Для чего нужен преобразователь частоты — задачи и преимущества частотника

Частотные преобразователи – это технические устройства, преобразующие входные сетевые параметры в выходные на различных частотах. Современные инверторы переменного тока обладают широким частотным диапазоном. Асинхронный преобразователь частоты предназначен для преобразования сетевого 3-х либо 1-но фазного переменного тока f 50 Гц в 3-х фазный либо 1-но фазный, f 1  ̴̴ 800 Гц.

Производителями выпускаются электро-индукционные частотники, представляющие собой конструктив:

• асинхронный электродвигатель;
• инверторы.

Частотники зачастую используются для плавной регулировки скорости вращения асинхронного двигателя (АД) за счет формирования на выходе частотника заданных параметров сети. В самых простых случаях регулировка f и U выполняется с соответствующей зависимостью V/f, в более навороченных инверторах реализуется как векторное управление.

Электронный частотный преобразователь — это конструктив, который состоит из элементов:

• выпрямитель, преобразующийI ̴в I_const;
• инвертор, преобразующийI_constв I ̴с требуемой частотой и амплитудой.

Выходные тиристоры (транзисторы) служат для обеспечения необходимого тока для электроснабжениядвигателя.

Для поправки U вых. между частотником и электродвигателем другой раз ставят дроссель, а для сниженияпомех — фильтр.

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.

Структура частотного преобразователя

Структура современного ПЧ выстраивается по принципу преобразования энергии и включает в себя силовую и управляющую составляющую. Первая, как правило, исполняется на тиристорах или транзисторах, коим отводится роль электроключей. Управляющий блок реализуется на микропроцессорах. С помощью ключей размыкающий и замыкающий цепи он позволяет молниеносно решать множество заданий по диагностике, защите, контролю.

По принципу работы частотные преобразователи бывают двух типов:

1. с наличием промежуточного звена постоянного тока;
2. с непосредственной связью.

Всем им присуще ряд достоинств и недостатков, обуславливающих сферу эффективного использования каждого из них.

Непосредственные частотные преобразователи

Они принадлежат к наиболее ранним аппаратам с упрощенной силовой частью,представляющей собой выпрямитель на тиристорах.

Система управления по очереди отмыкает групповые тиристоры и подключает обмотки электродвигателя к сети питания. Непосредственные – это реверсивный тиристорный частотник. Основное его преимущество заключается в том, что он подключается напрямую в сеть без добавочных устройств.

Таким манером получается, что U вых частотника образуется из усеченных отрезков синусоид U вых. На рисунке приведён пример сформировавшегося U вых для одной из фаз нагрузки. На вход тиристоров подаётся 3-х фазное синусоидальные составляющие Uа, Uв, Uс. Напряжение U вых представляется несинусоидальной «пилообразной» формой, которая в аппроксимированном виде выглядит как синусоида (жирная кривая). На чертеже показано, что частота U вых не может быть равной либо превышать частоту сети питания. Поэтому и невелик диапазон управления частоты вращения электродвигателя (менее 1: 10). Ограничивающие пределы не дают возможность использовать подобные частотные преобразователи в навороченных ЧРП. Последние рассчитаны на широкий диапазон регулировкипоказателей.

Применение тиристоров в большей степени усложняет систему управления, и поэтому этого стоимость преобразователя частоты увеличивается.

Выходная «усеченная» синусоида частотника – это источник высокочастотных гармоник, вызывающих добавочные потери в электродвигателе, перегревание электромашины, уменьшение момента, мешающие работе шумы в сети питания. Использование компенсирующих приспособлений повышает цену, массу, размеры, понижает КПД всей системы.

Тем не менее, непосредственные частотные преобразователи радуют пользователей своими определёнными достоинствами. К ним относятся:

• достаточно большой КПД, достигаемый одним преобразованием электроэнергии;
• работа в различных режимах, включая с рекуперацией энергии в сеть;
• надежность, относительная дешевизна, полная управляемость и удобство;
• наличие возможности неограниченного наращивания мощности системы;

Такие схемы применяются в электроприводах выпуска прошлых лет. В новых конструкциях они на практике не разрабатываются.

Частотные преобразователи со звеном постоянного тока

Это устройства, выполненные по транзисторной или тиристорной схеме. Однако их основная отличительная особенность состоит в том, что корректная и безопасная работа частотника требует наличия звена постоянного напряжения. Поэтому для подключения их к промышленной сети требуется выпрямитель. Обычно, применяются комплектное оборудование, состоящее из частотного преобразователя и выпрямителя, регулируемые от одной системы управления.

В ПЧ этой группы применяется двухступенчатое преобразование электроэнергии: синусоидальное U вх с f = const выправляется в выпрямителе (В), отфильтровывается фильтром (Ф), разглаживается, и далее заново преобразуется инвертором (И) в U  ̴. Ввиду двухступенчатого преобразования электроэнергии снижается КПД и несколько ухудшаются массогабаритные показателив сравнении с преобразователями частоты с непосредственной связью.

Для создания синусоидального U  ̴ самоуправляющиеся преобразователи частоты. В качестве ключевой базы в них используются усовершенствованная тиристорная и транзисторная основа.

Основным преимуществом тиристорной преобразовательной аппаратуры считается возможность оперироватьс большими параметрами сети, с выдерживанием при этом продолжительной нагрузки и импульсных воздействий. Аппараты обладают более высоким КПД.

Частотные преобразователи на тиристорах на сегодня превосходят остальные высоковольтные приводы, мощность которых исчисляется десятками МВТ с U вых от 3до 10 кВ и более. Однако и цена на них соответственно наибольшая. Преимущества:

• наибольший КПД;
• возможность использования в мощных приводах;
• приемлемая стоимость, невзирая на внедрение добавочных элементов.

Принцип действия преобразователя частоты

Первооснову привода определяет инвертор двойного преобразования. Принцип действия заключается в том, чтобы:

• входной переменный токсинусоидального типа 380 либо 220В выпрямляется блоком диодов;
• потом фильтруется посредством конденсаторов для минимизации пульсации напряжения;
• дальше напряжение подаётся на микросхемы и мосты транзисторов, создающие из него 3-х фазную волнус установленными параметрами;
• на выходе прямоугольные импульсы превращаются в синусоидальное напряжение.

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.

Где используются частотные преобразователи?

Аппаратура широко применяется в промышленных и устройствах, где необходимо изменение скорости вращения двигателя, мероприятия по борьбе с амплитудными пусковыми токами или корректирование в регулирующих деталях (комбинации элементарных  преобразователей с использованием обратной связи) и т. п. Рассмотрим их применение по мере востребованности:

Насосы. Поскольку потребляется мощность, пропорциональна, как известно, кубу скорости вращения, то использование преобразователя частоты позволяет сэкономитьпотребление электроэнергии до 60 %, в сравнении с методом регулировки мощности посредством заслонок на трубе. Годовое использование частотного преобразователя окупает все затраты на его приобретение. Аппараты позволяют также:

• снижать тепловые и водные потери на 5 — 10 %,
• уменьшать количество аварий на трубопроводах;
• обеспечить полноценную защиту электрического двигателя.

Дополнительным преимуществом является решение проблемы с гидроударами: работающие ПЧ сглаживают пуск/останов насоса. На модернизированных насосных станциях налажены системы, позволяющие управлять насосами групповым методом без необходимости в установке контроллера.

Вентиляторы. Все, вышесказанное для насосов, в полной мере имеет отношение и к вентиляторам. Что касается экономии потребления электричества, она здесь еще более значительна, так как в целях прямого пуска больших вентиляторов зачастую используются более мощные двигательные агрегаты. Усовершенствование технологических установок приводит к повышению рентабельности производства. Экономичность достигается и за счёт уменьшения потерь холостого хода.

Транспортеры. Адаптация скорости перемещения к скорости технологической системы, не являющейся постоянной величиной. Плавный запуск значительно увеличивает ресурс механической части системы, так как ударные нагрузки наносят вред техническому оборудованию.

Область использования преобразователей частоты довольно обширна. Среди управляемых инверторов насосного типа небольшой мощности можно выделить также центробежные насосы, компрессоры, центрифуги, воздуходувки и т. д.

К общепромышленной серии управляемых ЧРП частотников средней мощности относятся двигатели в вентиляторах, дымососах, в системах водоснабжения, смесителях, дозаторах, производственных линиях.

Трудно представить без векторного управления с помощью преобразователей лифтовое и другое подъемно-транспортное оборудование со значительными перегрузками при пуске/остановке.

Использование ПЧ с обратной связью позволяет обеспечить точность скорости вращения, что станет залогом улучшения качества технологического процесса и решения поставленных задач. Известные производители имеют ряд моделей, ориентированных на рабочий режим в замкнутой системе. Техника рекомендована к использованию в деревообрабатывающей промышленности, робототехнике, системах точного позиционирования и др.

Вся перечисленная техника может управляться с помощью преобразователей с аналогово-цифровыми входами/выходами для регулирования, дистанционным контролем и мониторингомпо последовательной линии связи.

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.