Частотный преобразователь: принцип работы для электродвигателя, асинхронного двигателя, как работает преобразователь частоты с трехфазным двигателем

Обновлено: 18.04.2024

Трехфазные асинхронные двигатели нашли самое широкое применение в промышленности и других областях. Современное оборудование просто невозможно представить без этих агрегатов. Одной из важнейших составляющих рабочего цикла машин и механизмов является их плавный пуск и такая же плавная остановка после выполнения поставленной задачи. Такой режим обеспечивается путем использования преобразователей частоты. Эти устройства проявили себя наиболее эффективными в больших электродвигателях, обладающих высокой мощностью.

С помощью преобразователей частоты успешно выполняется регулировка пусковых токов, с возможностью контроля и ограничения их величины до нужных значений. Для правильного использования данной аппаратуры необходимо знать принцип работы частотного преобразователя для асинхронного двигателя. Его применение позволяет существенно увеличить срок службы оборудования и снизить потери электроэнергии. Электронное управление, кроме мягкого пуска, обеспечивает плавную регулировку работы привода в соответствии с установленным соотношением между частотой и напряжением.

Что такое частотный преобразователь

Основной функцией частотных преобразователей является плавная регулировка скорости вращения асинхронных двигателей. С этой целью на выходе устройства создается трехфазное напряжение с переменной частотой.

Преобразователи частоты нередко называются инверторами. Их основной принцип действия заключается в выпрямлении переменного напряжения промышленной сети. Для этого применяются выпрямительные диоды, объединенные в общий блок. Фильтрация тока осуществляется конденсаторами с высокой емкостью, которые снижают до минимума пульсации поступающего напряжения. В этом и заключается ответ на вопрос для чего нужен частотный преобразователь.

В некоторых случаях в схему может быть включена так называемая цепь слива энергии, состоящая из транзистора и резистора с большой мощностью рассеивания. Данная схема применяется в режиме торможения, чтобы погасить напряжение, генерируемое электродвигателем. Таким образом, предотвращается перезарядка конденсаторов и преждевременный выход их из строя. В результате использования частотников, асинхронные двигатели успешно заменяют электроприводы постоянного тока, имеющие серьезные недостатки. Несмотря на простоту регулировки, они считаются ненадежными и дорогими в эксплуатации. В процессе работы постоянно искрят щетки, а электроэрозия приводит к износу коллектора. Двигатели постоянного тока совершенно не подходят для взрывоопасной и запыленной среды.

В отличие от них, асинхронные двигатели значительно проще по своему устройству и надежнее, благодаря отсутствию подвижных контактов. Они более компактные и дешевые в эксплуатации. К основному недостатку можно отнести сложную регулировку скорости вращения традиционными способами. Для этого было необходимо изменять питающее напряжение и вводить дополнительные сопротивления в цепь обмоток. Кроме того, применялись и другие способы, которые на практике оказывались неэкономичными и не обеспечивали качественной регулировки скорости. Но, после того как появился преобразователь частоты для асинхронного двигателя, позволяющий плавно регулировать скорость в широком диапазоне, все проблемы разрешились.

Одновременно с частотой изменяется и подводимое напряжение, что позволяет увеличить КПД и коэффициент мощности электродвигателя. Все это позволяет получить высокие энергетические показатели асинхронных двигателей, продлить срок их эксплуатации.

Принцип действия частотного преобразователя

Эффективное и качественное управление асинхронными электродвигателями стало возможно за счет использования совместно с ними частотных преобразователей. Общая конструкция представляет собой частотно-регулируемый привод, который позволил существенно улучшить технические характеристики машин и механизмов.

В качестве управляющего элемента данной системы выступает преобразователь частоты, основной функцией которого является изменение частоты питающего напряжения. Его конструкция выполнена в виде статического электронного узла, а формирование переменного напряжения с заданной изменяемой частотой осуществляется на выходных клеммах. Таким образом, за счет изменения амплитуды напряжения и частоты регулируется скорость вращения электродвигателя.

Управление асинхронными двигателями осуществляется двумя способами:

Скалярное управление действует в соответствии с линейным законом, согласно которому амплитуда и частота находятся в пропорциональной зависимости между собой. Изменяющаяся частота приводит к изменениям амплитуды поступающего напряжения, оказывая влияние на уровень крутящего момента, коэффициент полезного действия и коэффициент мощности агрегата. Следует учитывать зависимость выходной частоты и питающего напряжения от момента нагрузки на валу двигателя. Для того чтобы момент нагрузки был всегда равномерным, отношение амплитуды напряжения к выходной частоте должно быть постоянным. Данное равновесие как раз и поддерживается частотным преобразователем.
Векторное управление удерживает момент нагрузки в постоянном виде во всем диапазоне частотных регулировок. Повышается точность управления, электропривод более гибко реагирует на изменяющуюся выходную нагрузку. В результате, момент вращения двигателя находится под непосредственным управлением преобразователя. Нужно учитывать, что момент вращения образуется в зависимости от тока статора, а точнее - от создаваемого им магнитного поля. Под векторным управлением фаза статорного тока изменяется. Эта фаза и есть вектор тока осуществляющий непосредственное управление моментом вращения.

Настройка частотного преобразователя для электродвигателя

Для того чтобы преобразователь частоты для асинхронного двигателя в полном объеме выполнял свои функции, его необходимо правильно подключить и настроить. В самом начале подключения в сети перед прибором размещается автоматический выключатель. Его номинал должен совпадать с величиной тока, потребляемого двигателем. Если частотник предполагается эксплуатировать в трехфазной сети, то автомат также должен быть трехфазным, с общим рычагом. В этом случае при коротком замыкании на одной из фаз можно оперативно отключить и другие фазы.

Ток срабатывания должен обладать характеристиками, полностью соответствующими току отдельной фазы электродвигателя. Если частотный преобразователь планируется использовать в однофазной сети, в этом случае рекомендуется воспользоваться одинарным автоматом, номинал которого должен в три раза превышать ток одной фазы. Независимо от количества фаз, при установке частотника, автоматы не должны включаться в разрыв заземляющего или нулевого провода. Рекомендуется использовать только прямое подключение.

При правильной настройке и подключении частотного преобразователя, его фазные провода должны соединяться с соответствующими контактами электродвигателя. Предварительно обмотки в двигателе соединяются по схеме «звезда» или «треугольник», в зависимости от напряжения, выдаваемого преобразователем. Если оно совпадает с меньшим значением, указанным на корпусе двигателя, то применяется соединение треугольником. При более высоком значении используется схема «звезда».

Далее выполняется подключение частотного преобразователя к контроллеру и пульту управления, который входит в комплект поставки. Все соединения осуществляются в соответствии со схемой, приведенной в руководстве по эксплуатации. Рукоятка должна находиться в нейтральном положении, после чего включается автомат. Нормальное включение подтверждается световым индикатором, загорающимся на пульте. Для того чтобы преобразователь заработал, нажимается кнопка RUN, запрограммированная по умолчанию.

После незначительного поворота рукоятки, двигатель начинает постепенно вращаться. Для переключения вращения в обратную сторону, существует специальная кнопка реверса. Затем с помощью рукоятки настраивается нужная частота вращения. На некоторых пультах вместо частоты вращения электродвигателя, отображаются данные о частоте напряжения. Поэтому рекомендуется заранее внимательно изучить интерфейс установленной аппаратуры.

Частотные преобразователи для асинхронных двигателей

Благодаря частотным преобразователям, работа современных асинхронных двигателей отличается высокой эффективностью, устойчивостью и безопасностью. Это особенно важно, поскольку каждый электродвигатель отличается индивидуальными особенностями режима работы. Поэтому оптимизации параметров питания агрегатов с использованием преобразователей частоты придается большое значение. Когда частотный преобразователь выбирается для каких-либо конкретных целей, в этом случае должны обязательно учитываться его рабочие параметры.

Нормальная работа устройства будет зависеть от типа электродвигателя, его мощности, диапазона, скорости и точности регулировок, а также от поддержания стабильного момента вращения вала. Эти показатели имеют первостепенное значение и должны органично сочетаться с габаритами и формой аппарата. Следует обратить особое внимание на то, как расположены элементы управления и будет ли удобно им пользоваться.

Выбирая устройство, необходимо заранее знать, в каких условиях оно будет эксплуатироваться. Если сеть однофазная, то и преобразователь должен быть таким же. То же самое касается и трехфазных аппаратов. Многое зависит от мощности асинхронных двигателей. Если при запуске на валу необходим высокий пусковой момент, то и частотный преобразователь должен быть рассчитан на большее значение тока.

Асинхронные электродвигатели - самые распространенные электрические машины. Они отличаются простотой конструкции, дешевизной, высокой ремонтопригодностью, а также другими преимуществами. Они широко используются для привода промышленного оборудования, механизмов и устройств самого разного назначения. Сферу их применения несколько ограничивают высокие пусковые токи, затруднение регулирования скорости, ударные механические нагрузки на оборудование, соединенное с валом при пуске.

Частотные преобразователи позволяют осуществлять мягкий пуск электрических машин, ограничивать пусковые токи, синхронизировать момент силы на валу с моментом нагрузки, осуществлять точную регулировку скорости вращения, подключать трехфазные двигатели в однофазную сеть без конденсаторов.

Электродвигатель - устройство для преобразования электроэнергии во вращательное движение вращающейся части электрической машины. Преобразование энергии в двигателях происходит за счет взаимодействия магнитных полей обмоток статора и ротора. Эти электрические машины широко используются во всех отраслях промышленности, в качестве привода электротранспорта и инструментов, в системах автоматизации, бытовой техники и так далее.

Принцип действия частотных преобразователей

Принцип действия частотного регулирования основан на зависимости скорости вращения и момента силы на валу двигателя переменного тока от частоты напряжения питания. Частотные регуляторы изменяют частоту поданного на электродвигатель напряжения, тем самым регулируя скорость вращения ротора и момент силы.

Преобразование частоты может осуществляться несколькими способами. Схема преобразования частоты с непосредственной электрической связью с сетью представляет собой управляемый выпрямитель на тиристорах. Управляющий блок генерирует сигналы, поочередно отпирающие полупроводниковые устройства, подающие напряжение заданной частоты на обмотки электрической машины.

Такая схема отличается высоким к.п.д., обеспечивает стабильную работу двигателя при небольших скоростях вращения ротора, передачу генерируемой электроэнергии при торможении двигателя в сеть.

Однако, такие недостатки, как невозможность изменять частоту в большую сторону, наличие в выходном напряжении постоянной составляющей и субгармоник, вызывающих перегрев обмоток и появление электромагнитных помех, ограничивают сферы применения частотников с непосредственной связью.

Большинство современных частотных преобразователей построено на базе схем двойного преобразования. Такое техническое решение имеет следующие преимущества:

Возможность изменять частоту как в большую, так и меньшую сторону.
Выходное напряжение чистой синусоидальной формы.
Отсутствие высших гармоник.
Плавное, высокоточное регулирование частоты питающего напряжения двигателя.

Состоит такой преобразователь частоты из трех блоков:

Диодного или тиристорного выпрямителя с емкостными, индуктивными или комбинированными фильтрами. Этот узел осуществляет выпрямление сетевого напряжения и его сглаживание.
Инвертирующего блока. Этот элемент осуществляет обратное преобразование постоянного напряжения в переменное. Индуктивный элемент на выходе осуществляет фильтрацию постоянной составляющей, а также высокочастотных помех, наличие которых негативно сказывается на работе электродвигателя.
Управляющей схемы на базе микропроцессора. Основные ее функции - задание частоты выходного напряжения и тока. Частота тока на выходе инвертора определяется шириной или длительностью управляющих импульсов со схемы управления (широтно- или частотно- импульсная модуляция). Процессор также осуществляет связь с удаленными пунктами управления, автоматическое регулирование по обратной связи по механическим и электрическим характеристикам подключенной к нему электрической машины, а также другие функции.

Таким образом, при частотном регулировании питающее напряжение сначала преобразуется в постоянное, затем инвертируется в переменное напряжение требуемой частоты.

Выбор частотного преобразователя

При проектировании частотно-регулируемого электропривода необходимо учесть множество нюансов. При выборе частотника руководствуются следующими критериями:

Назначение преобразователя. Многие производители выпускают ПЧ, предназначенные для электродвигателей насосов, лифтов, электроприводов вентиляционных систем, а также универсальные устройства общепромышленного назначения. Специализированные частотники производят под конкретное технологическое оборудование. Возможность их адаптации существенно ограничена. Общепромышленные регуляторы частоты можно настраивать под различные приводы.
Способ управления и поддержка различных протоколов связи. Регулируемые по частоте электроприводы обычно интегрируются в комплексные системы автоматизации и удаленного контроля и управления. Частотный преобразователь должен быть укомплектован контроллером, который поддерживает связь по протоколу, применяемому в конкретной АСУТП.
Мощность и перезагрузочная способность. Номинальная электрическая мощность преобразователя должна быть больше аналогичного параметра электродвигателя на 15-30%. При расчете мощности учитывают пусковые токи электрической машины, пиковые нагрузки на двигатель и их длительность. Ошибки ведут к перегреву частотника, выходу из строя силовых транзисторов или тиристоров.
Диапазон и точность регулирования. Интервал изменения частоты и точность ее задания должны соответствовать требованиям условий технологического процесса. Возможность изменения частоты у скалярных преобразователей 1:10, если требуется более широкий диапазон, необходим частотник с векторным управлением.
Электромагнитная совместимость. Частотный преобразователь чувствителен к электромагнитным помехам и сам является их источником. Выбор устройства осуществляется на основании условий его установки. При необходимости может потребоваться его установка в отдельном помещении, подключение специальных фильтров и использование экранированных кабелей. Компания «Данфосс» выпускает преобразователи, укомплектованные встроенными ЭМ-фильтрами.
Наличие функций отключения двигателя при перегреве, дисбалансе фаз, перегрузках, других аварийных и ненормальных режимов работы.
Наличие автоматизированного управления по событиям. Для синхронизации работы промышленного оборудования необходимы частотники, имеющие функции регулирования по достижению определенной величины технологических параметров.
Количество входов и выходов для подключения удаленных устройств управления и контроля. На случай модернизации САР или усложнения АСТП рекомендуется выбрать частотники с избыточным количеством аналоговых и дискретных разъемов. Для электроприводов автоматизированных систем рекомендуется подобрать частотный регулятор со встроенной памятью и функцией ведения журнала событий.
Номинальный ток и напряжение. Электрические параметры частотника должны соответствовать характеристикам электродвигателя.

Выбор частотного регулятора для промышленного оборудования делается на основании расчетов по специализированным методикам. Малейшие ошибки могут привести к авариям, которые могут иметь непредсказуемые последствия. Проектирование электропривода и выбор ПЧ целесообразно доверить специалистам по автоматизации. Правильный выбор частотника обеспечивает экономию электроэнергии до 40-50%, снижение затрат на ремонт и обслуживание электропривода и дает неплохой экономический эффект.

Электроприводы постоянного тока являются очень простыми с точки зрения организации системы регулирования скорости вращения двигателя, но сам электродвигатель является слабым звеном системы, ведь он достаточно дорогой и при этом не отличается особой надежностью. К тому же область применения данных двигателей ограничена из-за излишнего искрения щеток и, следовательно, повышенной электроэрозии и износа коллектора, что к общем не позволяет использовать двигатели постоянного тока в пыльных условиях и в средах с опасностью взрыва. Альтернативой электроприводам постоянного тока является комплексное применение асинхронных двигателей переменного тока с частотными преобразователями.

Асинхронные двигатели повсеместно используются в виду очень простого устройства и надежности, при меньших габаритах и массе они обеспечивают такую же мощность, как и двигатели постоянного тока. Главным минусом их является сложность организации системы регулирования скорости двигателя традиционными для двигателей постоянного тока методами. Теоретическая база для разработки первых частотных преобразователей, которые могли уже тогда стать решением вопроса регуляции скорости, была заложена еще в 30-е годы двадцатого века. Отсутствие микропроцессоров и транзисторов не позволяло воплотить теорию в практику, но с появлением транзисторных схем и управляющих микропроцессоров в Японии, США и Европе примерно в одно время были разработаны варианты частотных преобразователей.

При наличии других способов управления скорости вращения исполняющих механизмов (речь идет о механических вариаторах, резисторных группах, вводимыми в ротор/статор, электромеханических частотных преобразователях, гидравлике) наиболее эффективным является использование статических частотных преобразователей, который экономическим выгоднее других вариантов в виду дешевизны монтажа, эксплуатации и высокого КПД. Неприхотливость преобразователей также обусловлена отсутствием подвижных частей в виду того, что регуляция осуществляется на этапе подачи тока и основана на изменении параметров питания, а не на контроле за скоростью вращения при помощи средств механического управления.

Каков принцип частотных методов регулирования? Наглядное объяснение можно вывести из следующей формулы

Из выражения видно, что путем изменения частоты входного питающего напряжения (f1) изменяется угловая скорость статора, точнее его магнитного поля, но этом взаимозависимые характеристики. Эффект достигается при постоянном числе пар полюсов (p). Что это дает? В первую очередь, плавность регулирования (в особенности при пиковых нагрузках в момент пуска двигателя) скорости при очень высокой жесткости механических характеристик. Также достигается повышенное скольжение асинхронного двигателя, что существенно снижает потери мощности и увеличивает коэффициент полезного действия.

Высокие показатели КПД, коэффициента мощности, перегрузочной способности достигаются при одновременном изменении частоты и напряжения. Законы изменения этих параметров напрямую зависят от момента нагрузки, который может иметь статичный, вентиляторный и обратно пропорциональный скорости вращения характер.

При постоянном моменте нагрузке напряжение на статоре будет регулироваться в пропорциональной зависимости от частоты, что хорошо видно из формулы:

Если момент нагрузки имеет вентиляторный характер, то напряжение будет пропорционально квадрату частоты питающего напряжения.

Ну и моменте нагрузки, который обратно пропорционален скорости получим:

Как видно из вышеописанного при обеспечении одновременного регулирования частоты питающего напряжения и параметров напряжения на статоре частотным преобразователем достигается плавное бесступенчатое регулирование скорости вращения вала двигателя. При этом отсутствие передач позволяет более точно регулировать скорость вращения по заданным пользователем параметрам.

Основные достоинства применения регулируемых приводов на предприятиях.

Интеграция систем регулирования качественно изменяет технические характеристики всех участников технологического процесса, нуждающегося в регуляции. Большая часть экономической эффективности заключается в возможности регулирования при помощи частотного преобразователя технологических характеристик процессов, температуры, давления, скорости движения, скорости подачи главного движения. Конечно же, максимальная эффективность достигается на объектах, предназначенных для перемещения жидких масс. До сих пор популярным способом регулирования скорости потока и мощности является применение заслонок и заглушек, в частных случаях различных регулирующих механических клапанов, но эти методы менее эффективны чем изменение скорости самого исполнительного механизма и чреваты потерями транспортируемой жидкости.

Разница в производительности и эффективности между дросселированием посредством механических средств и применением частотных преобразователей очевидна на следующем рисунке. (схема 1) Из схемы становится ясно, что возрастает экономия ресурсов, а также нивелируются проблемы, связанные с полной потерей динамической мощности потока во время закрытия заслонок, что приводит, по сути, к холостой работе двигателя. Это увеличивает экономическую эффективность частотных преобразователей.

Конструкция типового частотного преобразователя.

Принципиальной задачей преобразователя частоты является изменение параметров электрического тока, это осуществляется при помощи транзисторного выпрямления тока и преобразования его до необходимых заданных значений. Типовой частотный преобразователь состоит из трех частей:

- Звено постоянного тока. Состоит из выпрямителя и фильтрационных устройств. Звено постоянного тока принимает входной сигнал и перенаправляет его в инвертор.

- Импульсного инвертора. Силовой трехфазный инвертор обычно имеет шесть транзисторов-ключей и осуществляет преобразование тока до заданных частот и амплитуд, а затем подает его на статор. Инвертор может состоять из тиристорной схемы.

- Микропроцессорной системы управления. Управляет системами преобразования и защиты преобразователя.

Четкая синусоида выходного сигнала - результат работы IGBT-транзисторов в качестве ключей инвертора, которые работают с более высокой частотой переключения, чем устаревшие тиристоры.

Как работает частотный преобразователь?

Схема преобразователя представлена в наглядном виде на следующем рисунке. (схема 2)

На схеме отображены основные структурные части преобразователя, а именно: инвертор, диодный силовой выпрямитель, модуль управления широтно-импульсной модуляцией, система управления, дроссель и конденсатор фильтра. Регуляция выходной частоты и напряжения (fвых. и Uвых., соответственно) осуществляется путем широтно-импульсного управления высокой частоты. Управление зависит от периодичности модуляции. Это период, в течение которого статор по очереди получает сигнал от положительного и отрицательного полюса напряжения. Длительность периода модулируется согласно синусоидальному закону гармонических частот, дополнительное преобразование происходит уже в обмотках двигателя, где после фильтрации ток имеет уже строго синусоидальную форму.

Сама кривая выходного напряжения - это двуполярная последовательность высокой частоты, созданная прямоугольными импульсами. Данные параметры также регулируются широтно-импульсной модуляцией, а сама ширина импульсов модулируется по синусоидальному закону. Изменение характеристик выходного напряжения осуществляется одним из двух способов: изменение AP (амплитуды) путем регуляции значения входного напряжения Uвх.; при Uвх., имеющим постоянное значение, путем внесения изменений в программу, контролирующую периодичность переключения переключателей V1-V6. Наличие современных IBGT-транзисторов на микропроцессорном управлении применение второго способа является более продуктивным и широко используемым. ШИМ также позволяет добиться формы кривой тока близкой к синусоиде, но уже благодаря свойствам обмоток, выполняющих функции фильтра.

Данный метод управления также позволяет существенно увеличить коэффициент полезного действия преобразователя и по своим характеристикам полностью аналогично методике управления путем изменения амплитуды и частоты тока. В наше время существует несколько компоновок инверторов с управляемыми ключами: запираемые GTO тиристоры; биполярные IGBT-транзисторные ключи с затвором. С примером можно ознакомиться на следующем рисунке. (рисунок 2) Здесь изображена мостовая трехфазная схема с использованием IGBT-транзисторов. Инвертор автономный. В данной схеме используется комплекс из 6 транзисторных ключей (на схеме V1-V6), емкостного фильтра тока. Транзисторы включены при помощи диодов обратного тока (на схеме D1-D6) по встречно-параллельной схеме.

Алгоритм переключения вентилей задается микропроцессором, переключение преобразует постоянное Uвх. в переменное выходное напряжение с прямоугольными импульсами. Активная составляющая токового потока асинхронного двигателя проходит через транзисторы, а реактивная - через диоды обратного тока.

И - трехфазный мостовой инвертор;
В - трехфазный мостовой выпрямитель;

Читайте также: