволяет работать в автоматическом режиме.

Выпускаемые модели

Во многих областях применяются асинхронные двигатели, работа которых характеризуется высокими показателями устойчивости и безопасности. Это особенно важно, так как любое устройство обладает своими индивидуальными характеристиками, зачем и нужны инверторы, которые обеспечивают оптимизацию параметров их питания. К новой линейке оборудования относятся:

  1. Emotron FDU 2.0 — преобразователь частоты последнего поколения, выпускаемый шведской компанией Emotron. Устройство работает в диапазоне от 0,75 до 1,6 кВт и рассчитано на разные группы напряжения: 3×380 B, 3×500 B, 3×690 B. В основном инвертор используется для насосного или вентиляционного оборудования.
  2. Emotron серии CDU/CDX — оборудование, предназначенное для контроля за работой лифта. Инверторы этой марки устанавливаются как на новые лифты, так и для модернизации старых конструкций. Монтируются в машинном отделении или непосредственно рядом с шахтой.
  3. «Лидер» — преобразователь частоты применяется для управления асинхронными двигателями в насосном, вентиляционном оборудовании, мельницах, дробилках, центрифугах и так далее. Устройство исключает присутствие динамических ударов во время запуска, что позволяет в 1,5—2 раза увеличить срок службы двигателя и приводного механизма.
  4. Easydrive серии Smart — инвертор, обладающий выходной мощностью от 1 Гц до 2 кГц. Отличается автоматическим определением параметров электродвигателя, когда механизм неподвижен. Устройство обладает семью программируемыми входами переключения, которые позволяют выполнять до 30 функций.

Все модели позволяют менять направление вращения вала электродвигателя, экономить основные энергетические ресурсы, снижать эксплуатационные затраты.

Устройство и принцип действия

ПЧ — преобразователь частоты;
ИТ — преобразователь частоты источник тока;
ИН — преобразователь частоты источник напряжения;
АИМ — преобразователь частоты с амплитудно-импульсной модуляцией;
ШИМ — преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией

Функциональная схема преобразователя частоты, выполненного по схеме источника напряжения

Функциональная схема преобразователя частоты, выполненного по схеме источника тока

Электронный преобразователь частоты состоит из схем, в состав которых входит тиристор или транзистор, которые работают в режиме электронных ключей. В основе управляющей части находится микропроцессор, который обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

В зависимости от структуры и принципа работы электрического привода выделяют два класса преобразователей частоты:

  1. С непосредственной связью.
  2. С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока.

Каждый из существующих классов преобразователей имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область рационального применения каждого из них.

В преобразователях с непосредственной связью электрический модуль представляет собой управляемый выпрямитель. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает обмотки двигателя к питающей сети.

Таким образом, выходное напряжение преобразователя формируется из «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. Частота выходного напряжения у таких преобразователей не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 50 Гц, и как следствие — малый диапазон управления частотой вращения двигателя (не более 1 : 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров.

Использование незапираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают стоимость преобразователя. «Резаная» синусоида на выходе преобразователя с непосредственной связью является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению КПД системы в целом.

Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых модулях находят преобразователи с явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока. В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе, фильтруется фильтром, сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению КПД и к некоторому ухудшению массо-габаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Для формирования синусоидального переменного напряжения используют автономный инвертор, который формирует электрическое напряжение заданной формы на обмотках электродвигателя (как правило, методом широтно-импульсной модуляции). В качестве электронных ключей в инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия. Они имеют более высокий КПД (до 88 %) по отношению к преобразователям на IGBT-транзисторах.

Преобразователи частоты являются нелинейной нагрузкой, создающей токи высших гармоник в питающей сети, что приводит к ухудшению качества электроэнергии.

Литература

  • ВРД 39-1.10-052-2001 Методические указания по выбору и применению асинхронного частотно-регулируемого электропривода мощностью до 500 кВТ

Как подключить и настроить преобразователь частоты?

Общая схема подключения асинхронного электродвигателя с применением частотного преобразователя в принципе не сложная, так как вся основная разводка заключается в корпусах приборов. Для технаря, владеющего практикой, разобраться в ней не составит сложности. В схеме место для преобразователя выделяется сразу после автоматического выключателя с номинальным током, равным номиналу электрического двигателя. При монтаже преобразователя в 3-х фазную сеть необходимо задействовать трехполюсный автомат,имеющий общий рычаг. При перегрузке это позволит мгновенно отключить все фазы от сети электроснабжения. Ток срабатывания должен быть равным току одной фазы электродвигателя. При однофазном питании, следует выбирать автоматический выключатель, с утроенным значением тока одной фазы.

Во всех случаях, монтаж инвертора должен осуществляться с включением автоматических выключателей в разрыв нулевого или заземляющего провода.

Практически настраивать частотный преобразователь – это значит, проводить подключение жил кабеля к видимым контактам электрического двигателя. Конкретное соединение определено характером напряжения, вырабатываемого непосредственно преобразователем частоты. Для 3-х фазных сетей на промышленных объектах электродвигатель подсоединяется «звездой» — этой схемой подразумевается параллельное подсоединение проводов обмоток. Для бытового применения в однофазных сетях применяется схема «треугольник» (где U вых не превышает U ном больше чем на 50%).

Пульт управления необходимо располагать втам, где будет комфортно пользоваться. Схема подключения пульта обычно отображена в пользовательской инструкции к частотному преобразователю. Перед установкой, до подачи электропитания рычаг нужно перевести в положение «выключено». После того должна загореться соответствующая индикаторная лампочка. По умолчанию для пуска аппарата требуется нажать на клавишу «RUN». Для плавного наращивания оборотов электродвигателя нужно не торопясь повернуть рукоятку пульта. При обратном вращении необходимо переустановить режим посредством кнопки реверса. Сейчас уже можнобудет перевести рукоятку в рабочее положение и установить требуемую скорость вращения. Стоит заметить, что на управляющих пультах отдельных ПЧ указывается не механическая частота вращения, а частота питающего напряжения.

Ради чего нужен преобразователь частоты?

Применение задвижек и регулирующих клапанов в производстве постепенно уходит в прошлое. Пришедшие им на замену асинхронные двигатели выгодно отличаются высокой производительностью и мощностью, но также не лишены характерных недостатков. К примеру, контроль над скоростью вращения ротора требует оснащения добавочными элементами. Пусковые токи превышают номинальные до семи раз. Такая ударная перегрузка отражается на сроке службы агрегата.

Высокоэкономичное функционирование  насосов основывается на постоянной регулировке таких технических показателей как температура, давление и расход воды. Оптимизация работы дымососов и вентиляторов требует регулировки температурного режима, давления воздуха и разреженности газов. Экономичность использования станков предусматривается регулировкой скорости вращения двигателя. В конвейерной специфике работы важной особенностью является производительность. Специальные частотные агрегаты предназначены для решения подобных задач.

Для фирмы и предприятий частные преобразователи необходимы  в плане:

  • экономии энергетических ресурсов;
  • долгосрочности службы механической и электрической части технологического оборудования;
  • уменьшения денежных затрат на плановые ремонтно-предупредительные процедуры;
  • ведения оперативного управления, принципиального контроля за техническими параметрами и т. п.

Использование частотного привода повышает техническую эффективность производства еще и за счёт высвобождения некоторого оборудования.

Другие преимущества частотников:

  • плавное регулирование скорости вращения двигателя даёт возможность не применять редукторы, вариаторы, дроссели и другую регулирующую аппаратуру, что делает структуру управления проще, дешевле и существенно надёжнее;
  • частотники в составе с АД могут вполне использоваться для замены электроприводов постоянного тока;
  • возможно создание многофункциональных систем управления приводами на базе ПЧ с контроллером;
  • модернизация технологического конструктива может производиться без перерыва в работе.

Заключение

Стоит отметить, что в отдельных случаях применение современного управления производством с помощью частотных преобразователей приводит к снижению не только энергоресурсов, но и потерь транспортируемых веществ. В промышленно-развитых странах уже практически невозможно найти асинхронный электродвигатель без преобразователя частоты.

Мы примерно знаем, как на сегодня обстоят дела у нас, а вот что ждёт нас в будущем? Глядя на ситуацию сквозь призму пользователя, предполагается деление преобразователей частоты на две части: первая будет содержать технику, ориентированную на пользовательского дилетанта и имеющую минимальное количество настроек и максимум автоматических, а во вторую – приборы, имеющие максимальное количество настроек с большими возможностями и рассчитанные на применение специалистами, способными все эти возможности использовать.

Энергосбережение_преобразователи частоты.wmv

Ссылка на основную публикацию