Двигатели с частотным управлением принцип работы

Двигатели с частотным управлением принцип работы

Преобразователем частоты именуют статическую преобразовательную конструкцию, используемую с целью регуляции скорости вращения асинхронного электрического двигателя. Устройства данного типа, работающие на переменном токе, гораздо проще сконструированы, и их легче эксплуатировать в сравнении с двигателями, использующими постоянный ток. Это способствует популяризации асинхронного электродвигателя.

Преобразователь частоты обеспечивает плавность пуска и остановки электрического двигателя. Наиболее уместно его использование для крупного электродвигателя с большой мощностью.

Кроме частотного преобразователя для регуляции вращательной скорости могут применяться: механические вариаторы, гидравлические муфты и т. д. Однако, такие компоненты имеют ряд недостатков:

• Низкий уровень качества;
• Сложная конструкция;
• Высокая себестоимость;
• Узкий диапазон вариантов рабочей частоты.

Частотный преобразователь для электродвигателя, регулирующий уровень напряжения питающего тока и его частоту, по данным пунктам явно отличается в лучшую сторону. Как результат, КПД преобразования стремится к ста процентам при достаточно низкой угрозе поломок.

Содержание

• 1 Принципы построения частотного преобразователя
  • 1.1 С непосредственной связью
  • 1.2 С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока
• 2 Применение ЧРП
  • 2.1 Преимущества применения ЧРП
  • 2.2 Недостатки применения ЧРП
  • 2.3 Применение преобразователей частоты на насосных станциях
  • 2.4 Система позиционирования с помощью ЧРП
• 3 Потери энергии при торможении двигателя
• 4 Литература

Принцип действия

Если объяснять принцип работы частотного преобразователя, то можно сказать, что применение этого устройства позволяет эффективно и качественно управлять работой мощных асинхронных электродвигателей.

Оборудование представляет собой частотно-регулируемый привод (ЧРП), за счет которого улучшились технические характеристики машин и механизмов. Чтобы изменить число оборотов вала двигателя, необходимо отрегулировать амплитуду напряжения и частоты. Принцип работы преобразователя частоты основан на двух способах:

1. Скалярное управление — позволяет проводить регулировку согласно линейному закону, когда амплитуда и частота пропорционально зависят друг от друга. То есть изменение частоты влияет на амплитуду поступающего напряжения, которое действует на крутящий момент и коэффициент мощности механизма. Очень важно, чтобы момент нагрузки на валу электродвигателя оставался одинаковым, а отношение напряжения к выходной частоте оставалось неизменным.
2. Векторная регулировка — позволяет удерживать постоянную нагрузку при любых изменениях частоты. Осуществляет более точное управление, и электропривод мягче реагирует на изменение выходной мощности. Следует учитывать, на момент вращения влияет величина тока статора, точнее, магнитное поле, которое он создает.

Промышленное напряжение поступает на выпрямитель, который сглаживает синусоиды, оставляя пульсации сигнала. Чтобы их ликвидировать и сгладить форму выходного напряжения, предусмотрены в конструкции конденсаторы с индуктивностью.

С выпрямителя сигнал поступает на вход инвертора, состоящего из шести транзисторов с диодами, которые выполняют защитные функции от напряжения обратной полярности. Иногда в схемах могут стоять тиристоры, но они действуют медленнее и с большими помехами.

Чтобы обеспечить плавное торможение вращения, в конструкцию вмонтирован регулируемый транзистор с мощным сопротивлением. По такому принципу работает частотный преобразователь для электродвигателя.

Подключение преобразователя частот – пошаговая инструкция

Провести подключение преобразователя частоты можно различными схемами. Все зависит от того, с какой целью рассматриваемый элемент включается в сеть, к примеру, для более легкого старта или регулировки частоты вращения.

Довольно простой схемой подключения частотника можно назвать размещение устройства автоматического выключения перед ним. Подобное устройство должно быть адоптировано для работы с током, величина его должна составлять величину номинального показателя потребляемого тока электродвигателя.

Стоит отметить, что многие модели частотников могут работать с трехфазной сетью, поэтому можно выбрать обычный трехфазный автомат. На момент возникновения короткого замыкания, одна из фаз проводит обесточивание других. Если же преобразователь частоты рассчитан на однофазную сеть, стоит выбрать выключатель, который рассчитан на утроенный ток одной фазы.

Частотники рассчитаны исключительно на прямое включение в сеть.

Дальнейшая работа по подключению заключается в присоединении фазных проводов к определенным клеммам электродвигателя. Также, проводится включение внешнего тормозного резистора в цепь. Кроме этого, в сеть можно включить вольтметр для измерения напряжения в цепи на выходе после преобразователя.

Как выбрать преобразователь

На что следует обратить внимание при подборе частотных преобразователей на свой насос:

1. Мощность оборудования – от этого зависит частота вращения насоса, регулируемая преобразователем.
2. Диапазон входного напряжения – уровень напряжения в сети, при котором частотник сохраняет свою функциональность. В этом случае стоит произвести расчет, какое напряжение может возникнуть в сети. Этот показатель позволит «пережить» преобразователю колебания напряжения в сети, полностью сохранив свою работоспособность.
3. Диапазон изменений частоты – убедитесь, что выбираемое оборудование выдает именно ту частоту, которую смогут поддерживать механизм насоса и его двигатель.
4. Количество управляющих входов – для ввода различных команд, которые могут потребоваться при управлении насосом (старт, реверс, стоп, аварийная остановка и др.). Входы устанавливаются самим пользователем. Если вы стремитесь построить сложную систему, в таком случае, чем больше входов, тем лучше, для бытого применения подойдет частотник с небольшим количеством входов.
5. Количество выходных сигналов – потребуются для аналогового управления преобразователем.
6. Метод управления – как осуществляется оперативное управление преобразователем (через входы управления с автономного или локального пульта, от ПК или контролера, переключаемое или комбинированное управление).

Учитывая представленные характеристики, вы сможете подобрать такое оборудование, которое подойдет именно для вашего насоса и для ваших нужд.

Устройство и принцип действия

Принцип, на основе которого функционирует частотный привод, использует базовое свойство вращающихся электрических машин, выраженное зависимостью параметров электромагнитного поля статора от частоты напряжения. Так, угловая скорость электромагнитного поля статора асинхронного двигателя выражается формулой:

где f₁ — частота напряжения питания, р – число пар полюсов обмотки статора. Следовательно, осуществляя изменение частоты подаваемого напряжения, можно плавно регулировать угловую скорость вращающегося поля статора, а значит и частоту вращения ротора двигателя.

Структурная схема, представленная на рис.1 показывает, как устроен преобразователь частоты (ПЧ), работающий в составе ЧРЭП (ЧРЭП — частотно регулируемый электропривод).

Рис. 1. Схема частотного регулирования

Переменное сетевое напряжение U_cпромышленной частоты f_c выпрямляется диодным мостом (В) и после LC – фильтра, сглаживающего пульсации, поступает на вход инвертора (И), который является ключевым узлом всего привода.

Простой Г – образный LC – фильтр представляет собой комбинацию индуктивности (дросселя) и ёмкости (конденсатора), которые включены соответственно последовательно и параллельно нагрузке выпрямителя. Выпрямленное напряжение, кроме постоянной составляющей, содержит также переменную, имеющую вид однонаправленных пульсаций с некоторой амплитудой. Наличие высокочастотных составляющих, обусловленных пульсациями, негативно сказывается на работе электроники, поэтому частотно регулируемые электроприводы (ЧРЭП), как правило, оборудуются фильтрами подобного рода. Работает фильтр следующим образом. Индуктивность, включенная последовательно с нагрузкой, беспрепятственно пропускает постоянную составляющую тока, оказывая ей лишь незначительное активное сопротивление проводов катушки. Переменная же составляющая тока испытывает индуктивное сопротивление дросселя. При этом, в полупериод нарастания тока, дроссель индуцирует ЭДС противоположного направления. В это время происходит намагничивание сердечника, то есть накопление энергии. В этот же полупериод происходит заряд конденсатора фильтра. В полупериоде спада тока, запасенная дросселем энергия высвобождается, препятствуя его уменьшению, а конденсатор разряжается на нагрузку, также поддерживая величину тока. В результате этого происходит значительное сглаживание переменной составляющей.

Инвертор формирует на выходе переменное напряжение с изменяемой частотой и амплитудой. Основу схемы инвертора составляют силовые электронные ключи, функции которых выполняют транзисторы, изготовленные по IGBT – технологии. Для управления ключами используется принцип широтно–импульсной модуляции (ШИМ). Управляющие сигналы формирует система импульсно – фазового управления.

Процесс регулирования привода может осуществляться либо вручную, путем установки задания оператором, либо в автоматическом режиме.

Частотно-регулируемые приводы

В обиход различных сфер промышленности, которые используют насосное, вентиляционной оборудование, производства, использующие конвейерные установки, объекты генерации (ТЭЦ, ГРЭС и т.п.) и многих других, вошли такие установки как частотно-регулируемые привода (ЧРП), также называемые — преобразователями частоты (ПЧ). Данные установки и позволяют изменять частоту и амплитуду трехфазного напряжения, поступающего на электродвигатель, за счет чего и достигается гибкое изменение режимов работы управляющих механизмов.

Высоковольтный частотно-регулируемый привод

Приведем краткое описание существующих преобразователей частоты.

Конструктивно преобразователь состоит из функционально связанных блоков: блока входного трансформатора (шкаф трансформатора); многоуровневого инвертора (шкаф инвертора) и системы управления и защит с блоком ввода и отображения информации (шкаф управления и защит).

В шкафу входного трансформатора производится передача энергии от трехфазного источника питания входным многообмоточным трансформатором, который распределяет пониженное напряжение на многоуровневый инвертор.

Многоуровневый инвертор состоит из унифицированных ячеек – преобразователей. Количество ячеек определяется конкретным конструктивом и заводом-изготовителем. Каждая ячейка, оснащена выпрямителем и фильтром звена постоянного тока с мостовым инвертором напряжения на современных IGBT транзисторах (биполярный транзистор с изолированным затвором). Первоначально выпрямляется входной переменный ток, а затем с помощью полупроводникового инвертора преобразуется в переменный ток с регулируемой частотой и напряжением.

Полученные источники управляемого переменного напряжения соединяются последовательно в звенья, формируя фазу напряжения. Построение выходной трехфазной системы питания асинхронного двигателя производится включением звеньев по схеме «ЗВЕЗДА».

Система управления защиты располагается в шкафу управления и защиты и представлена многофункциональным микропроцессорным блоком с системой питания от источника собственных нужд преобразователя, устройством ввода-вывода информации и первичными сенсорами электрических режимов работы преобразователя.

Выводы

Асинхронные электродвигатели по многим параметрам превосходят двигатели постоянного тока. Превосходство это касается и устройства и надёжности. Поэтому во многих случаях пользователи выбирают именно асинхронные двигатели, руководствуясь именно соображениями насчёт их превосходства над другими устройствами.

Механическое управление током вызывает некоторые негативные последствия, так как при использовании этого варианта управления нельзя быть уверенным в стопроцентной и качественной работе оборудования. Использование частотных преобразователей для асинхронных двигателей имеет свои очень важные преимущества, которые немаловажны во многих аспектах работы с двигателями. Одним из самых главных плюсов использования электронного управления и частотников является тот факт, что эти устройства позволяют экономить расход потребляемой электроэнергии. К тому же и мощность будет больше.

Частотники следует выбирать, беря во внимание множество характеристик, которые прописываются в документации, приложенной к устройству. Частотные преобразователи, сделанные кустарно, могут пригодиться в бытовых условиях, но на производстве их использовать не стоит.

Эксплуатация преобразователей должна проводиться грамотно, в соответствии со всеми рекомендациями и правилами. Это позволит улучшить качество работы оборудования. К тому же многие советы позволят продлить работу двигателю и преобразователю. Крайне рекомендуется следить за напряжением. В случае критического повышения напряжения могут взорваться конденсаторы. Частотники должны быть использованы с оглядкой на все основные правила безопасности. Рекомендуется не браться за работу с ними в отсутствие всех необходимых знаний в этой области.