Частотник для асинхронного двигателя: Частотные преобразователи Schneider Electric.

Преобразователь частоты для асинхронного двигателя

Назначение частотного преобразователя для асинхронных двигателей

Использование механических устройств для регулирования может привести к ударным пусковым нагрузкам, которые окажут отрицательное влияние на их эксплуатационный срок, а также приведут к существенным энергопотерям.

Чтобы исключить перечисленные отрицательные влияния на промышленное оборудование, была создана возможность заменить механическое регулирование на электронное. Достичь этого удалось в результате серьезных исследовательских работ.

Так, появился преобразователь частот нового класса, предназначенный специально для асинхронных двигателей.

Это частотные преобразователи для асинхронных двигателей с широтно-импульсным управлением (ШИМ), которые снижают пусковой ток в 4-5 раз. А также позволяют осуществить плавный пуск асинхронного двигателя. При этом управление приводом осуществляется по формуле напряжение/частота.

Преобразователь частоты для асинхронного двигателя позволяет экономить электроэнергию на 50%. Также благодаря использованию частотника становится возможной обратная связь между смежными приводами, следовательно, оборудование самонастраивается на выполнение поставленных задач и изменяются условия работы всей системы.

Принцип работы

Преобразователь частоты для асинхронного двигателя с ШИМ, по сути, является инвентором с двойным преобразованием напряжения.

Входной диодный мост выпрямляет сетевое напряжение 220 или 380В, а затем сглаживает и фильтрует его посредством конденсатора.

Далее посредством входных мостовых ключей и микросхем из постоянного напряжения формируется последовательность электрических сигналов определенной частоты и скважности. Таким образом, на выходе из частотного преобразователя образуются пучки прямоугольных импульсов. Однако, благодаря индуктивности обмоток асинхронного двигателя, они превращаются в напряжение, схожее с синусоидным.

В устройстве также имеется микропроцессор, который дает возможность выполнять такие задачи, как:

• контроль выходных параметров;
• защита системы;
• диагностика состояния подаваемого тока.

Большинство преобразователей частоты для асинхронных двигателей построены на основе двойного преобразования. Среди них выделяют два основных класса:

• с созданием промежуточного звена;
• с непосредственной связью.

Каждый из видов частотников предназначен для работы в определенных условиях, которые диктуют выбор и целесообразность использования в конкретной ситуации.

Выпрямители управляемого типа обеспечивают непосредственную связь, отпирая группы тиристоров, и обеспечивают подвод напряжения к обмотке электродвигателя.

Преобразование напряжения в данном случае осуществляется посредством вырезания синусоид из входного тока. При этом полученная частота находится в диапазоне от 0 до 30Гц. Для регулируемых приводов этот вариант использования не подходит.

Для использования незапираемых тиристоров необходимо создание более сложной системы управления, которая повышает стоимость создаваемой цепи.

В противном случае, синусоида при входе может привести:

• к появлению гармоник;
• к потерям в электродвигателе;
• к перегреву электродвигателя;
• к снижению показателя крутящего момента;
• к образованию сильных помех.

Помимо этого, компенсаторы повышают стоимость цепи, габаритов и веса, а потери снижают КПД.

К другому классу относятся цепи питания, где используются частотные преобразователи для асинхронных двигателей с промежуточным звеном. Они обеспечивают преобразование электрического тока в два этапа.

На первом этапе синусоидное напряжение с постоянной частотой и амплитудой преобразуется посредством выпрямления. При этом применяются специальные фильтры, сглаживающие показатели.

На втором этапе посредством инвертора на выходе происходит преобразование энергии с изменяемым показателем частоты и амплитуды.

Это приводит:

• к снижению КПД;
• к ухудшению показателей соотношения массы и габаритов устройства.

Частотные преобразователи для асинхронных двигателей, работающие как тиристор, имеют следующие преимущества:

• обеспечивают возможность работы в системах с большими показателями тока;
• такая система предназначена для использования там, где имеются большие показатели тока;
• они устойчивы к большим нагрузкам и импульсному воздействию;
• обеспечивают высокий КПД, достигающий 98 %.

Мы перечислили все особенности каждого типа преобразователей частоты для асинхронных двигателей, теперь, попробуем выяснить, на чем следует основываться при выборе частотника.

Критерии выбора

Преобразователи частоты для асинхронных двигателей следует использовать лишь с учетом их технических характеристик.

Важными характеристиками, на которые необходимо обратить внимание, являются следующие:

1. Диапазон напряжения подаваемого тока. Сегодня существуют модели частотников, работающие при различном напряжении. Диапазон напряжения может составлять 100-120В или 200-240В. Исходя из этого показателя, следует выбирать преобразователь.
2. Номинальная мощность электродвигателя, которая измеряется в кВт.
3. Полная мощность электродвигателя.
4. Номинальный выходной ток.
5. Выходное напряжение, которое часто не превышает показатель напряжения источника питания, а иногда бывает и меньше.
6. Диапазон выходной частоты.
7. Допустимая сила тока на выходе.
8. Частота тока при входе.
9. Максимальный показатель отклонений, который допускается при определенных условиях.

Эти параметры указываются в документации к преобразователю, и их необходимо учитывать. В противном случае, например, если не учтен показатель напряжения подаваемого тока, то устройство выйдет из строя.

Способы подключения

Выбор варианта подключения преобразователя частоты для асинхронных двигателей зависит от цели его применения, например, необходимости обеспечения более легкого пуска или необходимости регулировки частоты вращения двигателя.

Наиболее простой схемой подключения является установка автомата отключения перед частотником. При этом автомат должен быть рассчитан на номинальную величину напряжения, потребляемого электродвигателем.

Поскольку большинство двигателей питаются от трехфазной сети, то можно выбрать трехфазный автомат, который обеспечивает отключение двух фаз в случае, когда происходит короткое замыкание в одной из фаз.

При использовании однофазного частотного преобразователя для асинхронных двигателей, следует установить автомат, рассчитанный на утроенный ток в одной фазе.

После установки автомата, следует осуществить подключение фазных проводов к клеммам двигателя, а также подключить в цепь тормозной ресивер. После частотного преобразователя в цепь устанавливается вольтметр, который измеряет напряжение на выходе.

Для того чтобы осуществить правильное подключение частотного преобразователя, следует изучить инструкцию, которая прилагается к моделям частотников. Точное соблюдение инструкции позволит легко осуществить подключение преобразователя частоты к электродвигателю.

Преобразователь частоты для асинхронного и синхронного двигателя

Данная политика конфиденциальности относится к сайту под доменным именем instart-info.ru. Эта страница содержит сведения о том, какую информацию мы (администрация сайта) или третьи лица могут получать, когда вы пользуетесь нашим сайтом.

Данные, собираемые при посещении сайта

Персональные данные

Персональные данные при посещении сайта передаются пользователем добровольно, к ним могут относиться: имя, фамилия, отчество, номера телефонов, адреса электронной почты, адреса для доставки товаров или оказания услуг, реквизиты компании, которую представляет пользователь, должность в компании, которую представляет пользователь, аккаунты в социальных сетях; поля форм могут запрашивать и иные данные.

Эти данные собираются в целях оказания услуг или продажи товаров, связи с пользователем или иной активности пользователя на сайте, а также, чтобы отправлять пользователям информацию, которую они согласились получать.

Мы не проверяем достоверность оставляемых данных, однако не гарантируем качественного исполнения заказов или обратной связи с нами при некорректных данных.

Данные собираются имеющимися на сайте формами для заполнения (например, регистрации, оформления заказа, подписки, оставления отзыва, обратной связи и иными).

Формы, установленные на сайте, могут передавать данные как напрямую на сайт, так и на сайты сторонних организаций (скрипты сервисов сторонних организаций).

Также данные могут собираться через технологию cookies (куки) как непосредственно сайтом, так и скриптами сервисов сторонних организаций. Эти данные собираются автоматически, отправку этих данных можно запретить, отключив cookies (куки) в браузере, в котором открывается сайт.

Не персональные данные

Кроме персональных данных при посещении сайта собираются не персональные данные, их сбор происходит автоматически веб-сервером, на котором расположен сайт, средствами CMS (системы управления сайтом), скриптами сторонних организаций, установленными на сайте. К данным, собираемым автоматически, относятся: IP адрес и страна его регистрации, имя домена, с которого вы к нам пришли, переходы посетителей с одной страницы сайта на другую, информация, которую ваш браузер предоставляет добровольно при посещении сайта, cookies (куки), фиксируются посещения, иные данные, собираемые счетчиками аналитики сторонних организаций, установленными на сайте.

Эти данные носят неперсонифицированный характер и направлены на улучшение обслуживания клиентов, улучшения удобства использования сайта, анализа посещаемости.

Предоставление данных третьим лицам

Мы не раскрываем личную информацию пользователей компаниям, организациям и частным лицам, не связанным с нами. Исключение составляют случаи, перечисленные ниже.

Данные пользователей в общем доступе

Персональные данные пользователя могут публиковаться в общем доступе в соответствии с функционалом сайта, например, при оставлении отзывов, может публиковаться указанное пользователем имя, такая активность на сайте является добровольной, и пользователь своими действиями дает согласие на такую публикацию.

По требованию закона

Информация может быть раскрыта в целях воспрепятствования мошенничеству или иным противоправным действиям; по требованию законодательства и в иных случаях, предусмотренных законом.

Для оказания услуг, выполнения обязательств

Пользователь соглашается с тем, что персональная информация может быть передана третьим лицам в целях оказания заказанных на сайте услуг, выполнении иных обязательств перед пользователем. К таким лицам, например, относятся курьерская служба, почтовые службы, службы грузоперевозок и иные.

Сервисам сторонних организаций, установленным на сайте

На сайте могут быть установлены формы, собирающие персональную информацию других организаций, в этом случае сбор, хранение и защита персональной информации пользователя осуществляется сторонними организациями в соответствии с их политикой конфиденциальности.

Сбор, хранение и защита полученной от сторонней организации информации осуществляется в соответствии с настоящей политикой конфиденциальности.

Как мы защищаем вашу информацию

Мы принимаем соответствующие меры безопасности по сбору, хранению и обработке собранных данных для защиты их от несанкционированного доступа, изменения, раскрытия или уничтожения, ограничиваем нашим сотрудникам, подрядчикам и агентам доступ к персональным данным, постоянно совершенствуем способы сбора, хранения и обработки данных, включая физические меры безопасности, для противодействия несанкционированному доступу к нашим системам.

Ваше согласие с этими условиями

Используя этот сайт, вы выражаете свое согласие с этой политикой конфиденциальности. Если вы не согласны с этой политикой, пожалуйста, не используйте наш сайт. Ваше дальнейшее использование сайта после внесения изменений в настоящую политику будет рассматриваться как ваше согласие с этими изменениями.

Отказ от ответственности

Политика конфиденциальности не распространяется ни на какие другие сайты и не применима к веб-сайтам третьих лиц, которые могут содержать упоминание о нашем сайте и с которых могут делаться ссылки на сайт, а также ссылки с этого сайта на другие сайты сети Интернет. Мы не несем ответственности за действия других веб-сайтов.

Изменения в политике конфиденциальности

Мы имеем право по своему усмотрению обновлять данную политику конфиденциальности в любое время. В этом случае мы опубликуем уведомление на главной странице нашего сайта. Мы рекомендуем пользователям регулярно проверять эту страницу для того, чтобы быть в курсе любых изменений о том, как мы защищаем информацию пользователях, которую мы собираем. Используя сайт, вы соглашаетесь с принятием на себя ответственности за периодическое ознакомление с политикой конфиденциальности и изменениями в ней.

Как с нами связаться

Если у вас есть какие-либо вопросы о политике конфиденциальности, использованию сайта или иным вопросам, связанным с сайтом, свяжитесь с нами:

8 800 222 00 21

[email protected]

Что такое преобразователь частоты и для чего он нужен?

Для регулирования работы асинхронного двигателя с целью не допустить снижения его КПД применяют специальные устройства – частотные преобразователи. Их работа заключается в том, что они плавно изменяют скорость вращения двигателя, с помощью смены частоты питающего напряжения.

В данной статье мы постараемся рассмотреть ряд незаметных, на первый взгляд, особенностей в работе асинхронного электродвигателя и проанализируем, насколько важно в ходе его эксплуатации использовать частотный преобразователь.

Что может привести к неисправности?

В асинхронном двигателе напряжение для работы чаще всего поступает через последовательно включенный автоматический выключатель. То сесть данный способ запуска двигателя по другому называется - плавный пуск. Таким образом это провоцирует высокий рост тока пусковой обмотки, что для оборудования закончится весьма плачевно.

Частотный преобразователь имеет к этому важное отношение – он контролирует ток электродвигателя. Формируя необходимое напряжение нужной амплитуды и частоты, частотник подает их на двигатель. Поясним – в процессе его запуска преобразователь отдает не полную частоту, скажем, в 50 Герц, а где-то 0,1Гц (или чуть больше). То же самое и с напряжением – не все 220 В или 380 В, а около 20-30 (смотря, какие выставлены настройки).

Принцип работы преобразователя частоты для электродвигателя

Все это позволяет пропускать через обмотку статора ток оптимального значения, не выше номинального показателя, чтобы создать магнитное поле, которое, в свою очередь, вместе с созданным в обмотке током создаст крутящий момент. Что касается принципов изменения характеристик напряжения, то подробно об этом, а также о критериях выбора частотника, вы можете прочесть здесь, в одной из других наших статей. Кстати, если говорить о критериях выбора, то отметим также, что выходные токи преобразователя частоты должны быть ниже тока полного режима нагрузки.

Выше мы описывали старт двигателя. Что касается разгона, то в ходе этого процесса преобразователь плавно повышает частоту и величину поступаемого напряжения, тем самым разгоняя двигатель. Главное – настроить частотник таким образом, чтобы времени на разгон уходило как можно меньше, а ток обмотки статора не был выше её номинального значения. Кроме того, важно поддерживать достаточный крутящий момент на валу.

Почему без преобразователя не обойтись? Главные преимущества его использования

Итак, преобразователь частоты дает следующие преимущества при управлении асинхронным двигателем:

1. Плавный пуск и остановка электропривода
2. Управление производительностью оборудования
3. Установка оптимальных режимов работы
4. Взаимное согласование электроприводов в сложных системах

Самые важные – это 1 и 2 пункты. Почему именно они?

Плавный пуск позволяет наращивать скорость постепенно, что позволяет не допустить скачков тока. Неконтролируемые скачки опасны, так как при прямом пуске они превышают номинальные показатели в 5-7 раз, что может спровоцировать высокую нагрузку на электросеть, защитит оборудование от перегрузок и сэкономит деньги на затратах электроэнергии.

Что касается управления производительностью, то в этом случае преобразователь частоты контролирует скорость работы электродвигателя с учетом «реальных нужд» в системе в целом. Это также помогает напрасно не тратить энергию и гарантирует её экономию в 30-60%.

Помимо 4-х основных преимуществ описанных выше, использование преобразователя обеспечивает следующие преимущества:

• Понижение величины пусковых токов в 4-6 раз
• Регулировка частоты и напряжения с экономией до 50% электроэнергии
• Самостоятельное выключение контактора, снятие напряжения и с его плавной подачей в звено постоянного тока
• Устранение ударных нагрузок, защита двигателя от механической перегрузки, либо недогрузки
• Понижение общего числа ненужных отключений при ударных нагрузках
• Обеспечение нужной величины и частоты при запуске оборудования, поддержание обратной связи смежных приводов
• Контроль скорости вращения ротора и анализ работы двигателя

Классификация частотных преобразователей

В первую очередь, данные устройства различаются по режимам работы:

• Амплитудно-частотное регулирование (скалярное) – применяются в обычных установках с вентиляторами, насосами, тележками, транспортерами и т.д. где не требуется стабилизация оборотов двигателя
• Векторное регулирование – используются на любом оборудовании, где возможны резкие изменения крутящего момента на валу, причем в большом диапазоне и где нужна высокая стабильность оборотов на валу электродвигателя.

По типу питания:

• Низковольтный 0,4 кВ
• Среднее напряжение 0,69 кВ
• Высоковольтный 6 и 10 кВ

Также данные устройства бывают с промежуточным звеном (связью) и без него. О характере работы таких устройств читайте тут, в ещё одной нашей статье.

Настройка

Настройка преобразователей выполняется строго по инструкции производителя и с учетом особенностей задачи, которая решается посредством оборудования, в котором установлен двигатель.

Например, если применяется асинхронный двигатель скалярного типа, то амплитуду сигнала и выходную частоту устанавливают по определенной формуле. Для других видов двигателя обычно используют датчики скорости вращения вала двигателя. Последовательность этапов алгоритма настройки мы перечислили здесь, в другом нашем материале.

Можно ли отказаться от частотных преобразователей?

Можно. Но лучше этого не делать. Безусловно, скорость вращения можно также регулировать и при помощи гидравлической муфты или механического вариатора и других. Но данные приспособления неэкономичны (а в промышленности это крайне важно!), у них узкий диапазон регулирования, что доставляет серьезные неудобства в ходе эксплуатации, а также они гораздо быстрее выйдут из строя. 

Итоги: почему нужно использовать преобразователи частоты?

Вот основной перечень преимуществ для работы оборудования, которые вы получаете, используя преобразователи:

• Плавный пуск и плавную остановку оборудования
• Эффективную защиту от перегрузок и бросков напряжения
• Возможность эксплуатации оборудования с большими номинальными сетевыми напряжениями и токами
• Понижение энергопотребления
• Стабильность технологического процесса и улучшение КПД

Итак, это наиболее важная информация о частотных преобразователях, которую мы хотели до вас донести. В завершение скажем о том, от чего зависит стоимость и на что стоит обращать внимание при выборе. Это такие факторы, как марка производителя, модель и тип управления преобразователем. Также стоит обращать внимание при выборе на тип и уровень мощности двигателя, его диапазон и точность, а также степень точности поддержки крутящего момента.

Частотный преобразователь, инвертор для асинхронного двигателя

!!!Частотники всегда в наличии на складе в Ставрополе. Звоните, уточняйте цены!!!

Многие технологические процессы, протекающие при непосредственном участии электродвигателей, требуют регулировки каких-либо параметров. Это может быть скорость подачи бревна на пилораме, давление или скорость потока в трубопроводе, скорость движения подъемника или транспортера и многое другое.

Наиболее эффективный способ управления скоростью привода – изменение скорости вращения двигателя. В случае асинхронного двигателя это можно сделать при помощи изменения частоты напряжения питания. Для этого и нужен преобразователь частоты (инвертор). Частотное регулирование скорости вращения тем более актуально, что асинхронные электродвигатели сегодня составляют основную массу промышленных электроприводов благодаря своей надежности, компактности и дешевизне. Наша компания может предложить частотный преобразователь разных производителей (Lenze, Omron, Innovert), которые представлены ниже:

Простейший и, пожалуй, самый яркий пример эффективности частотного преобразователя – это управление подачей воды в водопроводной сети. Чаще всего подача воды регулируется с помощью задвижек, которые просто ограничивают пропускную способность трубопровода в определенной точке. При этом насос, подающий воду, продолжает работать с обычной скоростью, потребляя количество энергии, не соответствующее полезной работе.

Включив электродвигатель насоса через частотный преобразователь, например Innovert ISD222M43B, можно получить существенную экономию электроэнергии (до 50%). В этом случае для уменьшения скорости потока нужно уменьшить частоту вращения насоса. При этом соответственно уменьшается и энергопотребление. Современный частотник способен автоматически регулировать частоту вращения двигателя при помощи встроенного PID-регулятора. Для этого в нем предусматривается возможность управления от внешнего датчика по аналоговому сигналу (4-20 мА или 0-10 В). В нашем случае это датчик давления в напорном трубопроводе.

Используя частотный преобразователь для насоса, можно не только экономить электроэнергию. Плавная регулировка частоты вращения позволяет существенно снизить пусковые токи, уменьшить или вовсе исключить гидроудары, чреватые авариями, обеспечить более стабильное и оптимальное водоснабжение. В результате получается дополнительная экономия ресурсов, не связанных напрямую с расходом энергии.

Все сказанное для водопровода справедливо и для систем вентиляции. Частотный преобразователь для вентилятора позволит обеспечить постоянную подачу воздуха с учетом текущих потребностей.

Невзирая на довольно высокую стоимость систем частотного управления электроприводами, их применение дает хороший экономический эффект. Установка частотных регуляторов на электроприводы окупается от нескольких месяцев до двух лет, в зависимости от условий эксплуатации и загруженности электродвигателя. После этого они приносят чистую прибыль в виде экономии.

Благодаря развитию элементной базы и применению микропроцессоров частотный преобразователь для асинхронного двигателя может выполнять множество функций, связанных с регулированием скорости и крутящего момента на валу.

• собственно регулирование скорости или параметра, от нее зависящего;
• экономия электроэнергии по сравнению с другими способами регулирования;
• уменьшение величины пусковых токов до минимально необходимых;
• снижение пиковых нагрузок на механизмы при пуске;
• защита двигателя от перегрузки и перегрева.

Обслуживая двигатель и защищая электропривод от перегрузок, частотный преобразователь и сам нуждается в защите от импульсных скачков напряжения. Для защиты частотника применяется входной дроссель, сглаживающий импульсы, которые может генерировать работающее вблизи мощное оборудование: сварочный трансформатор, электродвигатель, промышленный выпрямитель и пр.

С другой стороны, в силу своего устройства инвертор сам является источником импульсного напряжения. Неидеальная «зазубренная» синусоида его выходного напряжения сглаживается индуктивностью обмоток самого двигателя. Однако при установке мотора на большом расстоянии от преобразователя необходимо использовать выходной дроссель в качестве фильтра между инвертором и двигателем. Обязательна установка дросселя и при «веерном» подключении нескольких электромоторов к преобразователю.

В идеале преобразователь должен располагаться непосредственно возле двигателя. Так как большинство частотных преобразователей имеют степень защиты IP20, то он должен устанавливаться в шкаф. Но некоторые модели частотников имеют корпус с высокой пылевлагозащитой.  Например, преобразователь частоты Lenze-ACTech, серии SMV, имеют вариант корпуса с IP65, обеспечивая полную пылевлагозащиту.

Обратившись в нашу компанию, Вы получите ответы на все интересующие Вас вопросы касательно применения частотных регуляторов. Также, на нашем складе в г. Ставрополь постоянно поддерживаются все основные мощности инверторов.

Также на нашем сайте вы найдете мотор-редуктор, регулятор температуры, пневмоцилиндр и другое оборудование.

Преобразователь частоты для асинхронного двигателя

Характеристики преобразователей частоты для асинхронного двигателя.

Преобразователь частоты для асинхронного двигателя преобразует не только частоту, а электрический сигнал в целом, причем делает он это дважды. Сперва на входе происходит выпрямление (AC-DC), фильтрация, а затем инвертирование (DC-AC) в сигнал с абсолютно другими параметрами частоты и напряжения. Это позволяет плавно и в широком диапазоне регулировать скорость вращения асинхронного двигателя. Выбор преобразователя частоты должен быть максимально точным в соответствии с характеристиками самого асинхронного двигателя и задачами, которые стоят перед устройством. Хотя для бытового применения все максимально просто и выбор частотника, по сути, ограничивается всего двумя основными параметрами:

• Выходная мощность. Тут, в принципе, все максимально просто: номинальная мощность преобразователя частоты должна быть не меньше той, которая указана на бирке асинхронного двигателя. В противном случае Вас ждут аварийные остановы электропривода в связи с перегрузкой;
• Количество фаз. В быту данный параметр преобразователя частоты для асинхронного двигателя играет очень важную роль. Двигатели требуют питания от трехфазной сети, которая в быту не распространена. Выход до банального прост: установить преобразователь для асинхронного двигателя с питанием 1/3, то есть требующий на входе питание 220В, но выдающий на выходе трехфазное напряжение.

В выборе преобразователя частоты со скалярным регулированием для бытового применения, как видите, никаких серьезных технических знаний не требуется. Другое дело — векторные частотники для асинхронного двигателя, которые применяются во всех сферах промышленности. Эти устройства обладают более высокой точностью регулировки скорости вращения в широчайшем диапазоне, а также могут контролировать момент двигателя, а не работать «вслепую» путем изменения напряжения и частоты (характеристики v/f), тем самым осуществляя максимально точное перемещение исполнительных механизмов. Выбор векторного частотника гораздо сложнее, так как надо учитывать сетевые возможности, наличие программируемых входов и выходов, поддержку обратной связи (энкодера) и многое другое, то есть для этого крайне желательно обладать техническими знаниями.

В интернет-магазине «Вольтмаркет» доступен широкий выбор преобразователей частоты для асинхронного двигателя, среди которых Вы обязательно найдете то, что Вам нужно. Испытать любую интересующую Вас модель можно в наших торговых точках, открытых в Киеве, Харькове и Днепре. Также мы осуществляем быструю доставку при помощи курьерской службы в течение 1-3 дней по всей территории Украины.

Правда о пяти мифах частотно регулируемого привода.

Знание принципов работы частотно регулируемого привода (ЧРП) может упростить процесс выбора преобразователя частоты.

Автор: Пол Эйвери, Yaskawa America Inc.

Независимо от того, насколько давно и каким образом, уже обыденные частотные преобразователи пришли в Вашу жизнь, где-то есть тот, кто впервые стукнулся с ЧРП или только рассматривает возможность их применения. Вспомните, когда вы впервые задумались о применении одного из современных частотных преобразователей с широтно-импульсной модуляцией для двигателя переменного тока. Скорее всего, у вас, на тот момент, было не совсем верное представление об их возможностях и назначении. В этой статье мы рассмотрим и постараемся развеять пять распространенных мифов о частотно регулируемом приводе.

Рис. 1. Частотный преобразователь

Миф № 1: Выходной сигнал частотного преобразователя является синусоидальным

Людям, так или иначе связанные с эксплуатацией электродвигателей в, как правило, знакома работа асинхронных двигателей переменного тока с использованием пускателей. При пуске электродвигателя, пускатель замыкает контакты обмоток электродвигателя с фазами 3-х фазной питающей сети. Напряжение каждой фаза представляет собой синусоидальную волну. Приложенное напряжение создает на клеммах электродвигателя тоже синусоидальной формы с той же частотой (можно убедится проверкой напряжения на клеммах электродвигателя). Пока вроде всё просто и понятно.

А вот что происходит на выходе преобразователя частоты, это совсем другая история. Частотный преобразователь обычно выпрямляет входное трехфазное переменное в постоянное напряжение, которое фильтруется и аккумулируется при помощи больших конденсаторов звена постоянного тока. Напряжение звена постоянного тока затем инвертируется, для получения переменного напряжения, переменной частоты на выходе. Процесс инверсии осуществляется посредством трех изолированных биполярных транзисторов (IGBT) с двумя изолированными затворами — по одной паре на выходную фазу (см. Рис 2). Поскольку выпрямленное напряжение инвертируется в переменное, выходное звено называют «инвертором». Включение, выключение, а также длительность нахождения IGBT-транзисторов в положении ВКЛ или ВЫКЛ может управляться, что и определяет значение частоты выходного напряжения. Отношение выходного среднеквадратического напряжения к выходной частоте определяет магнитный поток, развиваемый в электродвигателе переменного тока. Когда выходная частота увеличивается, выходное напряжение также должно увеличиваться с той же скоростью, чтобы поддерживать постоянство отношения и, следовательно, постоянную скорость вращения двигателя. Обычно соотношение между напряжением и частотой поддерживается по линейному закону, что обеспечивает возможность поддержания постоянного крутящего момента.

Рис. 2. Схема инвертора с IGBT транзисторами.

Результирующий сигнал напряжения, прикладываемый к обмотке двигателя, не является синусоидальным (см. Рис. 3). Обратите внимание, что иногда отношение напряжения по частоте (V / f) может быть отличным от линейного, что характерно для вентиляторов, насосов или центробежных нагрузок, которые не требуют постоянного крутящего момента, но обеспечивают тем самым возможность экономии электроэнергии.

Рис. 3. Форма сигнала ШИМ напряжения на выходе частотного преобразователя

Как же отразится пилообразная форма питающего напряжения на работе электродвигателя. Асинхронный двигатель является по своей сути большой катушкой индуктивности. А характерной особенностью индукции является ее устойчивость к изменениям тока. Увеличивается или уменьшается сита ток, индукция будет выступать против этого изменения. Какое же это имеет отношение к форме сигнала напряжения ШИМ на рисунке 3? Вместо того, чтобы позволить импульсу тока увеличиваться в том же порядке, что и приложенный импульс напряжения, ток начнет медленно возрастать. Когда импульс напряжения закончился, ток плавно уменьшается, а не исчезает мгновенно. В общих чертах это происходит следующим образом: до момента, когда ток снизился до нуля, поступает следующий импульс напряжения, и ток начинает плавно увеличиваться. Если последующий импульс становятся шире, ток плавно достигает большего значения, чем раньше. В конце концов, текущий сигнал становится синусоидальным, хотя и с некоторыми зубчатыми переходами (см. Рис. 4).

Рис. 4. Форма сигнала тока на выходе частотного преобразователя

Однако не думайте, что вы можете подключить свой соленоид к фазам выходного напряжения ЧРП. Это всё же не совсем переменное напряжение.

Миф № 2: все частотные преобразователи одинаковы

В общем виде частотно-регулируемый привод сегодня является довольно зрелым продуктом. Большинство коммерчески доступных приводов содержат одни и те же базовые компоненты: мостовой выпрямитель, блок питания, конденсаторный блок постоянного тока и плата выходного инвертора. Разумеется, существуют различия в алгоритмах управления переключением транзисторов IGBT инвертора, надежности компонентов и эффективности схемы теплового рассеивания. Но основные компоненты остаются прежними.

Есть также исключения. Например, в некоторых ЧРП инвертер имеет три вывода. Такая схема позволяет выходным импульсам варьироваться от половинного до полного импульса сигнала напряжения (см. Рис. 5).

Рис. 5. Трехуровневый выходной сигнал напряжения

Для достижения трехуровневого выходного сигнала звено инвертора должно иметь в два раза больше выходных переключателей, а также запирающих диодов (см. Рис. 6). Преимущества трехуровневой схемы заключается в уменьшении перенапряжения на двигателе из-за гармонических волн, снижении синфазных помех, а также снижении паразитных токов на валах и подшипниках.

Рис. 6. Схема трехуровневого инвертора

Матричный инвертор является еще более нетипичным типом ЧРП. Частотные преобразователи с матричными инверторами не имеют шины постоянного тока или мостового выпрямителя. Вместо этого они используют двунаправленные переключатели, которые могут подключать любое из входящих фазных напряжений к любой из трех выходных фаз (см. Рис. 7). Преимущество этой схемы заключается в том, что мощность может свободно протекать от сети к двигателю или от двигателя к сети для рекуперативного привода постоянного тока. Недостатком является то, что на входе необходима установка фильтра, для обеспечения дополнительной индуктивности и фильтрации формы ШИМ, чтобы исключить негативное влияние на питающую сеть.

Рис. 7. Схема матричного ЧРП

Кроме частотных преобразователей с трехуровневыми выходами и инверторами матричного типа существуют также и другие типы частотно-регулируемых приводов. Таким образом миф о том, что все частотные преобразователи одинаковые развеян.

Миф № 3: Частотный преобразователь компенсирует коэффициентом мощности.

Нередко можно увидеть, что производители частотных преобразователей заявляют значение коэффициента мощности, например, равным 0,98 или почти 1. Действительно коэффициент мощности несколько улучшается после установки ЧРП перед асинхронным двигателем. ЧРП компенсирует реактивную мощность за счет конденсаторного звена. Однако полностью компенсировать фазовый сдвиг преобразователь частоты не может.

Полный коэффициент мощности должен включать реактивную мощность, вызываемую гармониками, создаваемыми в звене постоянного тока. Причиной является работа диодного моста. Важно помнить, что диод работает только тогда, когда напряжение на стороне анода выше, чем напряжение на стороне катода (прямое смещение). Это означает, что диоды открыты только на пике каждой временной фазы как положительной, так и отрицательной частей синусоидальной волны. Это приводит к волнообразной форме волны. Это также приводит к искажению входного тока и прерыванию (см. Рис. 8).

Рис. 7. Форма сигналов после выпрямителя

Чтобы вычислить истинный полный коэффициент мощности (PF), необходимо учесть эффекты гармоник. Следующее уравнение показывает, как гармоники влияют на полный коэффициент мощности:

где THD = суммарное гармоническое искажение

Для прерывистого сигнала входного тока в уравнении THD будет находиться в районе 100% или более. Подставляя это в уравнение, получаем истинный коэффициент мощности PF ближе к 0,71, по сравнению с заявленным 0,98, который не учитывает гармоники.

Но не всё так плохо. В настоящее время существует множество способов гармонические искажения, создаваемые в звене постоянного тока. Они используют как пассивные, так и активные методы подавления искажений входного сигнала. Так, например, вышеупомянутый матричный преобразователь частоты является примером активного метода подавления гармонических искажений.

Миф № 4: С частотным преобразователем Вы можете эксплуатировать двигатель на любой скорости.

Особенность применения частотных преобразователей заключается, что они могут изменять как напряжение, так и частоту выходного сигнала. Благодаря возможности обеспечения требуемой скорости вращения электродвигателя ЧРП нашли широкое применение во всех сферах экономики и всех отраслях промышленности ЧРП может легко выдавать сигнал любой частоту в пределах предусмотренного изготовителем диапазона регулирования. Однако необходимо учитывать, что частотный преобразователь работает в составе электродвигателя в реальных условиях. Технологические требования, такие как необходимый крутящий момент, охлаждение, требуемая мощность так или иначе ограничивают фактический диапазон регулирования преобразователя частоты.

Ограничение № 1. С точки зрения охлаждения электродвигателя, низкая скорость вращения — это не очень хорошая идея. В частности, полностью закрытые вентиляторные (TEFC) двигатели имеют охлаждаются только за счет внутреннего вентилятора, который вращается вместе с валом двигателя. Чем медленнее скорость вращения двигатель, тем меньше поток воздуха и тем хуже охлаждение. Закрытые двигатели обычно не рекомендуются эксплуатировать с частотой ниже 15 Гц (диапазон скоростей 4:1).

Ограничение № 2: Электродвигатели имеют определенные ограничения диапазона скоростей, связанные с механическими и динамическими ограничениями нагрузок вращающихся частей. Обычно эта скорость называется максимальной безопасной частотой вращения. Данная характеристика не всегда указывается на шильдике мотора.

Ограничение № 3: При достижении максимальной частоты вращения крутящий момент двигателя может снижаться. Это ограничение скорости связано с ограничением мощности, которое включает в себя скорость вращения и крутящий момент. Если быть еще точнее, что будет снижаться напряжения ЧРП. Обратите внимание, что вращение двигателя также генерирует собственное напряжение, называемое обратной электродвижущей силой (ЭДС), которое увеличивается со скоростью. Обратная ЭДС создается двигателем, чтобы противостоять приложенному напряжению от ПЧ. На более высоких скоростях ПЧ должен подавать еще большее напряжения, чтобы преодолеть обратную ЭДС, и ток мог протекать по обмоткам двигателя, создавая крутящий момент. После определенного максимального значения преобразователь частоты не может преодолеть обратную ЭДС электродвигателя, и, следовательно, крутящий момент двигателя уменьшается, что, в свою очередь, снижает скорость. Снижение скорости опять приводит к более низкой обратной ЭДС, которая, в свою очередь, позволяет протекать току в двигатель снова. Существует точка равновесия, в которой двигатель достигает максимальной скорости при максимальном крутящем моменте.

Как упоминалось выше ЧРП может создавать крутящий момент на двигателе, сохраняя постоянство отношения V/f (см. Рис. 9).

Рис. 9. График зависимости напряжения от частоты.

Когда частота выходного сигнала увеличивается, напряжение увеличивается линейно. Проблема возникает, когда частота превышает номинальную частоту двигателя. Помимо номинальной частоты, не может увеличиваться выходное напряжение, что соответственно приводит к уменьшению отношения V / f. Отношение V / f является мерой напряженности магнитного поля в двигателе и влияет на его крутящий момент. Следовательно, способность мотора создавать номинальный крутящий момент при частоте выше номинальной должна уменьшаться со скоростью 1 / частота, при этом произведение крутящего момента и частоты, равное мощности, является постоянным. Область работы над номинальной частотой называется постоянным диапазоном мощности, а работа на скоростях ниже номинальной — диапазоном постоянного крутящего момента (см. Рис. 10).

Рис. 10. Графики зависимости мощности и крутящего момента электродвигателя от частоты.

Миф № 5: Входной ток преобразователя частоты выше выходного тока

Возможно, это не миф, а недоразумение. Некоторые пользователи ПЧ измеряют значение выходного и входного тока с помощью измерительного инструмента или с помощью мониторов ПЧ и обнаруживают, что входной ток намного ниже выходного. Это похоже не согласуется с идеей о том, что частотный преобразователь должен иметь некоторые потери и поэтому вход всегда должен быть немного выше, чем выход. Концепция правильная, но она учитывает мощность, а не ток, который следует учитывать:

Входное напряжение всегда находится под напряжением переменного тока. Выходное напряжение изменяется со скоростью по образцу V / f. На самом деле компоненты уравнения немного сложнее. Но ключом к пониманию данного процесса является знание того, что асинхронный двигатель имеет два токовых компонента: один отвечает за создание магнитного поля в двигателе, которое необходимо для вращения двигателя; а второй — ток, создающий крутящий момент, который, как следует из названия, отвечает за создание крутящего момента.

Привод потребляет входной ток, пропорциональный активному крутящему моменту двигателя. Ток, необходимый для создания магнитного поля, обычно не изменяется со скоростью и обеспечивается основными конденсаторами звена постоянного тока, которые заряжаются при включении питания ПЧ. При малых значения крутящего момента выходной ток может быть намного выше, чем входной, поскольку входной ток отражает только составляющую, создающую крутящий момент плюс некоторые гармоники, но не включает ток намагничивания. Ток намагничивания циркулирует между конденсаторами шины постоянного тока и двигателем. Даже при полной нагрузке входной ток обычно будет ниже, чем ток двигателя, поскольку на входе по-прежнему нет составляющей тока намагничивания.

Помните, что в уравнении мы сравниваем входную и выходную мощности. Например, рассмотрим полностью нагруженный двигатель, вращающийся на низких оборотах. Входное напряжение номинальное, а выходное напряжение будет низким из-за низкой скорости вращения. Выходной ток в данном случае будет высокий из-за полной нагрузки на двигатель. А чтобы сбалансировать уравнение мощности, входной ток должен быть ниже выходного тока.

Узнать подробную информацию о частотных преобразователях, ознакомиться с производственной линейкой YASKAWA Вы можете у нашего партнера — ООО «КоСПа»

Или в соответствующем разделе преобразователя YASKAWA

Оригинал статьи: https://www.yaskawa.com/about-us/media-center/industry-articles-display?articleId=2167778

27.07.2017

Преобразователи частоты для ваших приводов

Являясь одним из ведущих изготовителей приводной техники, к нашим механическим компонентам мы, конечно же, предлагаем и подходящую преобразовательную технику. Мы разрабатываем и производим приводные преобразователи и преобразователи частоты для управления и регулирования приводов в машинах и установках. И это не только для централизованного монтажа в электрошкафу или для настенного монтажа, но и для децентрализованного монтажа.

Что такое преобразователь частоты?

Преобразователи частоты – это электронные устройства, которые позволяют регулировать частоту вращения асинхронного двигателя. Обоснование: Если электрические машины или асинхронные двигатели работают непосредственно от сети переменного напряжения, у них есть только одна фиксированная частота вращения – в зависимости от числа полюсов и частоты местной электросети. Однако если приводной системе или производственному процессу требуется изменяемое переменное напряжение, т. е. регулируемая скорость, то применяются преобразователи частоты. Из фиксированного переменного напряжения они могут вырабатывать переменное напряжение с изменяемой амплитудой (величиной выходного напряжения) и частотой.

Как работает преобразователь частоты?

>Преобразователь частоты подключается перед двигателем, чтобы создавать соответствующее потребностям, изменяемое переменное напряжение. Таким образом, уже не электросеть создает частоту и величину напряжения, с которыми работает двигатель, а преобразователь частоты берет на себя эту задачу и регулирует выходную частоту и выходное напряжение.

Большое преимущество преобразователя частоты? С его помощью вы плавно изменяете частоту вращения двигателя почти от нуля до нужного номинального уровня и заметно расширяете ее диапазон. При этом вращающий момент двигателя остается неизменным. Таким образом пользователи оборудования всегда могут адаптировать свою приводную технику к текущим условиям. Кроме того, преобразователь частоты позволяет быстро менять направление вращения. Чтобы изменить порядок следования фаз, достаточно простого управляющего сигнала. После этого подключенный асинхронный двигатель будет работать в противоположном направлении.

Какие типы преобразователей существуют?

Бывают преобразователи с управлением по току и с управлением по напряжению. В работе они различаются следующим образом:

• Преобразователи частоты с управлением по току поддерживают отношение тока к частоте (I/f) всегда постоянным и применяются в верхнем мегаваттном диапазоне.
• А в нижнем мегаваттном и в киловаттном диапазонах последним словом техники являются преобразователи частоты с управлением по напряжению. Они поддерживают на постоянном уровне отношение напряжения к частоте: То есть если двигатель, рассчитанный на напряжение 230 В и частоту 50 Гц, должен работать с частотой 25 Гц, то и напряжение уменьшается вдвое до 115 В.

Проще говоря, в преобразователе частоты с управлением по напряжению происходит следующее: На входе имеется выпрямитель, который преобразует переменное напряжение электросети в постоянное напряжение. Затем это постоянное напряжение сглаживается и стабилизируется звеном постоянного тока. Далее действующий со стороны двигателя инвертор генерирует переменное напряжение с выходной частотой, необходимой для приводной системы. Получаемое при этом отношение „напряжение/частота“ определяет необходимую частоту вращения двигателя. Задание или расчет необходимой частоты вращения выполняет встроенный блок управления, который соединяет друг с другом все компоненты.

Где применяются преобразователи?

Преобразователи частоты используются в самых разных отраслях и задачах промышленности. Будь то приводы насосов и вентиляторов, обрабатывающих станков, конвейеров и сборочных линий, кранов или роботизированных систем: представить себе промышленное производство без преобразователей частоты уже невозможно. Ведь там адаптированная или непрерывно регулируемая частота вращения обеспечивает оптимизированные технологические процессы – с тем дополнительным преимуществом, что приводы с регулированием частоты вращения способствуют экономии энергии при работе

Преобразователи для любых установок и машин

В зависимости от спроса и требований наши преобразователи частоты доступны в различных исполнениях и с множеством дополнительных функций. К тому же очень важно, где нужно разместить преобразователь частоты – на стене, в центральном и защищенном месте в электрошкафу или прямо в цеху, то есть децентрализованно. И в зависимости от того, насколько проста или сложна та или иная приводная система, применяются либо простые преобразователи частоты, либо так называемые специальные преобразователи с большим объемом функций или многоосевые сервоусилители

SEW-EURODRIVE был первой компанией, которая разработала децентрализованную технику и вывела на рынок соответствующие преобразователи частоты и мехатронные приводы. С их помощью пользователи оборудования значительно сокращают затраты на монтаж и создают себе много возможностей для модульного построения своих систем, независимых от электрошкафа. Кроме того, в нашем ассортименте в области преобразовательной техники есть устройства рекуперации энергии в сеть, которые комбинируются с одним или несколькими преобразователями частоты и приводными преобразователями. Также мы предлагаем простые пускатели двигателя для встраивания в

Преобразователи частоты для монтажа в электрошкафу

От простого преобразователя до стандартного или специального преобразователя и далее до модульного сервопреобразователя – мы предлагаем вам широкий ассортимент приводной электроники для централизованного размещения в электрошкафу или распределительном щите:

Преобразователи частоты для настенного монтажа

Еще одна и при этом менее затратная возможность централизованного размещения преобразователей частоты – это настенный монтаж. Он всегда используется в тех случаях, когда приобретать дорогой электрошкаф нерационально. Наши преобразователи частоты, которые подходят для такого способа монтажа, имеют соответствующую степень защиты от IP 54 до IP 66 (для пыльных и влажных условий окружающей среды).

Пускатели двигателя для децентрализованного монтажа

Достаточно ли для вашей приводной системы функции именно преобразователя? Или вам нужно простое включение/выключение двигателя или переключение направления вращения двигателя с левого на правое? Подходящие продукты в ассортименте SEW-EURODRIVE найдутся и для этого случая:

Преобразователи частоты для децентрализованного монтажа

Для размещения вашей приводной электроники рядом с двигателем или мотор-редуктором мы предлагаем широкий выбор преобразователей частоты: от простого преобразователя с настройкой темпа для надежного применения в простых системах до стандартного преобразователя с расширенными функциями регулирования и далее до свободно программируемого специального преобразователя для систем сложной архитектуры. А если вам нужно децентрализованным образом реализовать многоосевые перемещения, а также системы с цепочкой рабочих модулей, то лучшим выбором будут многоосевые сервоусилители. Децентрализованные преобразователи в нашем ассортименте:

Какие типы двигателей можно использовать с частотно-регулируемыми приводами?

Различные типы промышленных двигателей, которые могут использоваться с частотно-регулируемыми приводами:

• Электродвигатель постоянного тока: электродвигатели постоянного тока все еще производятся, хотя количество активных производителей значительно сократилось, особенно тех, которые все еще производят большие электродвигатели постоянного тока (> 1 МВт).
• Асинхронный двигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором: Этот тип двигателя является наиболее часто используемым двигателем в промышленных процессах с частотно-регулируемыми приводами.
• Асинхронный двигатель с фазным ротором: этот тип двигателя традиционно использовался в частотно-регулируемом приводе, когда нагрузка требовала высокого пускового момента, а мощность сети электропитания была недостаточной для прямого пуска от сети (DOL). Работа с переменной скоростью достигается за счет изменения эффективного сопротивления в цепи ротора.
• Синхронный двигатель переменного тока с бесщеточным возбуждением переменного тока или щеточным возбуждением.
• Синхронный двигатель переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов: этот тип двигателя специально разработан для работы с частотно-регулируемым приводом.Синхронные двигатели используются в основном в диапазонах высокой мощности для минимизации затрат за счет минимизации номинального тока преобразователя частоты и из-за отсутствия асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Наиболее распространенным электрическим частотно-регулируемым приводом, используемым сегодня в промышленности, является преобразователь частоты, использующий типологию инвертора напряжения (VSI) и управляющий асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором.

Диапазон мощности частотно-регулируемых приводов типа VSI простирается от дробных кВт, таких как 0,18 кВт до 2 000 кВт в диапазоне низкого напряжения и от 200 кВт до 30 МВт в диапазоне среднего напряжения.Низкие напряжения, представляющие интерес для местного рынка, представляют собой стандартные напряжения IEC (Международной электротехнической комиссии), а именно: однофазное 230 В, трехфазное 400 В и трехфазное 690 В при входной частоте 50 Гц. Чтобы удовлетворить потребности рынка 525 В, используются частотно-регулируемые приводы с номинальным напряжением 600 В и 690 В. На уровне среднего напряжения представляющие интерес напряжения составляют 3 300 В, 6 600 В и 11 000 В. Экономические факторы должны быть определяющим фактором в отношении номинального напряжения привода при требуемой номинальной мощности, хотя это не всегда так.

Почему следует использовать трехфазный асинхронный двигатель с частотно-регулируемым приводом переменного тока (VFD)

Частотно-регулируемый привод (VFD) - это тип привода с регулируемой скоростью, который используется для управления электродвигателями, приводимыми в действие переменным током (AC ). В промышленности используются два основных типа двигателей переменного тока: синхронные и индукционные. Есть несколько причин, по которым вы должны использовать трехфазный асинхронный двигатель с вашим частотно-регулируемым приводом.

Блог по теме: 5 вещей, которые необходимо знать перед проектированием центра управления двигателями

---

Какие типы двигателей есть у Mader?

---

Синхронные и асинхронные двигатели

Синхронные двигатели переменного тока работают с использованием роторов, которые вращаются с той же скоростью, что и вращающиеся магнитные поля.Двигателю требуется источник постоянного тока (DC) для создания потока электричества в обмотки статора и создания вращающегося электромагнитного поля. Полная блокировка между статором и направлением вращения ротора определяет, что двигатель работает синхронно или вообще не работает.

Асинхронные двигатели - наиболее распространенные двигатели, используемые в промышленном оборудовании, таком как насосы, конвейеры и воздуходувки. Они также работают с использованием электромагнитных полей, но классифицируются по количеству фаз.«Фаза - это количество отдельных электрических токов, активирующих катушки, расположенные вокруг статора.

В трехфазном двигателе три тока используются для возбуждения трех или кратных трех катушек. Трехфазные двигатели самозапускаются и не требуют внешнего источника постоянного тока. Скорость ротора в асинхронном двигателе варьируется в зависимости от колебания магнитной индукции, и это колебание приводит к тому, что ротор вращается с меньшей скоростью, чем скорость магнитного поля статора.

Какие условия влияют на скорость ротора асинхронного двигателя?

• Частота сети переменного тока
• Количество катушек, составляющих статор
• Нагрузка на двигатель

Чем выше требования к нагрузке, тем больше разница (скольжение) между скоростью ротора и скоростью вращающегося магнитного поля.Чтобы отрегулировать скорость асинхронного двигателя переменного тока, необходимо изменить частоту источника переменного тока, что является целью преобразователя частоты.

Трехфазный асинхронный двигатель и частотно-регулируемый привод

Добавление частотно-регулируемого привода к трехфазному асинхронному двигателю позволяет изменять скорость двигателя в соответствии с его нагрузкой, экономя энергию. Напряжение и частота задаются точным методом при запуске двигателя, что также исключает потери энергии. Другие преимущества, включают:

• Увеличенный срок службы двигателя переменного тока
• Экономичный контроль скорости
• Меньше техобслуживания, чем двигатель с постоянным током

Трехфазные асинхронные двигатели широко используются во многих отраслях промышленности, поскольку они самозапускающиеся, мощные и эффективные.Двигатели, управляемые с помощью частотно-регулируемого привода, являются наиболее эффективными, плавными и энергосберегающими.

Если у вас есть какие-либо вопросы о двигателях или вы хотите поговорить со специалистом о возможных вариантах, свяжитесь с Mader Electric сегодня и поговорите с членом нашей команды.

Блог по теме: частотно-регулируемый привод (ЧРП) Часто задаваемые вопросы

Основы частотно-регулируемых приводов

Когда Тесла впервые представил трехфазный асинхронный двигатель переменного тока (AC) в 1888 году, он знал, что его изобретение было более эффективным и надежным, чем двигатель постоянного тока (DC) Эдисона.Однако для управления скоростью двигателя переменного тока требуется либо изменение магнитного потока, либо изменение числа полюсов двигателя. Даже спустя десятилетия после того, как асинхронный двигатель получил широкое распространение, изменение частоты для управления скоростью оставалось чрезвычайно сложной задачей, а физическая конструкция двигателя не позволяла производителям создавать двигатели с более чем двумя скоростями.

В результате двигатели постоянного тока были необходимы там, где требовались точный контроль скорости и значительная выходная мощность.В отличие от требований к управлению скоростью электродвигателя переменного тока, управление скоростью электродвигателя постоянного тока было достигнуто за счет включения реостата в цепь возбуждения постоянного тока малой мощности, что было осуществимо с использованием имеющихся технологий. Эти простые средства управления двигателем меняли скорость и крутящий момент, и в течение ряда десятилетий были наиболее экономичным способом сделать это.

Рис. 1. Идеальная синусоида и форма сигнала ШИМ.

К 1980-м годам технология приводов двигателей переменного тока стала достаточно надежной и недорогой, чтобы конкурировать с традиционными системами управления двигателями постоянного тока.Эти частотно-регулируемые приводы (ЧРП) точно регулируют скорость стандартных асинхронных или синхронных двигателей переменного тока. При использовании частотно-регулируемых приводов управление скоростью с полным крутящим моментом достигается от 0 об / мин до максимальной номинальной скорости и, если требуется, выше номинальной скорости при пониженном крутящем моменте. ЧРП регулируют частоту своего выхода, преобразуя входящий переменный ток в постоянный, а затем используя широтно-импульсную модуляцию напряжения для воссоздания формы выходного переменного тока и напряжения. Однако этот процесс преобразования частоты приводит к потере от 2% до 3% тепла в частотно-регулируемом приводе - калорийной энергии, которая должна рассеиваться.Процесс также приводит к скачкам перенапряжения и гармоническим искажениям тока.

Частотно-регулируемые типы

Существует три распространенных типа частотно-регулируемых приводов. Инверсия источника тока (CSI) успешно используется в системах обработки сигналов и в промышленных энергетических приложениях. CSI VFD - единственный тип, который имеет возможность рекуперации энергии. Другими словами, они могут поглощать обратный поток мощности от двигателя к источнику питания. ЧРП CSI выдают очень чистую форму волны тока, но требуют больших и дорогих индукторов в своей конструкции и вызывают зубчатое движение (пульсирующее движение во время вращения) ниже 6 Гц.

Приводы с инверсией источника напряжения (VSI) имеют низкий коэффициент мощности, могут вызывать зубчатую передачу двигателя ниже 6 Гц и не являются регенеративными. Следовательно, диски CSI и VSI не получили широкого распространения.

ЧРП

с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) чаще всего используются в промышленности из-за отличного входного коэффициента мощности благодаря фиксированному напряжению на шине постоянного тока, отсутствию зубчатого зацепления двигателя, более высокой эффективности и более низкой стоимости. ЧРП с ШИМ использует серию импульсов напряжения разной длины для имитации синусоидальной волны ( рис.1 на странице 8). В идеале импульсы синхронизированы так, чтобы средний интеграл привода по времени давал идеальную синусоиду. Текущий метод получения этой формы волны пропускает треугольную волну и синусоидальную волну через компаратор и выдает импульс напряжения всякий раз, когда значение синусоидальной волны больше, чем треугольная волна. В качестве электрического компонента тока для генерации импульса напряжения используется биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), хотя кремниевые выпрямители (SCR) также могут работать.В ближайшем будущем для выполнения этой задачи будут использоваться затворные транзисторы с усиленной инжекцией (IEGT). В более долгосрочной перспективе мемристоры, вероятно, станут предпочтительным компонентом для этой задачи.

Мемристоры - четвертый пассивный элемент схемы, связывающий электрический заряд и магнитный поток. Предполагается, что мемристоры существуют уже более 30 лет, но не были изготовлены до апреля 2008 года Hewlett Packard Labs. Hewlett Packard надеется использовать эти устройства в качестве пассивных транзисторов, уменьшая их тепловыделение по сравнению с другими типами памяти.Независимо от компонента, используемого для формирования синусоидальной волны, переключение вызывает проблемы.

Тепло, потери мощности и гармоники

Первая проблема, которую необходимо решить производителю частотно-регулируемого привода, - это нагрев. Хотя частотно-регулируемые приводы являются высокоэффективными устройствами, производители не могут создать идеальный набор компонентов. Потери тепла в приводе регулируются следующим уравнением:

H _потери = P _t (1-η)

Где H _loss - потеря мощности (Вт), P _t - мощность, проходящая через привод (Вт), а η - эффективность привода.Обычно ЧРП имеют рейтинг эффективности от 95% до 98%. Это означает, что количество воздуха, которое должно пройти через привод, определяется уравнением:

м = H _потери ÷ (C _p ΔT) = P _t (1-η) ÷ (C _p ΔT)

Где m - массовый расход (кг / с), C _p - удельная теплоемкость воздуха [кДж ÷ (кг × K)], а ΔT - разница температур между входящим и выходящим воздухом ( К). Это тепло может привести к значительным затратам на охлаждение, которые будут добавлены к конструкции, особенно если привод не может быть размещен в неклассифицированном месте (в зоне, свободной от горючих газов или частиц).Если привод должен быть размещен в засекреченном месте, то воздушный поток, идущий к приводу, необходимо будет продуть и создать давление.

Рис. 2. Реальная синусоида и форма сигнала ШИМ. Обратите внимание, как гармоники влияют на форму синусоиды.

Нагрев - только одна из проблем с частотно-регулируемыми приводами. Другая серьезная проблема связана с системными гармониками. Изображение ШИМ и вызываемых ими гармоник показано на рис. Рис. 2 . Неравномерности синусоидальной волны называются гармониками.В идеальном мире силовых цепей этих гармоник не должно быть. Они ничего не делают, но создают проблемы. К счастью, есть несколько способов уменьшить гармоники.

Один из простейших методов борьбы с гармониками - разместить синусоидальный фильтр по обе стороны от частотно-регулируемого привода. Со стороны линии они обычно называются линейными реакторами и имеют значения реактивного сопротивления от 1,5% до 5,0% импеданса. Более высокий импеданс не только задерживает больше гармоник, но также ограничивает мощность, поступающую на частотно-регулируемый привод.

Еще одна тактика, которую можно использовать на линейной стороне частотно-регулируемого привода, - это разместить конденсаторы на общей шине. Поскольку импеданс конденсатора обратно пропорционален частоте сигнала, гармоники видят короткое замыкание через конденсатор и проходят через конденсатор на землю, игнорируя другие нагрузки на шине. VFD могут также использовать активный интерфейс для ограничения гармоник, которые видит сторона линии. Активный входной каскад имеет еще один переключатель IGBT с обратным напряжением в качестве основного IGBT, но он проходит через фильтр верхних частот, так что основной сигнал мощности идет на землю.Сумма двух гармонических сигналов в идеале должна быть равна нулю. Если активный внешний привод по какой-либо причине не подходит, можно приобрести пассивный внешний VFD. Пассивные входные частотно-регулируемые приводы используют несколько фазосдвигающих трансформаторов и диодные мосты для подавления гармоник.

Чем больше импульсов у пассивного внешнего частотно-регулируемого привода, тем меньше проблем с гармониками. Компромисс заключается в том, что линейные напряжения должны быть хорошо сбалансированы, а каждый дополнительный фазосдвигающий трансформатор увеличивает стоимость и снижает эффективность.В крайних случаях можно приобрести изолирующий трансформатор. Хотя это один из самых эффективных способов предотвращения распространения гармоник, он также является одним из самых дорогостоящих.

Если гармоники недостаточно подавлены на линии VFD, могут возникнуть перекрестные помехи и перегрев. Перегрев может привести либо к уменьшению размеров шины, либо к увеличению затрат на охлаждение. Перекрестные помехи определяются как сигнал от одной цепи, создающей помехи другой цепи. Вообще говоря, это более серьезная проблема, чем перегрев.Примером может служить радиоприемник, который слегка расстроен. Несмотря на то, что через помехи можно слышать музыку, статические помехи раздражают. Перекрестные помехи - это неприятная вещь в телекоммуникационных цепях. В силовых цепях перекрестные помехи вызывают перегрев и срабатывание реле частоты.

Точно так же, как гармоники, оставленные неотмеченными на стороне линии, могут вызывать проблемы, они могут создавать проблемы и на стороне нагрузки. Это из-за природы волн. Например, небольшое усилие, приложенное к Slinky с обоих концов, вызовет синусоидальную волну большой амплитуды.Электромагнитные волны действуют таким же образом, а это означает, что небольшое реактивное сопротивление может вызвать большие скачки напряжения. Поскольку это реактивное сопротивление является индуктивным по своей природе, большинство выходных фильтров представляют собой конденсаторы, подключенные по схеме треугольника. В идеале это должно привести к нулю реактивной части импеданса. Если полное сопротивление подобрано правильно, этого не произойдет.

Предупреждение: конденсаторы, подключенные на стороне нагрузки частотно-регулируемого привода, могут создать большое количество проблем, вплоть до выхода из строя привода.Поэтому перед установкой синусоидального фильтра на стороне нагрузки частотно-регулируемого привода рекомендуется проконсультироваться с производителем привода. В редких случаях может использоваться активный фильтр. Хотя они, как правило, работают хорошо, они довольно дороги и обычно должны разрабатываться индивидуально.

Преимущества ЧРП

Несмотря на то, что частотно-регулируемые приводы генерируют большое количество гармоник и тепла, они не получили бы такого широкого распространения и популярности, как сегодня, если бы не имели значительной экономической выгоды.

Электрически частотно-регулируемые приводы работают с высоким коэффициентом мощности. Асинхронные двигатели любого класса обычно имеют низкий коэффициент мощности при нагрузке на половину и три четверти (от 0,75 до 0,85). Это фактически сокращает срок службы двигателя, поскольку из-за ненужного увеличения тока происходит перегрев изоляции обмотки. VFD обходят эту проблему, управляя нагрузкой с частотой ниже основной.

Самая очевидная причина приобрести частотно-регулируемый привод - регулирование скорости. Обычно это делается для технологических, эксплуатационных и экономических выгод.Одно экономическое преимущество заключается в сокращении объема технического обслуживания при использовании частотно-регулируемого привода, особенно при отсутствии необходимости иметь дело с угольными щетками двигателя постоянного тока или механическими коробками передач (трансмиссиями) с регулировкой скорости. Наиболее очевидные экономические преимущества частотно-регулируемых приводов связаны с вентиляторами и насосами. Мощность, потребляемая насосом или вентилятором, прямо пропорциональна кубу скорости. Это означает, что если оператор может запустить вентилятор на 80% от полной скорости, он теоретически использует 51% от полной мощности нагрузки.

ЧРП

также оптимизируют пусковые характеристики двигателя.VFD быстро разгоняют двигатели до полной скорости, потребляя от 100% до 150% тока полной нагрузки (FLA). Эта возможность запуска с нормальным значением FLA очень важна, если источник питания не может выдержать обычно шестикратное значение FLA при пуске через линию или даже ток устройства плавного пуска в размере 350% FLA. ЧРП делают это, управляя магнитным потоком асинхронного двигателя. Магнитный поток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален частоте. При поддержании постоянного магнитного потока пусковой ток не превышает номинального значения FLA двигателя, и сохраняется полный крутящий момент.Это значительное улучшение по сравнению с плавным пуском, который имеет значительные проблемы с падением напряжения и не может запускаться при полной нагрузке.

Другой потенциально полезный аспект VFD продемонстрирован на Fig. 3 , (щелкните здесь, чтобы увидеть Fig. 3 ), который показывает выходной сигнал VFD с постоянным крутящим моментом. Обратите внимание на две области: постоянный крутящий момент и постоянную мощность. Область постоянного крутящего момента не требует пояснений; ЧРП регулирует поток так, чтобы ток был постоянным.Как только частотный преобразователь частоты превышает номинальную частоту системы, напряжение не может увеличиваться из-за физических ограничений системы. Поскольку напряжение статично, а частота увеличивается, поток вынужден уменьшаться. Когда это происходит, ток и крутящий момент также уменьшаются. Это называется ослаблением поля. Хотя это не обязательно хорошо, это может быть полезно, если есть потребность в питании нагрузки с частичным крутящим моментом выше номинальной скорости. В дополнение к этой возможности, частотно-регулируемые приводы могут также принимать любую форму входного питания, будь то однофазный переменный ток, трехфазный переменный ток или постоянный ток.ЧРП, питаемые от источника постоянного тока, по-прежнему питают нагрузку переменного тока без внутреннего выпрямителя.

ЧРП

также могут применяться в электросетях. Одним из классических примеров этого является индукционный генератор с двойным питанием, в котором частотно-регулируемый привод может выдавать сигнал фиксированной частоты и напряжения на вход переменной скорости (частоты). Это обычно наблюдается в ветряных турбинах и других проектах малых гидроэлектростанций, которые будут подключены к электросети. Другие возобновляемые источники энергии, такие как фотоэлектрические элементы, могут использовать частотно-регулируемые приводы для работы в качестве инвертора перед подключением к электросети, хотя инверторы с понижающей-повышающей технологией более распространены.Хотя существует множество потенциальных применений частотно-регулируемых приводов в коммерческой электросети, они выходят за рамки данной статьи.

Таким образом, всякий раз, когда нагрузка имеет либо переменный крутящий момент, либо переменную скорость, следует рассмотреть возможность использования частотно-регулируемого привода. VFD можно рассмотреть, если у большого двигателя есть проблема с падением напряжения, крутящим моментом или пусковым током во время запуска. Несмотря на то, что частотно-регулируемые приводы, несомненно, решают изрядное количество проблем и обеспечивают значительную экономию энергии, выделяемое ими тепло необходимо рассеивать, а генерируемые ими гармоники необходимо ослаблять.

Новак - инженер-электрик в компании Fluor, Inc., Шугар Ленд, Техас. С ним можно связаться по телефону [email protected]

Введение в контроллер частотно-регулируемого привода для асинхронного двигателя

Введение

Однофазные асинхронные двигатели широко используются в бытовой технике и промышленных устройствах управления. Однофазный асинхронный двигатель с постоянным разделенным конденсатором (PSC) является самым простым и наиболее широко используемым двигателем этого типа.

По конструкции двигатели PSC однонаправленные, что означает, что они предназначены для вращения в одном направлении.Направление вращения можно изменить путем добавления дополнительных обмоток, внешних реле и переключателей или использования зубчатых передач. В этой идее мы подробно обсудим, как управлять скоростью двигателя PSC в обоих направлениях с помощью микроконтроллера PIC16F72 и силовой электроники.

Микроконтроллер PIC16F72 был выбран потому, что это один из самых простых и недорогих микроконтроллеров общего назначения, которые Microchip имеет в своем портфолио. Несмотря на то, что он не имеет аппаратных ШИМ для управления дополнительными выходами ШИМ со вставленной зоной нечувствительности, все ШИМ генерируются в микропрограммном обеспечении с использованием таймеров и выводятся на выходные выводы общего назначения.

Что такое частотно-регулируемый привод?

Частотно-регулируемый привод или ЧРП - это способ, который позволяет управлять скоростью асинхронного двигателя, применяя переменную частоту напряжения питания переменного тока. Управляя выходной частотой переменного тока, можно управлять двигателем с разными скоростями в зависимости от требований. Это приводы с регулируемой скоростью, которые широко используются в промышленных приложениях, таких как насосы, системы вентиляции, лифты, приводы станков и т. Д. Это, по сути, энергосберегающая система.Поэтому первое требование - генерировать синусоидальную волну с разными частотами для VFD.

Какая технология используется в ЧРП?

Это система, которая выдает выход переменного тока с переменной частотой для управления скоростью двигателя в соответствии с потребностями. Однофазные преобразователи частоты более распространены, поскольку большинство устройств работают от однофазного источника переменного тока. Он состоит из двухполупериодного мостового выпрямителя для преобразования 230/110 В переменного тока примерно в 300/150 В постоянного тока.Выходной постоянный ток мостового выпрямителя сглаживается сглаживающим конденсатором большой емкости для удаления пульсаций переменного тока. Это постоянное постоянное напряжение затем подается в схему генерации частоты, образованную транзисторами MOSFET (металлооксидный полевой транзистор) / IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором). Эта схема MOSFET / IGBT принимает постоянный ток и преобразует его в переменный ток с переменной частотой для управления скоростью устройства.

Изменение частоты может быть достигнуто с помощью электронных схем или микроконтроллера.Эта схема изменяет частоту напряжения (ШИМ), подаваемого на привод затвора схемы MOSFET / IGBT. Таким образом на выходе появляется переменное напряжение переменной частоты. Микроконтроллер можно запрограммировать на изменение выходной частоты в соответствии с потребностями.

Система ЧРП:

Устройство переменной частоты состоит из трех частей, таких как двигатель переменного тока, контроллер и рабочий интерфейс.

Двигатель переменного тока, используемый в частотно-регулируемом приводе, обычно является трехфазным асинхронным двигателем, хотя в некоторых системах используется однофазный двигатель.Обычно используются двигатели, предназначенные для работы с фиксированной скоростью, но некоторые конструкции двигателей обеспечивают лучшую производительность в VFD, чем стандартная конструкция.

Контроллер представляет собой твердотельную схему электронного преобразователя мощности для преобразования переменного тока в постоянный, а затем в квазисинусоидальный переменный ток. Первая часть - это секция преобразователя переменного тока в постоянный, имеющая двухполупериодный выпрямительный мост, обычно трехфазный / однофазный двухполупериодный мост. Этот промежуточный постоянный ток затем преобразуется в квазисинусоидальный переменный ток с помощью схемы переключения инвертора.Здесь MOSFET / IGBT транзисторы используются для преобразования постоянного тока в переменный.

Секция инвертора преобразует постоянный ток в три канала переменного тока для привода трехфазного двигателя. Секция контроллера также может быть спроектирована так, чтобы обеспечить улучшенный коэффициент мощности, меньшие гармонические искажения и низкую чувствительность к переходным процессам входного переменного тока.

Управление вольт / Гц:

Схема контроллера регулирует частоту переменного тока, подаваемого на двигатель, с помощью метода управления вольт на герц. Электродвигателю переменного тока требуется переменное подаваемое напряжение при изменении частоты для достижения заданного крутящего момента.Например, если двигатель рассчитан на работу от 440 В при 50 Гц, то переменный ток, подаваемый на двигатель, должен быть уменьшен до половины (220 В), когда частота изменится на половину (25 Гц). Это регулирование основано на вольт / Гц. В приведенном выше случае соотношение составляет 440/50 = 8,8 В / Гц.

Другие методы управления напряжением:

Помимо управления вольт / Гц, для управления скоростью двигателя также используются более продвинутые методы, такие как прямое управление крутящим моментом или DTC, пространственно-векторная широтно-импульсная модуляция (SVPWM) и т. Д.Управляя напряжением в двигателе, можно точно контролировать магнитный поток и крутящий момент. В методе ШИМ инверторные переключатели создают квазисинусоидальную волну через серию узких импульсов с псевдосинусоидальной изменяющейся длительностью импульсов.

Рабочий интерфейс:

Этот раздел позволяет пользователю запускать / останавливать двигатель и регулировать скорость. Другие возможности включают реверсирование двигателя, переключение между ручным и автоматическим управлением скоростью и т. Д. Рабочий интерфейс состоит из панели с дисплеем или индикаторами и измерителями для отображения скорости двигателя, приложенного напряжения и т. Д.Для управления системой обычно предоставляется набор клавишных переключателей.

Встроенный мягкий пуск:

В обычном асинхронном двигателе, включенном с помощью переключателя переменного тока, потребляемый ток намного превышает номинальное значение и может увеличиваться с увеличением ускорения нагрузки для достижения полной скорости двигателя. .

С другой стороны, в двигателе, управляемом частотно-регулируемым приводом, сначала применяется низкое напряжение с низкой частотой. Эта частота и напряжение увеличиваются с контролируемой скоростью для ускорения нагрузки.Это развивает крутящий момент, почти превышающий номинальное значение двигателя.

Коммутация двигателя с частотно-регулируемым приводом

:

Частота и подаваемое напряжение сначала снижаются до контролируемого уровня, а затем продолжают уменьшаться, пока оно не станет равным нулю и двигатель не отключится.

Прикладная схема для управления скоростью однофазного асинхронного двигателя

Этот подход относительно прост в том, что касается силовой цепи и цепи управления. На входной стороне используются удвоители напряжения, а на выходной стороне используется H-мост или двухфазный инвертор, как показано на рисунке 2.Один конец основной и пусковой обмоток подключаются к каждому полумосту, а другие концы подключаются к нейтральной точке источника питания переменного тока.

Для схемы управления требуются четыре ШИМ с двумя дополнительными парами с достаточной зоной нечувствительности между дополнительными выходами. Мертвая зона ШИМ - это PWM0-PWM1 и PWM2-PWM3. PIC16F72 не имеет ШИМ, разработанных на оборудовании для вывода нужным нам образом. Что касается VF, шина постоянного тока синтезируется путем изменения частоты и амплитуды.Это даст два синусоидальных напряжения в противофазе.

Если напряжение, приложенное к основной обмотке, отстает от пусковой обмотки на 90 градусов, двигатель вращается в одном (т. Е. Вперед) направлении. Если мы хотим изменить направление вращения, тогда напряжение, приложенное к основной обмотке, должно проводить пусковую обмотку.

Надеюсь, вы получили представление о частотно-регулируемом приводе для асинхронного двигателя из этой статьи. поэтому, если у вас есть какие-либо вопросы по этой концепции или электрическому и электронному проекту, оставьте, пожалуйста, раздел комментариев ниже.

Принципы работы - преобразователи частоты переменного тока

a. Асинхронные двигатели переменного тока

Асинхронный двигатель переменного тока построен с ротором, обмотки которого пересекают вращающееся магнитное поле, создаваемое обмотками статора.

При полной скорости нагрузки ротор вращается немного медленнее, чем синхронная скорость двигателя. Это происходит потому, что магнитное поле заставляет токи течь в обмотках ротора и создает крутящий момент, который вращает ротор; поэтому, если ротор вращается с той же скоростью, что и магнитное поле, не будет относительного движения между ротором и магнитным полем, и крутящий момент не будет создаваться.

Скорость, с которой ротор отстает от вращающегося магнитного поля, называется скольжением двигателя. Чем выше скольжение, тем больший крутящий момент вырабатывает двигатель.

Скорость, с которой вращается магнитное поле, зависит от количества полюсов или катушек, распределенных вокруг статора, и частоты тока питания. Это называется синхронной скоростью.

Синхронная скорость = 120 x частота
Количество полюсов

Типичные скорости асинхронного двигателя переменного тока составляют 3600, 1800, 1200 и 900 об / мин.

На следующей диаграмме показано соотношение крутящего момента и скорости типичного асинхронного двигателя.

Рис. 4. Кривая крутящего момента асинхронного двигателя.

Текстовая версия: Рисунок 4

Рисунок 4

График с начальным крутящим моментом по вертикальной оси от 0 до 200 и% скоростью по горизонтальной оси от 0 до 100.

Линия на графике начинается при 160 пусковом моменте и 0% скорости и изгибается вниз до 125 пускового момента при 25% скорости, где она начинает изгибаться обратно вверх, пока не достигнет пика 200 пускового момента при скорости 75%.Построенная линия затем падает до 0 пускового момента при 100% скорости. Начальная нисходящая кривая обозначена как «Момент отрыва», а спад после пика обозначен как «Момент пробоя».

г. Асинхронные двигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором

Большинство асинхронных двигателей переменного тока - это двигатели с короткозамкнутым ротором.

Обмотки ротора в двигателе с короткозамкнутым ротором представляют собой стержни из алюминия или медного сплава, которые расположены вдоль направления вала и закорочены концевыми кольцами, как показано на следующей схеме.

Рисунок 5: Схема ротора с короткозамкнутым ротором

Форма стержней и прочность сплава, используемого в их конструкции, влияют на характеристики крутящего момента двигателя.

г. Частотно-регулируемые приводы с широтно-импульсной модуляцией

При работе от источника питания постоянной частоты (обычно 60 Гц) асинхронные двигатели переменного тока являются устройствами с фиксированной скоростью.

Частотно-регулируемый привод управляет скоростью двигателя переменного тока, изменяя частоту, подаваемую на двигатель.

Привод также регулирует выходное напряжение пропорционально выходной частоте, чтобы обеспечить относительно постоянное отношение напряжения к частоте (В / Гц), как того требуют характеристики двигателя переменного тока для создания соответствующего крутящего момента.

Первым шагом в этом процессе является преобразование напряжения питания переменного тока в постоянное с помощью выпрямителя. Источник постоянного тока содержит пульсации напряжения, которые сглаживаются конденсаторами фильтра. Эту часть частотно-регулируемого привода часто называют звеном постоянного тока.

Это постоянное напряжение затем преобразуется обратно в переменное. Это преобразование обычно достигается за счет использования силовых электронных устройств, таких как силовые транзисторы IGBT, с использованием метода, называемого широтно-импульсной модуляцией (PWM). Выходное напряжение включается и выключается с высокой частотой, с длительностью включения или шириной импульса, контролируемой для приближения синусоидальной формы волны.

В более старых технологиях приводов, таких как инверторы источника тока и контроллеры переменного напряжения, в качестве устройств управления использовались тиристоры или тиристоры.Эти технологии теперь заменены ЧРП с ШИМ.

Весь процесс контролируется микропроцессором, который контролирует:

• входное напряжение питания,
• уставка скорости,
• Напряжение промежуточного контура,
• выходное напряжение и ток для обеспечения работы двигателя в установленных параметрах.

Принципиальная схема частотно-регулируемого привода с широтно-импульсной модуляцией

График сравнения напряжения и тока для частотно-регулируемого привода с широтно-импульсной модуляцией

Рисунок 6: Блок-схема типичного ЧРП с ШИМ

В простейших приводах или приложениях задание скорости - это просто уставка; однако в более сложных приложениях задание скорости поступает от контроллера процесса, такого как программируемый логический контроллер (ПЛК) или тахометр.

Предыдущая | Содержание | Следующий

Применения приводов двигателя

- Технические статьи

Электродвигатели используются повсюду в таких бытовых приборах, как стиральные машины и холодильники, а также в транспортных средствах, таких как автомобили и самолеты. Без электродвигателей у нас не было бы многих обычных современных удобств, которыми мы наслаждаемся каждый день.

Введение

Первые двигатели были изобретены в начале 19 века историческими личностями и основателями компании, такими как Вернер фон Сименс, Томас Альва Эдисон, Никола Тесла и Джордж Вестингауз.Без электродвигателей было бы очень трудно представить повседневную жизнь.

Но, возможно, еще более важны двигатели в промышленности, которые облегчили конвейерные ленты сборочных конвейеров, используемые для производства потребительских товаров, и двигатели, предназначенные для автоматических сварочных аппаратов, используемых в автомобильной промышленности. Двигатели также играют важную роль в других важных секторах, таких как медицина, аэрокосмическая промышленность и возобновляемые источники энергии. Электродвигатели используются в двух основных сферах применения. В первом случае двигатели подключены к сети и работают с фиксированной скоростью ротора.Во-вторых, это широкое применение, когда двигатели должны работать с разными скоростями и разными крутящими моментами. Это приложение требует, чтобы блок преобразования мощности был размещен между сетью и двигателем и обычно известен как частотно-регулируемый привод (VFD). Давайте подробнее рассмотрим различия между двигателями, работающими от сети с фиксированной частотой, и двигателями, работающими от частотно-регулируемого привода, и определим преимущества каждого применения.

Электросеть в сравнении с частотно-регулируемым приводом

Конечное приложение определяет, должен ли двигатель работать от частотно-регулируемого привода или только от сети с фиксированной частотой.Примерами приложений, работающих от сети с фиксированной частотой, являются насосы или вентиляторы, которые перемещают среду без необходимости регулировки скорости среды, и некоторые конвейерные ленты, используемые в горнодобывающей промышленности.

Рисунок 1: Электросеть в сравнении с частотно-регулируемыми приводами

В некоторых приложениях среда должна течь с разной скоростью или давление среды необходимо регулировать. Клапаны, демпферы или редукторы могут регулировать некоторые из этих параметров, но с большим количеством недостатков, поскольку в этом случае двигатель с фиксированной частотой, управляемый сетью, всегда выдает полную мощность, а значительная часть мощности преобразуется в тепло.Поэтому во многих приложениях большой процент электроэнергии тратится впустую, потому что эти неуправляемые двигатели не работают с их оптимальной скоростью и крутящим моментом, которые определяются нагрузкой или работой, которую необходимо выполнить.

Для преодоления этих потерь мощности используются частотно-регулируемые приводы. С помощью этих устройств преобразования мощности скорость и крутящий момент двигателя можно регулировать в широком диапазоне для удовлетворения потребностей различных приложений. С технической точки зрения наиболее важными двумя параметрами являются частота напряжения, определяющая скорость двигателя, и поддерживаемый ток, который приводит к передаваемому крутящему моменту двигателя.С коммерческой точки зрения экономия энергии и затрат была основными причинами растущей популярности частотно-регулируемых приводов, которые обычно характеризуются короткими сроками окупаемости.

Рисунок 2: Основные этапы преобразования частотно-регулируемого привода

Обычно процесс преобразования энергии из фиксированного переменного напряжения в переменное переменное напряжение выглядит следующим образом: сначала выпрямление напряжения из переменного напряжения сети в постоянное напряжение с последующим сглаживанием этого постоянного напряжения с помощью конденсаторов и, наконец, преобразование этого отфильтрованного постоянного тока. напряжение обратно в переменный ток с частотой и напряжением, определяемой желаемой скоростью и крутящим моментом двигателя.

Самым важным этапом преобразования в ЧРП является этап инверсии постоянного тока в переменный. Распространенным решением обратного преобразования постоянного напряжения обратно в переменное является использование метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который обычно требует синусоидальной модулирующей волны и треугольной несущей. Треугольная несущая волна известна как частота переключения и варьируется от нескольких сотен герц для приводов большой мощности до приблизительно 20 000 Гц для приводов меньшей мощности. Синусоидальная волна является эталоном, генерируемым схемой управления инвертора, и будет частотой, на которой будет работать двигатель.При сравнении треугольной несущей и эталонной синусоидальной волны, прямоугольное напряжение с широтно-импульсной модуляцией будет выходным сигналом VFD, который изменяет свою полярность при каждом пересечении синусоидальной волны и треугольной волны. Модулированное прямоугольное напряжение приводит в движение двигатель и приводит к синусоидальному току двигателя с высокочастотной пульсацией тока, аналогичной частоте треугольной несущей.

Линейный режим по сравнению с ЧРП

Использование частотно-регулируемого привода для управления двигателем дает несколько преимуществ.

Пусковой ток двигателя переменного тока, подключенного к сети, может варьироваться от 3 до 8 раз от номинального тока. Это связано с тем, что для намагничивания двигателя, чтобы преодолеть его инерцию, требуется большой ток. Этот высокий ток должен обеспечиваться сетью и может вызвать такие проблемы, как падение напряжения и переходные процессы, а в некоторых случаях даже отключение. Эти высокие токи также создают механические нагрузки на стержни и обмотки ротора двигателя. ЧРП запускает двигатель при нулевом напряжении и нулевой частоте и обычно требует от 50% до 75% тока двигателя при полной нагрузке.

Поскольку мощность двигателя определяется его напряжением, умноженным на его ток, потребность в мощности во время запуска намного ниже при использовании частотно-регулируемого привода по сравнению с двигателем, который напрямую подключен к сети. Это особенно верно при запуске, если потребляемая мощность нагрузки одинакова в сети или с частотно-регулируемым приводом. Если компания работает на пределе мощности с существующей системой электроустановок, недавно установленные машины без частотно-регулируемых приводов могут генерировать неподдерживаемые высокие пусковые токи и вынуждают этих операторов модернизировать свои электрические системы, чтобы выдерживать эти пиковые токи.Кроме того, с некоторых компаний взимается дополнительная плата за пиковую мощность, обеспечиваемую электросетью. VFD - хорошее решение для решения этих проблем с пусковыми импульсами тока.

Запуск двигателя вызывает высокий входной ток, который вызывает падение напряжения в линии. Некоторое чувствительное оборудование может отключиться из-за этих низких падений напряжения. Например, известно, что компьютеры, датчики и контакторы чувствительны к напряжению и могут отключаться при низком напряжении линии. Использование частотно-регулируемого привода устраняет эту проблему, поскольку двигатель запускается с нулевым напряжением / низким входным током и постепенно набирает обороты.Кроме того, изменение скорости и крутящего момента происходит на валу двигателя, когда напряжение падает, и двигатель работает непосредственно от сети. Это может быть нежелательным в некоторых производственных процессах. Управляемые приводы могут быть спроектированы так, чтобы они были менее чувствительны к изменениям напряжения в сети, что повысило «проходимость» двигателя.

Немедленный запуск двигателя через сеть создает огромную механическую нагрузку на двигатель и распределительную систему, подключенную к двигателю, что приводит к механическим ударам.VFD может ускорять двигатель с заданной рампой, снижая удары до незначительного уровня. В некоторых случаях невозможно или неприемлемо разогнать машину до максимальной мощности и скорости без плавной управляемой рампы.

Самым важным преимуществом частотно-регулируемого привода является его способность регулировать скорость двигателя в соответствии с потребностями всего приложения. Второе по важности преимущество - возможность регулировать крутящий момент двигателя. Это довольно приятная функция, которая защищает двигатель и систему, приводимую в движение двигателем, от повреждений, поскольку крутящий момент может быть ограничен или точно отрегулирован.Кроме того, можно значительно сэкономить электроэнергию, если можно будет контролировать крутящий момент двигателя. Например, двигатель с приводом от частотно-регулируемого привода, подключенный к вентилятору, будет потреблять только 1/8 своей номинальной мощности при работе на половинной скорости из-за отношения скорости к мощности в этой системе.

Контролируемая остановка или торможение двигателя может иметь такое же значение, как и его контролируемое ускорение. Наибольшие преимущества частотно-регулируемых приводов реализуются при торможении лифтов и конвейерных лент. Этот режим торможения или реверса двигателей представляет большой интерес для многих других применений.Обратный режим возможен путем изменения вращающегося поля в двигателе с помощью частотно-регулируемого привода без изменения порядка подключения фазных кабелей к двигателю. ЧРП также устраняют необходимость в клапанах, амортизаторах и редукторах. Это приводит к более компактным системам, меньшим затратам на техническое обслуживание и меньшим эксплуатационным расходам.

Основные компоненты, используемые для преобразования энергии

Важными компонентами внутри частотно-регулируемого привода являются диоды выпрямителя мощности, используемые для выпрямления входного переменного напряжения, тормозной прерыватель, который используется для рассеивания регенерированной энергии от двигателя во время торможения и защищает конденсатор промежуточного контура от повреждений, а также силовые полупроводниковые переключатели. используется для преобразования выпрямленного входного напряжения обратно в регулируемое переменное напряжение и выход переменной частоты.Требования к выпрямительным диодам не так велики, поскольку эти устройства работают на частоте входной сети (50 Гц или 60 Гц) и доступны у многих поставщиков. Требования к компонентам, используемым для стадии преобразования постоянного тока в переменный, необходимо тщательно учитывать, поскольку эти силовые полупроводниковые переключатели используются при высоком напряжении и больших токах и переключаются на высоких частотах. Обычно IGBT используются в качестве полупроводниковых переключателей из-за их оптимизации для этих приложений и знакомства разработчиков с этими промышленными приложениями.

Рисунок 3: Обзор стандартных корпусов для приводных приложений

Сегодня многие компании разрабатывают полупроводники и силовые модули, которые можно использовать в конструкциях частотно-регулируемых приводов.

Vincotech работает на этом рынке более 25 лет, имея опыт работы с модулями частотно-регулируемых приводов малой и средней мощности, и продолжает разрабатывать новые стандартные, оптимизированные и индивидуальные для клиентов модули частотно-регулируемых приводов на рынках малой и средней мощности 600 В и 1200 В.

Начиная от модулей CIB (преобразователь, инвертор, тормоз) до полумостовых модулей и выпрямительных модулей и заканчивая инверторными модулями, Vincotech может удовлетворить многие требования разработчиков по стоимости, высокой эффективности и производительности.

Заключение

Современная жизнь немыслима без преимуществ, предоставляемых частотно-регулируемыми приводами. С помощью частотно-регулируемых приводов асинхронные двигатели могут регулировать скорость и крутящий момент, пусковые токи намного ниже, а обратный режим легко реализуется.Наиболее важными преимуществами частотно-регулируемых приводов являются более низкие эксплуатационные расходы системы, отсутствие дополнительных механических компонентов и экономия электроэнергии. В целом, асинхронные двигатели и частотно-регулируемые приводы способствовали нашему повседневному удобству и обеспечивали более эффективную и чистую окружающую среду.

Об авторе

Патрик Багински - инженер по эксплуатации в Vincotech GmbH. Он регулярно пишет статьи, касающиеся силовых модулей, обсуждая такие темы, как IGBT, монтаж силовых модулей и преобразование энергии.

Эта статья изначально была опубликована в журнале Bodo’s Power Systems.

Преобразователи частоты

Преобразователи частоты

Если вы используете односкоростные двигатели для привода вентиляторов или насосов, вы можете экономия энергии за счет использования частотно-регулируемого привода.

Частотно-регулируемый привод (VFD), один из типов устройств на базе SCR, может преобразовывать односкоростной двигатель с регулируемой скоростью без каких-либо изменений в самом двигателе.Это может быть эффективным способом преобразования, например, систем подачи воздуха постоянного объема. в переменный объем. Доступны частотно-регулируемые приводы для двигателей от 1 до 300 л.с. и легко устанавливаются непосредственно в линию питания, ведущую к двигателю, заменяя существующий пускатель двигателя.

Описание

ЧРП работает по простому принципу. Скорость вращения асинхронного двигателя переменного тока зависит от количества полюсов в статоре и частоты подаваемого переменного тока.

Хотя количество полюсов в асинхронном двигателе не может быть легко изменено, переменное скорость может быть достигнута за счет изменения частоты. ЧРП выпрямляет стандартные 60 переключить питание переменного тока на постоянный, затем синтезирует выход переменного тока переменной частоты. Двигатели подключенный к VFD обеспечивает механический выход переменной скорости с высокой эффективностью. Эти устройства способны уменьшать скорость до 9: 1 (11 процентов от полной скорости), и увеличение скорости 3: 1 (300 процентов от полной скорости).

Использование контроллеров скорости двигателя в промышленности легко. Односкоростной индукционный двигатели обычно используются для привода промышленного технологического оборудования, особенно центробежного насосы и вентиляторы. VFD использует основной принцип механики переменной приложения крутящего момента, такие как вентиляторы для насосов. Расход воды или воздуха напрямую связана со скоростью насоса или вентилятора, в то время как мощность двигателя в л.с. связана с кубом скорости. Это означает, что при 50-процентном расходе или 50-процентной скорости двигателя только (50%) ³ или 12.5 требуется процент от исходной мощности на валу.

Возможности

Многие системы вентиляторов и насосов имеют экономичное применение для частотно-регулируемых приводов. Довольно часто в этих системах используется регулируемый расход с помощью дросселирующих устройств, таких как клапаны. и демпферы для изменения расхода. Дросселирующие устройства тратят лишнюю энергию на поддержание при заданной частоте и использовании частотно-регулируемого привода в таких ситуациях может быть очень рентабельно. Типичными примерами систем, использующих дросселирующие устройства, являются: подкачивающие насосы для бытового водоснабжения, системы технологической охлажденной воды или воды конденсатора, а также заслонки нагнетания вентилятора.

В других системах с переменным расходом используются механические или электрические методы, такие как впускные лопатки, выпускные демпферы, вихретоковые муфты, гидравлические муфты и шкивы с регулируемым шагом для изменения скорости вентилятора или насоса. Они более эффективны, чем дросселирующие устройства. но не так эффективен, как VFD.

Некоторые системы вентиляторов и насосов в настоящее время имеют постоянный расход, но могут быть преобразованы в переменный поточные системы путем внесения изменений в систему.Примером является постоянный объем воздуха. распределительная система. Добавление коробок переменного объема для каждой зоны и ЧРП к вентилятору приведет к преобразовать эту систему в систему с переменным расходом и сэкономить значительную энергию (и, возможно, улучшить комфорт тоже). Другой пример - система охлажденной воды с трехходовыми клапанами для перепускать охлажденную воду вокруг охлаждающего змеевика для поддержания желаемой температуры воздуха. В трехходовые клапаны могут быть заменены двумя клапанами, которые изменяют поток в змеевик и позволяют частотно-регулируемый привод для изменения скорости насоса, необходимого для поддержания давления в системе.В этом случае чиллер должен быть отсоединен от нагнетательного или распределительного трубопровода.

Приложение

Частотный привод не лишен недостатков. В результате включения • выключения выполнено с помощью частотно-регулируемого привода генерируются гармонические токи. Гармонические токи вызывают незначительное увеличение потери в электромагнитном оборудовании, таком как трансформаторы и двигатели. Сниженный мотор эффективность и уменьшенная мощность вентилятора охлаждения двигателя на пониженных скоростях приводит к немного выше рабочая температура, но перегрев двигателя возникает редко.Если власть рядом находятся конденсаторы коррекции коэффициента, цепь может иметь резонансную частоту, которая Обычно это не проблема для двигателей меньшего размера, но его следует учитывать для двигателей большего размера.

Коррекцию коэффициента мощности также следует рассматривать как опцию при указании ЧРП как Некоторые типы частотно-регулируемых приводов имеют очень низкий коэффициент мощности, особенно при низкой нагрузке.

Большинство частотно-регулируемых приводов среднего и большого размера имеют конденсаторы для коррекции коэффициента мощности и защиты качество электроэнергии в остальной части системы.