Частотный преобразователь служит для питания электродвигателей переменного тока с возможностью точного и плавного регулирования частоты питающего напряжения и, соответственно, оборотов ротора двигателя и сопряженных с ним устройств. Сегодня, благодаря качественным частотным преобразователям, можно легко включать трехфазные двигатели в однофазные сети без необходимости подключать дополнительно фазосдвигающие и пусковые конденсаторы, при этом без потери мощности.
Прежде чем включить в сеть, перед ним устанавливают автоматические выключатели. Это необходимо для защиты от короткого замыкания. Автоматы по току срабатывания подбираются близко к номинальному току двигателя. Если частотный преобразователь планируется включать в трехфазную сеть, то и автомат нужен трехфазный, чтобы все три фазы могли отключаться одновременно в случае КЗ.
Когда требуется питать частотный преобразователь от однофазной сети, то и автомат ставится однофазный, однако ток срабатывания должен соответствовать максимальному троекратному току одной фазы двигателя, который будет питаться через данный преобразователь.
Плавкие предохранители здесь, очевидно, не подойдут, поскольку в случае перегорания одной из фаз возникнет ситуация неполнофазного режима, а это опасно для прибора. В разрыв заземляющего или нулевого проводников устанавливать автоматы не рекомендуется.
Для подключения входных и выходных цепей на корпусе частотного преобразователя имеются соответствующие клеммы, которые обозначены буквами R, S, T (L1, L2, L3) - для подключения сети, и U, V, W - для подключения обмоток трехфазного двигателя. Клемма заземления обозначена значком.
Когда частотный преобразователь готов к включению в сеть через автоматы, приступают к подключению непосредственно двигателя. Прежде всего следует обратить внимание, каково выходное напряжение частотного преобразователя, и какова будет схема соединения обмоток двигателя, на какое напряжение он рассчитан. Если соединение «треугольник» («дельта»), соответствующий номинал напряжения 220 вольт, если «звезда», то в корень из трех больше, то есть 380 вольт.
Следующим шагом устанавливают пульт управления преобразователем, если таковой имеется. Инструкция к частотному преобразователю поможет вам в этом. Располагайте пульт так, чтобы доступ к нему имел только квалифицированный уполномоченный персонал. Прежде чем пускать преобразователь, установите выключатель на пульте в положение «0», и лишь затем подавайте питание на преобразователь путем включения входных автоматов.
На самом преобразователе, либо на пульте, загорится индикатор питания, после чего нажатие на кнопку «пуск» («RUN») позволит запустить преобразователь. Плавно вращая ручку регулировки частоты, либо нажатием на соответствующие кнопки управления, задайте необходимую скорость вращения ротора. Если требуется изменить направление вращения, нажмите на кнопку «реверс».
Учтите, что большинство преобразователей частоты отображает на дисплее частоту питающего напряжения в герцах, а не частоту вращения ротора двигателя. Поэтому обязательно прочитайте прежде инструкцию, и лишь потом начинайте пользоваться прибором.
Чтобы срок службы частотного преобразователя был долгим, а работа его надежной, крайне важно регулярно очищать от пыли внутренности прибора, для этого подойдет пылесос или небольшой компрессор. Со временем придется заменить и электролитические конденсаторы, ибо через 5 лет активной эксплуатации они уже не будут достаточно эффективно справляться со своими функциями.
Раз в 10 лет меняйте предохранители. Каждые 3 года проверяйте вентиляторы системы охлаждения. Раз в 6 лет проверяйте состояние внутренних шлейфов, и состояние термопасты, чтобы ничего не пересохло. Вообще, хорошо обученный с технической точки зрения специалист легко справится с задачей обслуживания. Не доверяйте обслуживание дилетантам.
Для предотвращения преждевременных неисправностей соблюдайте условия эксплуатации преобразователя, и избегайте температуры окружающей среды выше +40 градусов.
Ротор электродвигателя начинает свое вращение с помощью электромагнитных сил от вращающегося магнитного поля, вызванного обмоткой якоря. Число оборотов определяется частотой тока в сети. Стандартное значение частоты тока составляет 50 герц. Это означает, что 50 периодов колебаний совершается за 1 секунду. В минуту число колебаний составит 50 х 60 = 3000. Значит, ротор будет вращаться 3000 оборотов в минуту.
Если научиться изменять частоту тока, то появится возможность регулировки скорости двигателя. Именно по этому принципу действуют частотные преобразователи.
Современное исполнение преобразователей частоты выглядит в виде высокотехнологичного устройства, состоящего из полупроводниковых приборов, совместно с микроконтроллером электронной системы. С помощью этой системы управления изменяются важные параметры , например, число оборотов.
Изменить скорость привода можно и с помощью механического редуктора шестеренчатого типа, либо на основе вариатора. Но такие механизмы имеют громоздкую конструкцию, их нужно обслуживать. С использованием частотника (инвертора) снижается расход на техническое обслуживание, повышается функциональность привода механизма.
Виды
По конструктивным особенностям частотные преобразователи делятся:
- Индукционные.
- Электронные.
Электродвигатели асинхронного типа с фазным ротором, подключенные в режим генератора, представляют подобие индукционного частотного преобразователя. Они имеют малые КПД и эффективность. В связи с этим такие виды преобразователей не нашли популярности в использовании.
Электронные виды частотников дают возможность плавного изменения оборотов электродвигателей.
При этом реализуются два возможных принципа управления:
- По определенной зависимости скорости от частоты тока.
- По способу векторного управления.
Первый принцип самый простой, но не совершенный. Второй принцип применяется для точного изменения оборотов двигателя.
Конструктивные особенности
Рис. 1Частотные преобразователи имеют в составе основные модули:
- Выпрямитель.
- Фильтр напряжения.
- Инверторный узел.
- Микропроцессорная система.
Все модули связаны между собой. Действие выходного каскада (инвертора) контролирует блок управления, с помощью которого меняются свойства переменного тока. Частотный преобразователь для электромотора имеет свои особенности. В его состав входит несколько защит, управление которыми осуществляется микроконтроллером. Например, проверяется температура полупроводников, работает защита от превышения тока и короткого замыкания. Частотник подключается к сети питания через устройства защиты. Для запуска электродвигателя не нужен магнитный пускатель.
Выпрямитель
Это первый модуль, по которому проходит ток. Он преобразует переменный ток в постоянный, благодаря полупроводниковым диодам. Особенностью частотника является возможность его питания от однофазной сети. Разница в конструкции состоит в разных типах выпрямителей.
Если мы говорим про однофазный частотник для двигателя, то нужно использовать в выпрямителе четыре диода по мостовой схеме. При трехфазном питании выбирается схема из шести диодов. В итоге получается выпрямление переменного тока, появляется два полюса: плюс и минус.
Фильтр напряжения
Из выпрямителя выходит постоянное напряжение, которое имеет значительные пульсации, заимствованные от переменного тока. Для их сглаживания используют такие элементы, как электролитический конденсатор и катушка индуктивности.
Катушка имеет много витков, и обладает реактивным сопротивлением. Это дает возможность сглаживать импульсы тока. Конденсатор, подключенный к двум полюсам, имеет интересные характеристики. При прохождении постоянного тока он в силу закона Киргофа должен быть заменен обрывом, как будто между полюсами ничего нет. При прохождении переменного тока он должен быть проводником, то есть, не иметь сопротивления. В результате доля переменного тока замыкается и исчезает.
Инверторный модуль
Это узел, имеющий наибольшую важность в преобразователе частоты. Он изменяет параметры тока выхода, состоит из шести транзисторов. Для каждой фазы подключены по два транзистора. В каскаде инвертора применяются современные транзисторы IGBT.
Если изготавливать частотные преобразователи своими руками, то необходимо выбирать элементы конструкции, исходя из мощности потребления. Поэтому нужно сразу определить тип электродвигателя, который будет питаться от частотника.
Микропроцессорная система
В самодельной конструкции не получится добиться таких параметров, имеющихся у заводских моделей, так как в домашних условиях сделать управляющий модуль сложно. Дело не в пайке деталей, а в создании программы для микроконтроллера. Простой способ – это сделать управляющий блок, которым можно регулировать обороты двигателя, осуществлять реверс, защищать двигатель от перегрева и перегрузки по току.
Чтобы изменить обороты мотора, нужно применить переменное сопротивление, подключенное к вводу микроконтроллера. Это устройство подает сигнал на микросхему, которая производит анализ изменения напряжения и сравнивает его с эталоном (5 вольт). Система действует по алгоритму, который создается до начала создания программы. По нему действует микропроцессорная система.
Приобрели большую популярность управляющие модули Siemens. Частотные преобразователи этой фирмы надежны, могут применяться для любых электродвигателей.
Принцип действия
Основа работы инвертора состоит в двойном изменении формы электрического тока.
Напряжение подается на блок выпрямления с мощными диодами. Они удаляют гармонические колебания, однако оставляют импульсы сигнала. Чтобы их удалить, подключен конденсатор с катушкой индуктивности, образующие фильтр, который стабилизирует форму напряжения.
Далее, сигнал идет на частотный преобразователь. Он состоит из шести мощных транзисторов с диодами, защищающими от пробоя напряжения. Ранее для таких целей применялись тиристоры, но они не обладали таким быстродействием, и создавали помехи.
Чтобы подключить режим замедления мотора, в схему устанавливают транзистор управления с резистором, который рассеивает энергию. Такой способ дает возможность удалять образуемое двигателем напряжение, чтобы защитить емкости фильтра от выхода из строя вследствие перезарядки.
Метод управления векторного типа частотой инвертора дает возможность создания схемы, которая автоматически регулирует сигнал. Для этого применяется управляющая система:
- Амплитудная.
- Широтно-импульсная.
Амплитудная регулировка работает на изменении напряжения входа, а – порядка действия переключений транзисторов при постоянном напряжении на входе.
При регулировании ШИМ образуется период модуляции, когда обмотка якоря подключается по очереди к выводам выпрямителя. Так как тактовая частота генератора высокая и находится в интервале 2-15 килогерц, то в обмотке мотора, имеющего индуктивность, осуществляется сглаживание напряжения до нормальной синусоиды.
Принцип подключения ключей на транзисторах
Каждый из транзисторов включается по встречно-параллельной схеме к диоду (Рис. 1). Через цепь транзистора протекает активный ток электродвигателя, реактивная часть поступает на диоды.
Чтобы исключить влияние помех на действие инвертора и электродвигателя, в схему подключают фильтр, который удаляет:
- Радиопомехи.
- Помехи от электрооборудования.
Об их образовании дает сигнал контроллер, чтобы снизить помехи, применяются экранированные провода от двигателя до выхода инвертора.
Чтобы оптимизировать точность функционирования асинхронных двигателей, в цепь управления инверторов подключают:
- Ввод связи.
- Контроллер.
- Карта памяти.
- Программа.
- Дисплей.
- Тормозной прерыватель с фильтром.
- Охлаждение схемы вентилятором.
- Прогрев двигателя.
Схемы подключения
Частотные преобразователи служат для работы в 1-фазных и 3-фазных сетях. Но если имеются промышленные источники питания на 220 вольт постоянного тока, то инверторы также можно подключать к ним.
Частотные преобразователи для 3-фазной сети рассчитаны на 380 вольт, их подают на мотор. 1-фазные частотники работают от сети 220 вольт, выдают на выходе 3 фазы. Частотник может подключаться к электродвигателю по схеме .
Обмотки мотора соединяются в «звезду» для частотника, работающего от трех фаз 380 вольт.
Обмотки двигателя соединяют «треугольником», когда инвертор запитан от 1-фазной сети.
При выборе метода подключения электродвигателя к частотнику необходимо определить мощности, которые создает двигатель на разных режимах, в том числе и медленный режим, тяжелый запуск. Преобразователь частоты нельзя эксплуатировать с перегрузкой длительное время. Его мощность должна быть с запасом, тогда работа будет без аварий, и срок службы продлится.
Применение
Частотные преобразователи используются в устройствах с необходимостью регулировки скорости двигателя.
- Приводы насосов. Уменьшает потери тепла и воды на 10%. Снижает количество аварий, защищает электродвигатели.
- Вентиляционные системы. Экономия больше, чем при работе с насосами, так как для запуска мощных вентиляторов применяют мощные приводы агрегатов. Экономия появляется за счет снижения потерь на холостом ходу.
- Транспортеры. Инверторы адаптируют скорость двигателя к скорости технологической системы, которая постоянно изменяется. Мягкий пуск повышает ресурс привода системы, так как нет ударных нагрузок, которые вредят оборудованию.
- Компрессоры.
- Дымососы.
- Центрифуги.
- Лифтовое оборудование.
- Оборудование в деревообработке.
- Робототехника.
Преимущества
- Сглаживание работы мотора при запуске и торможении.
- Возможность управления группой двигателей.
- Плавное управление скоростью электродвигателей, без использования редукторов и других механических систем. Это позволяет упростить управление, сделать его дешевле и надежнее.
- Используются совместно с асинхронными двигателями для замены приводов постоянного тока.
- Образование многофункциональных систем управления приводами.
- Изменение настроек непосредственно в работе, без останова.
Чтобы подключить частотник к асинхронному трёхфазному двигателю, следует хотя бы на минимальном уровне разбираться в схеме его подключения и принципах работы. Нижеприведённая информация позволяет изучить данную тему.
Принцип управления электродвигателем
Ротор электрического двигателя функционирует благодаря вращению электромагнитных полей под статорной обмоткой. Скорость движения ротора находится в зависимости от промышленной частоты питающей сети.
Стандартное её значение составляет 50Гц и вызывает соответственно пятьдесят колебательных периодов за секунду. На протяжении минуты количество оборотов увеличивается до трёх тысяч. Настолько же часто осуществляются обороты ротора подвергаемого воздействию электромагнитных полей.
При изменении уровня прилагаемой к статору частоты, появляется возможность управления вращательной скоростью ротора и соединяемого с ним привода. Именно благодаря этому принципу осуществляется управление электродвигателем.
Классификация частотных преобразователей
По своим конструктивным различиям модели делятся на:
Индукционные.
Сюда относятся электрические двигатели имеющие асинхронный принцип работы. Данные устройства не отличаются высоким уровнем КПД и значительной эффективностью. Ввиду этих качеств они не имеют большой доли в общем числе преобразователей и редко применяются.
Электронные.
Пригодны для осуществления плавного управления оборотами в машинах асинхронного и синхронного типа. Управление в электронных моделях может производиться двумя способами:
Скалярный (согласно предварительно введённым параметрам взаимозависимости вращательной V и частоты).
Наиболее простой подход к управлению, довольно неточный.
Векторный.
Отличительной характеристикой является точность управления.
Векторное управление преобразователем частот
Принцип работы векторного управления заключается в следующем: при нём оказывается воздействие на магнитный поток, изменяя направление его «пространственного вектора» и регулирующий роторную частоту поля.
Создать рабочий алгоритм частотного преобразователя с векторным управлением можно при помощи двух способов:
Бессенсорное управление.
Осуществляется за счёт назначения зависимостей чередования между последовательностями широтно-импульсных модуляций инвертора для предварительно составленных алгоритмов. Регуляция размера амплитуды и выходной частоты, которую имеет напряжение, осуществляется в соответствии со скольжением и нагрузочным током, но обратная связь от роторной вращательной скорости не учитывается.
Потокорегулирование.
Рабочие токи устройства регулируются. При этом они раскладываются на активный и реактивный компонент. Это облегчает возможность внесения корректирующих изменений в рабочий процесс (изменение амплитуд, частот, векторных углов, которые имеет напряжение на выходе).
Способствует повышению точности и диапазона . Весьма актуален такой подход для устройства с малыми оборотами и высоким уровнем двигательных нагрузок.
В целом, схема векторного управления более прочих подходит для динамической регулировки вращающегося момента трёхфазного асинхронного двигателя.
Подключение транзисторных ключей
Все шесть IGBT-транзисторов соединяются с соответствующими диодами обратного тока с соблюдением встречно-параллельной схемы. После по цепи силового подключения, образуемой каждым транзистором происходит прохождение активного тока асинхронного двигателя, с последующим направлением его реактивной составляющей через диоды. С целью обеспечения безопасности инвертора и асинхронного двигателя от воздействия сторонних электрических помех конструкция преобразователя частоты может включать в себя помехозащитные фильтры. Если промышленные источники постоянного тока имеют рабочее напряжение в 220 В, то они также могут использоваться для запитывания инверторов.
Как подключить частотник к асинхронному двигателю?
Используемый для управления зачастую используется для энергоснабжения трёхфазных двигателей. С помощью также возможно обеспечить присоединение такого устройства к однофазной сети, предотвратив снижение его рабочей мощности. Этим они значимо выигрывают у конденсаторов, которые при подключении не могут сохранить исходный уровень мощности. Подробней про применение частотника для трехфазника- смотрите .
При подключении частотного преобразователя следует предварительно разместить автоматический выключатель, функционирующий от тока сети по значению равного номинальному (или наиболее близкого к таковому) уровню потребления тока в двигателе. Если используется частотник трёхфазного типа, то соответственно следует воспользоваться трёхфазным автоматом с общим рычагом. Такой вариант обеспечивает быстрое обесточивание всех фаз сразу при замыкании на одной из них.
Ток срабатывания по своим характеристикам должен совпадать с однофазным током электрического двигателя.
В случае же, если для частотного преобразователя свойственно однофазное питание, то следует применить одинарный автомат, который подходит для работы с утроенным однофазным током.
Однако, при любых обстоятельствах установку нельзя осуществлять через включение автомата в месте разрыва нулевых или заземляющих проводов. В таких условиях подразумевается только прямое включение автомата.
Дальнейшую настройку преобразователя частоты осуществляют через соединение с контактами электрического двигателя. Используются при этом фазные провода. Но предварительно производится соединение обмоток электрического двигателя по схеме «звезда» или «треугольник».
Работа по той или иной схеме базируется на том, каков тип преобразователя частоты и характер производимого им напряжения.
По стандарту корпус каждого двигателя имеет отметку с двумя значениями, которым может равняться напряжение. Если частотник продуцирует напряжение соответствующее нижней границы, то соединение осуществляется по типу «треугольник». В остальных случаях для использования принцип «звезды».
Месторасположение управляющего пульта, обязательно прилагающегося при покупке частотного преобразователя, следует подбирать тщательно, чтобы обеспечить наибольшее удобство пользования.
Подключения пульта управления осуществляется по схеме обозначенной в прилагаемой к преобразователю инструкции. После рукоятка фиксируется на нулевом уровне, и автомат включается. В этот момент должно наблюдаться свечение светового индикатора.
Для использования частотного преобразователя, следует надавить кнопку «RUN» (она уже запрограммирована надлежащим образом). Далее делается лёгкий поворот рукоятки, провоцирующий старт постепенного вращения электрического двигателя. Если вращение осуществляется в направлении, противоположном необходимому, то следует нажать реверс. После при помощи рукоятки настраивается требуемая частота вращения устройства. При этом следует учитывать, что на корпусе пульта управления зачастую прописаны не уровни , выражаемые в оборотах в минуту, а частоты, которую имеет питающее напряжение, выражаемое в герцах.
Чтобы ограничить пусковой ток и снизить пусковой момент в момент пуска асинхронного двигателя с уровнем мощности больше 5000Вт, используется подключение типа «звезда-треугольник». До достижения номинала скорости задействуется схема подключения частотного преобразователя «звезда», а после питание осуществляется по схеме «треугольник». В момент переключения уровень пускового тока уменьшается в три раза относительно прямого пуска. При начале работы по второй схеме до момента разгона двигателей ток возрастёт до уровня прямого пуска. Такой варианты наиболее актуален для, имеющих большую маховую массу, позволяя после разгона сбросить нагрузку.
Логично, что использование такой схемы возможно только с двигателями, рассчитанными на подключения обоих типов.
Проведение работы по схеме «звезда-треугольник» всегда чревато резкими скачками уровня тока в противовес плавному нарастанию в условиях прямого пуска. В момент смены соединения скорость резко снижается и увеличить её можно только увеличив силу тока.
Частотный преобразователь используется для изменения частоты напряжения, питающего трехфазный двигатель. Кроме того, частотник позволяет подключить трехфазный электрический двигатель к однофазной сети без потерь мощности. В случае, когда для этих целей применяются конденсаторы, последнее невыполнимо.
Подключение частотника предполагает размещение перед ним автоматического выключателя, работающего с током, равным номинальному (или ближайшему большему в ряду номинальных токов автоматов) потребляемому току двигателя. Если ПЧ адаптирован на работу от трехфазной сети, необходимо задействовать трехфазный автомат, имеющий общий рычаг. Такой подход позволяет в случае короткого замыкания одной из фаз оперативно обесточить и все остальные фазы. Характеристики тока срабатывания должны полностью соответствовать току одной фазы электрического двигателя. Если же частотник предназначен для однофазного питания, имеет смысл применить одинарный автомат, рассчитанный на утроенный ток одной фазы. В любом случае, установка частотника не должна осуществляется путем включения автоматов в разрыв нулевого или заземляющего провода. Здесь подключение выполняется только напрямую.
Далее настройка преобразователя частоты предусматривает присоединение его фазных проводов к соответствующим контактам электрического двигателя. Перед этим необходимо соединить в электродвигателе обмотки по схеме «треугольник» или «звезда». Конкретный тип соединения определяется характером напряжения, вырабатываемого непосредственно преобразователем частоты.
Как правило, на корпусе двигателя приведены два значения напряжения. В ситуации, когда вырабатываемому частотником напряжению соответствует меньшее из указанных, необходимо применить схему «треугольник». В противном случае обмотки соединяются по принципу «звезды».
Пульт управления, входящий в комплект поставки частотного преобразователя, располагают в удобном месте. Подключить его необходимо согласно схеме, приведенной в инструкции к ПЧ. Далее рукоятка устанавливается в нулевое положение и выполняется включение автомата. При этом на пульте загорается световой индикатор. Для работы преобразователя необходимо нажать кнопку «RUN» (запрограммировано по умолчанию). Затем необходимо немного повернуть рукоятку, чтобы электродвигатель начал постепенное вращение. В случае, если двигатель вращается в противоположную сторону, нажимается кнопка реверса. Далее следует настроить рукояткой необходимую частоту вращения. Важно учесть, что на пультах многих частотников отображается не частота вращения электрического двигателя (об/мин), а частота питающего электродвигатель напряжения, выраженная в герцах.
Частотный преобразователь (он же частотник) применяется в электротехнике для возможности регулировки питающего напряжения электрической машины (3-ёх фазный двигатель) в широком диапазоне.
Существует даже возможность питания однофазного мотора без потерь мощности. Однако эта функция присутствует только на приборах, не использующих в своей схеме конденсаторы.
При подключении частотника имеет смысл монтаж автоматов. Стоит отметить, что токи выключения должны быть точно подобраны под конкретную электрическую машину.
К примеру, если частотный преобразователь будет монтироваться на трёхфазный двигатель/генератор, имеет смысл установка трёхфазного автомата с общим рычагом.
В этом случае, даже если КЗ возникает в одной фазе, вся система будет немедленно обесточена.
В случае однофазного ЭД будет вполне достаточным установка однофазного автомата, токи выключения которого составляют увеличенные в три раза номинальные токи двигателя.
Перед непосредственным подключением частотного регулятора необходимо убедиться в способе включения обмоток электрической машины:
- звезда;
- треугольник.
От этого будет напрямую зависеть величина регулируемого напряжения. На корпусе электрической машины (на табличке) указываются значения означенного напряжения.
Если напряжение после частотного преобразователя соответствует меньшему из приведённых на табличке, следует поменять включение обмоток на тип «треугольник». Во всех остальных случаях вполне подходит «звезда».
Следует понимать, что частотник отражает не частоту вращения двигателя, а частоту питающего его напряжения.
Пульт управления электрическим аппаратом должен находиться в удобном для оператора месте. Инструкция в комплекте поможет понять главные сигналы частотника. Для старта преобразования необходимо нажать клавишу «Run» или «Start».
