Принцип работы преобразователя частоты

Управление асинхронным двигателем

Асинхронный двигатель переменного тока — это электрическая машина, чья скорость вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля статора. Большинство электроприводов, применяемых в различных отраслях, основаны на использовании таких двигателей.

Характеристики двигателей данного типа включают:

• Оптимальное соотношение массы и мощности.
• Относительно низкая стоимость.
• Простота конструкции.
• Надежность.
• Низкие эксплуатационные затраты.

Однако у двигателей переменного тока есть и недостатки. Один из них — сложность управления частотой вращения вала. При регулировании напряжения на обмотках теряется мощность и момент на валу. Применение двигателей с фазным ротором немного увеличивает диапазон скоростей и существенно повышает стоимость привода. Использование редукторов усложняет кинематическую схему и также увеличивает цену.

Изменение частоты питающего напряжения обмоток статора является наиболее перспективным методом управления двигателями переменного тока. Этот метод позволяет избежать необходимости использования механизмов для регулирования скорости, не усложнять конструкцию ротора и избежать ухудшения механических характеристик.

Для управления приводами переменного тока применяются преобразователи частоты (ПЧ). Преобразователи частоты — это устройства для регулирования частоты напряжения переменного тока. Они позволяют изменять скорость вращения и момент на валу переменного тока путем изменения частоты напряжения на обмотках статора.

Применение преобразователей частоты значительно расширяет технические возможности электропривода переменного тока, обеспечивает различные режимы управления и защиту от аварийных ситуаций.

Схемы преобразователей частоты

Две самые распространенные схемы преобразователей частоты – с непосредственной связью с сетью и звеном постоянного тока.

Первые обычно построены на базе управляемых или неуправляемых тиристорных ключей. Варианты схем – мостовая, встречно-параллельная, перекрестная и т.д.

Каждый ключ пропускает определенный участок синусоиды, что приводит к формированию на выходе преобразователя напряжения, близкого к синусоидальной форме. Частота выходного напряжения отличается от частоты сети. Преобразователи с прямой связью с электросетью обеспечивают стабильный момент на низких скоростях, хорошо переносят перегрузки, могут использоваться с нагрузками с низким коэффициентом мощности. Кроме того, такие устройства отличаются высоким КПД и могут работать в режиме рекуперации электроэнергии при торможении двигателя. Мощность прямых преобразователей частоты можно увеличивать путем добавления тиристорных цепей.

Среди недостатков схем частотных преобразователей с гальванической связью с сетью можно выделить высокий уровень высших гармоник и возможность регулирования скорости только ниже номинальной.

Преобразователи частоты со звеном постоянного тока включают выпрямитель, промежуточное конденсаторное звено, инвертор и блок управления.

Принцип работы устройства следующий: переменное напряжение с частотой 50 Гц преобразуется в постоянное, после чего проходит фильтрацию для удаления переменной составляющей. Инвертор на быстродействующих ключах преобразует постоянное напряжение обратно в переменное с измененной частотой.

Схема двойного преобразования позволяет изменять частоту выше или ниже номинального значения в сети. Кроме того, оборудование обеспечивает возможность управления скоростью и моментом по различным алгоритмам. Уровень паразитных гармоник при использовании преобразователей частоты со звеном постоянного тока ниже, чем при применении устройств с непосредственной связью. Однако ограничения оборудования включают увеличенные потери при двойном преобразовании и относительно высокую цену.

Виды преобразователей частоты

Преобразователи частоты могут быть классифицированы по принципу управления, назначению (общепромышленные и специализированные), количеству фаз (для однофазных и трехфазных электродвигателей) и условиям пуска и эксплуатации (тяжелые и нормальные). Рассмотрим каждый вид устройств подробнее.

Виды преобразователей частоты по принципу управления

Принцип скалярного управления заключается в поддержании постоянного отношения напряжения к частоте (U/f) во всем диапазоне скоростей вала. Значение U/f определяет магнитный поток в зазоре между статором и ротором.

Контролируемые параметры при данном методе управления включают скалярную величину напряжения и частоты. Скорость вала оценивается по частоте напряжения на обмотках двигателя. Зависимость частоты напряжения двигателя от времени показана на рисунке ниже.

Скалярный метод не требует высокой вычислительной мощности схемы управления. Такой способ применяется в приводах на базе асинхронных двигателей, работающих с постоянной нагрузкой. Метод подходит для группового управления несколькими электродвигателями одним ПЧ, например, на насосной станции.

К недостаткам способа относят ограниченный пусковой момент при низкой частоте, относительно невысокая точность регулирования скорости при работе под нагрузкой, невозможность управления моментом, медленный отклик.

Для повышения точности контроля скорости при скалярном способе управления в схему вводится энкодер. Устройство обеспечивает обратную связь по угловой частоте вращения вала и позволяет нивелировать неточности, связанные со скольжением асинхронных двигателей. Схема с датчиком скорости применяется относительно редко, так как не устраняет остальных недостатков скалярного метода.

Принцип векторного регулирования основан на контроле величины и фазы питающего обмотки напряжения, частоты. Таким образом, оцениваются не только скалярные, но и векторные величины.

Векторный метод управления обеспечивает высокую точность регулирования скорости, быстрый отклик на изменения нагрузки, расширяет диапазон изменения угловой частоты вращения вала и уменьшает потери на нагрев и намагничивание.

Этот метод применяется в электроприводах оборудования с динамической нагрузкой и высокими требованиями к точности позиционирования. Для прецизионных механизмов может потребоваться введение датчика скорости или оборотов в схему.

Среди недостатков векторного метода можно выделить высокую вычислительную мощность управляющего устройства, относительно высокую цену и сложность.

Преобразователи частоты по применению

Устройства управления электродвигателем также могут быть классифицированы по применению.

По назначению различают:

1. Общепромышленные преобразователи частоты, которые подходят для приводов оборудования в различных отраслях. Параметры и алгоритмы работы устанавливаются при настройке.
2. Специализированные преобразователи частоты, предназначенные для специализированного оборудования с набором встроенных функций, таких как насосы, вентиляторы, краны, лифты и другие.

Преобразователи частоты по количеству фаз

По количеству фаз различают:

1. Однофазные преобразователи частоты, предназначенные для управления однофазными двигателями.
2. Трехфазные преобразователи частоты, которые используются для управления трехфазными приводами.

Кроме того, преобразователи частоты могут быть классифицированы по исполнению, номинальному напряжению, току двигателя и набору функций.

Преимущества использования преобразователя частоты

Кроме плавного управления скоростью и моментом на валу электродвигателя, частотные преобразователи обладают следующими преимуществами:

• Позволяют заменить более дорогие двигатели постоянного тока. Приводы на базе ПЧ осуществляют управление скоростью и моментом асинхронных и синхронных двигателей, что позволяет отказаться от электрических машин постоянного тока.
• Ограничивают пусковые токи. Устройства обеспечивают пуск на низком напряжении и уменьшают скачки тока, которые возникают при старте двигателей.
• Экономят электроэнергию. ПЧ исключают работу двигателя в режиме недозагрузки на полной мощности, скорость и момент на валу соответствуют нагрузке. Это существенно снижает потребление электроэнергии, экономия может составлять 40 % и больше.
• Увеличивают срок службы и межремонтный период оборудования. ПЧ снижают нагрев обмоток, исключают ударные нагрузки, что замедляет износ двигателя и подключенного к нему оборудования.
• Уменьшают шум. Подключенный к ПЧ электродвигатель работает значительно тише за счет оптимального напряжения на обмотках.
• Позволяют отказаться от механических устройств. ПЧ позволяют заменить редукторы, фрикционные тормоза и другое оборудование.
• Обеспечивают плавный пуск и разгон. Режим старта и разгона можно задавать в настройках преобразователей.

Преобразовали частоты также обеспечивают защиту от перегрузок, обрыва фазы, коротких замыканий, заклинивания вала, других аварий и ненормальных режимов. Современные ПЧ комплектуют контроллерами, которые реализуют функции ПИ- или ПИД-регулятора, динамического торможения, подхвата, пропуска резонансных скоростей и др.

Промышленные ПЧ могут встраиваться в системы АСУТП. Устройства поддерживают интерфейсы связи Profibus, Modbus RTU/TCP и другие протоколы обмена данными. Настройка и управление может осуществляться с удаленного оборудования, также возможна передача данных на панель оператора или ПК.

Области применения ПЧ

Преобразователи частоты применяют в различных отраслях производства и инженерных системах. Устройства используют в электроприводах оборудования:

• Систем вентиляции, водоснабжения, орошения: насосов, вентиляторов, исполнительных механизмов задвижек и т.д.
• Горнодобывающей промышленности: дробилок, шредеров, шаровых мельниц, ленточных транспортеров.
• Пищевой отрасли: сепараторы, технологические системы подачи, конвейеры, дозаторы, зерновые мельницы и др.
• Нефтехимической промышленности: системы подачи, теплообмена, компрессоры и др.
• Целлюлозно-бумажное производство: бумагоделательные машины, системы кондиционирования сеток и сукон, сукноведущие валы, воздуходувки для сушилок и т.д.
• Металло- и деревообработка: ленточно-шлифовальные, токарные, фрезерные, сервильные, волочильные станки и др.

Кроме того, преобразователи частоты применяют в приводах кранов, лифтов, других грузоподъемных механизмов, испытательных машин и другого оборудования самого различного назначения.

Заключение

Итак, преобразователи частоты – устройства для управления скоростью и моментом электродвигателей переменного тока. Устройства различают по элементной базе, схеме, способу управления, назначению и исполнению. ПЧ позволяет заменить более сложные и дорогие двигатели постоянного тока на асинхронные и синхронные электроприводы переменного тока, продлевает срок службы оборудования и механизмов, экономит электроэнергию. Частотно-регулируемые приводы используют практически во всех отраслях промышленности и инженерных системах зданий и сооружений.

Управление асинхронным двигателем

Асинхронный двигатель переменного тока — это электрическая машина, чья скорость вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля статора. Большинство электроприводов, применяемых в различных отраслях, основаны на использовании таких двигателей.

Характеристики двигателей данного типа включают:

• Оптимальное соотношение массы и мощности.
• Относительно низкая стоимость.
• Простота конструкции.
• Надежность.
• Низкие эксплуатационные затраты.

Однако у двигателей переменного тока есть и недостатки. Один из них — сложность управления частотой вращения вала. При регулировании напряжения на обмотках теряется мощность и момент на валу. Применение двигателей с фазным ротором немного увеличивает диапазон скоростей и существенно повышает стоимость привода. Использование редукторов усложняет кинематическую схему и также увеличивает цену.

Изменение частоты питающего напряжения обмоток статора является наиболее перспективным методом управления двигателями переменного тока. Этот метод позволяет избежать необходимости использования механизмов для регулирования скорости, не усложнять конструкцию ротора и избежать ухудшения механических характеристик.

Для управления приводами переменного тока применяются преобразователи частоты (ПЧ). Преобразователи частоты — это устройства для регулирования частоты напряжения переменного тока. Они позволяют изменять скорость вращения и момент на валу переменного тока путем изменения частоты напряжения на обмотках статора.

Применение преобразователей частоты значительно расширяет технические возможности электропривода переменного тока, обеспечивает различные режимы управления и защиту от аварийных ситуаций.

Схемы преобразователей частоты

Две самые распространенные схемы преобразователей частоты – с непосредственной связью с сетью и звеном постоянного тока.

Первые обычно построены на базе управляемых или неуправляемых тиристорных ключей. Варианты схем – мостовая, встречно-параллельная, перекрестная и т.д.

Каждый ключ пропускает определенный участок синусоиды, что приводит к формированию на выходе преобразователя напряжения, близкого к синусоидальной форме. Частота выходного напряжения отличается от частоты сети. Преобразователи с прямой связью с электросетью обеспечивают стабильный момент на низких скоростях, хорошо переносят перегрузки, могут использоваться с нагрузками с низким коэффициентом мощности. Кроме того, такие устройства отличаются высоким КПД и могут работать в режиме рекуперации электроэнергии при торможении двигателя. Мощность прямых преобразователей частоты можно увеличивать путем добавления тиристорных цепей.

Среди недостатков схем частотных преобразователей с гальванической связью с сетью можно выделить высокий уровень высших гармоник и возможность регулирования скорости только ниже номинальной.

Преобразователи частоты со звеном постоянного тока включают выпрямитель, промежуточное конденсаторное звено, инвертор и блок управления.

Принцип работы устройства следующий: переменное напряжение с частотой 50 Гц преобразуется в постоянное, после чего проходит фильтрацию для удаления переменной составляющей. Инвертор на быстродействующих ключах преобразует постоянное напряжение обратно в переменное с измененной частотой.

Схема двойного преобразования позволяет изменять частоту выше или ниже номинального значения в сети. Кроме того, оборудование обеспечивает возможность управления скоростью и моментом по различным алгоритмам. Уровень паразитных гармоник при использовании преобразователей частоты со звеном постоянного тока ниже, чем при применении устройств с непосредственной связью. Однако ограничения оборудования включают увеличенные потери при двойном преобразовании и относительно высокую цену.

Виды преобразователей частоты

Преобразователи частоты могут быть классифицированы по принципу управления, назначению (общепромышленные и специализированные), количеству фаз (для однофазных и трехфазных электродвигателей) и условиям пуска и эксплуатации (тяжелые и нормальные). Рассмотрим каждый вид устройств подробнее.

Виды преобразователей частоты по принципу управления

Принцип скалярного управления заключается в поддержании постоянного отношения напряжения к частоте (U/f) во всем диапазоне скоростей вала. Значение U/f определяет магнитный поток в зазоре между статором и ротором.

Контролируемые параметры при данном методе управления включают скалярную величину напряжения и частоты. Скорость вала оценивается по частоте напряжения на обмотках двигателя. Зависимость частоты напряжения двигателя от времени показана на рисунке ниже.

Скалярный метод не требует высокой вычислительной мощности схемы управления. Такой способ применяется в приводах на базе асинхронных двигателей, работающих с постоянной нагрузкой. Метод подходит для группового управления несколькими электродвигателями одним ПЧ, например, на насосной станции.

К недостаткам способа относят ограниченный пусковой момент при низкой частоте, относительно невысокая точность регулирования скорости при работе под нагрузкой, невозможность управления моментом, медленный отклик.

Для повышения точности контроля скорости при скалярном способе управления в схему вводится энкодер. Устройство обеспечивает обратную связь по угловой частоте вращения вала и позволяет нивелировать неточности, связанные со скольжением асинхронных двигателей. Схема с датчиком скорости применяется относительно редко, так как не устраняет остальных недостатков скалярного метода.

Принцип векторного регулирования основан на контроле величины и фазы питающего обмотки напряжения, частоты. Таким образом, оцениваются не только скалярные, но и векторные величины.

Векторный метод управления обеспечивает высокую точность регулирования скорости, быстрый отклик на изменения нагрузки, расширяет диапазон изменения угловой частоты вращения вала и уменьшает потери на нагрев и намагничивание.

Этот метод применяется в электроприводах оборудования с динамической нагрузкой и высокими требованиями к точности позиционирования. Для прецизионных механизмов может потребоваться введение датчика скорости или оборотов в схему.

Среди недостатков векторного метода можно выделить высокую вычислительную мощность управляющего устройства, относительно высокую цену и сложность.

Преобразователи частоты по применению

Устройства управления электродвигателем также могут быть классифицированы по применению.

По назначению различают:

1. Общепромышленные преобразователи частоты, которые подходят для приводов оборудования в различных отраслях. Параметры и алгоритмы работы устанавливаются при настройке.
2. Специализированные преобразователи частоты, предназначенные для специализированного оборудования с набором встроенных функций, таких как насосы, вентиляторы, краны, лифты и другие.

Преобразователи частоты по количеству фаз

По количеству фаз различают:

1. Однофазные преобразователи частоты, предназначенные для управления однофазными двигателями.
2. Трехфазные преобразователи частоты, которые используются для управления трехфазными приводами.

Кроме того, преобразователи частоты могут быть классифицированы по исполнению, номинальному напряжению, току двигателя и набору функций.

Преимущества использования преобразователя частоты

Кроме плавного управления скоростью и моментом на валу электродвигателя, частотные преобразователи обладают следующими преимуществами:

• Позволяют заменить более дорогие двигатели постоянного тока. Приводы на базе ПЧ осуществляют управление скоростью и моментом асинхронных и синхронных двигателей, что позволяет отказаться от электрических машин постоянного тока.
• Ограничивают пусковые токи. Устройства обеспечивают пуск на низком напряжении и уменьшают скачки тока, которые возникают при старте двигателей.
• Экономят электроэнергию. ПЧ исключают работу двигателя в режиме недозагрузки на полной мощности, скорость и момент на валу соответствуют нагрузке. Это существенно снижает потребление электроэнергии, экономия может составлять 40 % и больше.
• Увеличивают срок службы и межремонтный период оборудования. ПЧ снижают нагрев обмоток, исключают ударные нагрузки, что замедляет износ двигателя и подключенного к нему оборудования.
• Уменьшают шум. Подключенный к ПЧ электродвигатель работает значительно тише за счет оптимального напряжения на обмотках.
• Позволяют отказаться от механических устройств. ПЧ позволяют заменить редукторы, фрикционные тормоза и другое оборудование.
• Обеспечивают плавный пуск и разгон. Режим старта и разгона можно задавать в настройках преобразователей.

Преобразовали частоты также обеспечивают защиту от перегрузок, обрыва фазы, коротких замыканий, заклинивания вала, других аварий и ненормальных режимов. Современные ПЧ комплектуют контроллерами, которые реализуют функции ПИ- или ПИД-регулятора, динамического торможения, подхвата, пропуска резонансных скоростей и др.

Промышленные ПЧ могут встраиваться в системы АСУТП. Устройства поддерживают интерфейсы связи Profibus, Modbus RTU/TCP и другие протоколы обмена данными. Настройка и управление может осуществляться с удаленного оборудования, также возможна передача данных на панель оператора или ПК.

Области применения ПЧ

Преобразователи частоты применяют в различных отраслях производства и инженерных системах. Устройства используют в электроприводах оборудования:

• Систем вентиляции, водоснабжения, орошения: насосов, вентиляторов, исполнительных механизмов задвижек и т.д.
• Горнодобывающей промышленности: дробилок, шредеров, шаровых мельниц, ленточных транспортеров.
• Пищевой отрасли: сепараторы, технологические системы подачи, конвейеры, дозаторы, зерновые мельницы и др.
• Нефтехимической промышленности: системы подачи, теплообмена, компрессоры и др.
• Целлюлозно-бумажное производство: бумагоделательные машины, системы кондиционирования сеток и сукон, сукноведущие валы, воздуходувки для сушилок и т.д.
• Металло- и деревообработка: ленточно-шлифовальные, токарные, фрезерные, сервильные, волочильные станки и др.

Кроме того, преобразователи частоты применяют в приводах кранов, лифтов, других грузоподъемных механизмов, испытательных машин и другого оборудования самого различного назначения.

Заключение

Итак, преобразователи частоты – устройства для управления скоростью и моментом электродвигателей переменного тока. Устройства различают по элементной базе, схеме, способу управления, назначению и исполнению. ПЧ позволяет заменить более сложные и дорогие двигатели постоянного тока на асинхронные и синхронные электроприводы переменного тока, продлевает срок службы оборудования и механизмов, экономит электроэнергию. Частотно-регулируемые приводы используют практически во всех отраслях промышленности и инженерных системах зданий и сооружений.