Что такое выходная частота
Преобразователи частоты
В данной статье мы рассмотрим что такое частотный преобразователь, сферы применения преобразователей частоты, их плюсы и минусы, а также схемы частотников.
Преобразователи частоты (или частотники) – электротехническое оборудование для регулирования частоты переменного напряжения. Основная сфера применения этих устройств – изменение частоты вращения и крутящего момента электрических машин асинхронного типа. Принцип действия управления и регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты питающего напряжения.
Асинхронные электродвигатели широко используются в качестве приводов промышленного оборудования, насосных агрегатов, регулирующей арматуры и других устройств. Основным недостатком этих электрических машин являются постоянная скорость вращения, большие пусковые токи. При помощи частотных преобразователей возможно устранить эти недостатки и существенно расширить сферу применения электродвигателей переменного тока.
Виды преобразователей частоты
Частотные преобразователи различаются по конструкции, принципу действия, способу управления. По конструктивному исполнению преобразователи частоты разделяют на две большие группы:
Электромашинные частотники.
Электромашинные или индукционные преобразователи частоты представляют собой двигатели переменного тока, включенные в режим генератора. Применяются такие электротехнические устройства относительного редко, в условиях, где затруднено или невозможно применение электронных частотных преобразователей.
Электронные преобразователи.
Полупроводниковые ЧП состоят из силовой части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления на базе микроконтроллеров. Это электротехническое оборудование пригодно для трехфазных и однофазных приводов любого назначения. Различают ЧП с непосредственной связью с питающей сетью и устройства с промежуточным звеном постоянного тока.
Непосредственные преобразователи частоты
Такие частотники построены на базе быстродействующих тиристорных преобразователей, включенных по мостовым, перекрестным, нулевым и встречно-параллельным схемам.
Устройства такого типа включаются непосредственно в питающую сеть.
Плюсы непосредственных преобразователей частоты:
Минусы непосредственных преобразователей частоты:
Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.
Частотные преобразователи этого типа выполнены на базе схемы двойного преобразования. Питающее сетевое напряжение преобразуется в постоянное, затем сглаживается и инвертируется в переменное выходное напряжение заданной частоты.
Плюсы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:
Минусы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:
Устройство преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока
Состоят такие преобразователи из нескольких основных блоков:
Способы управления преобразователем
По принципу управления различают 2 основных вида частотных преобразователей:
ЧП со скалярным управлением
Частотники этого типа выдают на выходе напряжение определенной частоты и амплитуды для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Частотники с таким принципом регулирования отличаются относительно низкой стоимостью, простотой конструкции. Нижний предел регулировки скорости составляет около 10 % от номинальной частоты вращения. Их можно использовать для управления сразу несколькими двигателями. Скалярные ЧП используют для приводов насосных агрегатов, вентиляторов и других устройств и оборудования, где не требуется поддерживать скорость вращения ротора вне зависимости от нагрузки.
ЧП с векторным управлением
Микропроцессорные устройства преобразователей с векторным управлением автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора. ЧП такого типа обеспечивают постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Они используются для оборудования, где необходимо поддерживать необходимый момент силы при низких скоростях, высокое быстродействие и точность регулирования. Применение векторных ЧП позволяет регулировать частоту вращения, задавать требуемый момент на валу.
ЧП с векторным управлением делятся на преобразователи бездатчикового типа и устройства с обратной связью по скорости. Последние используются для приводов с широким диапазоном регулирования скорости до 1:1000, необходимости позиционирования точного положения вала, регулирования момента при низких скоростях, точного поддержания частоты вращения, пуска двигателя с номинальным моментом. Преобразователи без датчика скорости применяют для приводов с более низкими требованиями.
Режимы управления частотными преобразователями
В большинстве моделей современных частотных преобразователей реализована возможность управления в нескольких режимах:
1) Ручное управление.
2) Внешнее управление.
3) Управление по дискретным входам или “сухим контактам”.
4) Управление по событиям.
Преимущества частотных преобразователей.
1) Экономия электроэнергии.
2) Увеличение срока службы промышленного оборудования.
3) Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.
4) Возможность удаленного управления и контроля параметров оборудования с электроприводом.
5) Широкий диапазон мощности двигателей.
6) Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.
7) Снижение уровня шума работающего двигателя.
Сферы применения
Частотно-регулируемые приводы применяют:
Внедрение частотно-регулируемых приводов дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и ТО двигателей и оборудования, возможности использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до трех лет.
Преобразователи частоты. 12 важных вопросов при выборе и установке
Преобразователи частоты (ПЧ) — один из основных элементов комплексных решений для энергетических и промышленных проектов. Современные частотные преобразователи — это продукт высоких технологий, они выпускаются с применением новейших разработок и способны не только управлять скоростью вращения электродвигателя, но и защищать электропривод от преждевременного выхода из строя, обеспечивать контроль множества параметров во время его работы. Грамотно выбрать преобразователь частоты, сориентировавшись в многообразии предложений — задача сложная и ответственная, ведь от принятого решения зависит стабильность производственных процессов. Разобраться со всеми тонкостями выбора поможет эта статья.
Часть 1. Зачем нужен преобразователь частоты?
Частотный преобразователь — незаменимое оборудование в любой сфере, где используются электродвигатели. Он обеспечивает плавный пуск, непрерывное автоматическое регулирование скорости и момента во время работы, а также множество других параметров работы электродвигателя. В ряде применений преобразователи обеспечивают снижение потребления электроэнергии до 50 %. Современные ПЧ с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) способны снижать пусковые токи в среднем в 4-5 раз и выдерживать перегрузки до 200 %.
На сегодняшний день в интернете можно найти большое количество рекомендаций и советов по подбору ПЧ, однако в большинстве случаев они являются общими, неконкретными и никак не применимыми на практике. Как же сориентироваться в огромном количестве критериев и выбрать подходящее оборудование? Рекомендации дают специалисты IEK GROUP, одного из ведущих российских производителей и поставщиков электротехнического оборудования: Артем Мошечков (ведущий инженер) и Петр Ивлев (специалист по техническому обучению Академии IEK GROUP).
— Зачем устанавливать и использовать преобразователь частоты?
Артем Мошечков: «Данное оборудование решает сразу несколько задач: управляет скоростью вращения электродвигателя, защищает его и в определенных режимах обеспечивает энергосбережение. ПЧ снижает слишком большой пусковой ток и момент, исключая удары, рывки и повышенные механические нагрузки на привод. Также преобразователь частоты позволяет защищать электродвигатель при коротком замыкании, страхует при отклонениях от номинального напряжения сети, контролирует температуру механизма, не допускает перегрева. Таким образом ПЧ обеспечивает более длительную и надежную работу привода, минимизирует затраты на обслуживание и ремонт. Кроме того, в определенных сферах применения и режимах работы преобразователь частоты снижает потребление электроэнергии на 30-50 %».
— Есть задача: выбрать и купить преобразователь частоты. С чего начать?
Петр Ивлев: «Модельный и функциональный ряд современного оборудования предлагает множество вариантов для решения широкого спектра задач. От самых простых до обеспечивающих управление сложнейшими автоматизированными электроприводами. Существует несколько основных критериев, основываясь на которых следует принимать решение о выборе той или иной модели частотного преобразователя».
Чтобы подобрать нужный вариант ПЧ, необходимо прежде всего определиться: для каких именно целей выбирается оборудование, какие конкретные задачи оно должно выполнять. Разумеется, необходимо знать условия эксплуатации и основные характеристики электродвигателя, для управления которым необходим ПЧ.
Современные серии преобразователей частоты включают до нескольких десятков моделей. Например, в линейке CONTROL-L620 IEK®, выведенной на рынок нашей компанией в 2017 году, представлено оборудование от 0,75 до 560 киловатт. В семействе CONTROL-А310 IEK® диапазон мощностей — до 22 киловатт, при этом уже с 11 киловатт есть возможность изготовить преобразователь со встроенным дросселем постоянного тока, что продлевает срок службы преобразователя. Номинальные напряжения — 220 и 380 В.
 |  |
 |  |
 |  |
— Мощность, номинальный ток, напряжение питающей сети: как сориентироваться в этих параметрах?
Петр Ивлев: «Указанные критерии очень важны для оптимальной работы оборудования».
— Какой преобразователь частоты лучше — однофазный или трехфазный?
Артем Мошечков: «В интернете можно прочитать, что однофазный преобразователь частоты обладает менее широким спектром возможностей, но это не так. Он способен решать все поставленные задачи».
На вход инвертора такого ПЧ подается однофазное напряжение соответствующей сети, которое на выходе формируется в трехфазное с частотой от 0 до 400 и выше Гц. Таким образом, при помощи однофазного ПЧ можно подключить обычный асинхронный трехфазный двигатель к однофазной сети. Для этого требуется подключить двигатель к преобразователю, правильно скоммутировав обмотки двигателя (на напряжение 220 В). Такие преобразователи частоты есть в семействе ONI — это серия А400, которая предназначена для управления асинхронными двигателями в системах небольшой мощности, но с большими перегрузками.
Трехфазные преобразователи частоты более распространены. Они преобразуют напряжение трехфазной промышленной сети и регулируют большое количество параметров электродвигателя. Примеры оборудования:
Часть 2. Нюансы
— Как правильно подобрать диапазон регулирования частоты и какой способ управления выбрать?
Петр Ивлев: «Использование ПЧ позволяет регулировать скорость электродвигателя от нуля до номинального значения и выше. При этом важно помнить, что преобразователь может обеспечить на выходе напряжение, равное напряжению питающей сети. Образно говоря, если двигателю нужно 690 В, а ПЧ рассчитан на 380 В — это в корне неправильный подбор оборудования».
О способах управления
В интернете много теоретической информации о том, какой вариант лучше. На самом деле основывать свой выбор надо не на оценках метода управления, а на области применения преобразователя частоты. В оборудовании, которое работает с кранами, подъемными механизмами или протяжными станками используется векторный способ. В насосах и вентиляторах, то есть в тех механизмах, где скорость практически не меняется, обычно используется скалярный. Оба этих метода решают одну задачу: регулировки скорости и изменения момента.
— Что такое ПИД-регулятор, управляющие входы/выходы, и насколько это важно?
Петр Ивлев: «Пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор (ПИД-регулятор) управляет внешними процессами, анализируя сигналы обратной связи, поступающие на преобразователь частоты. Этот регулятор есть в 95 % современных преобразователей частоты».
Самый простой пример его использования: требуется поддерживать постоянное давление в трубе 5 Бар. ПЧ считывает сигналы с датчиков, а ПИД-регулятор за счёт математических алгоритмов обеспечивает необходимый режим работы ПЧ.
ПЧ считывает сигналы с датчиков, а ПИД-регулятор за счёт математических алгоритмов обеспечивает необходимый режим его работы 
Что касается входов и выходов
Сегодня большинство преобразователей частоты имеют в базовой комплектации аналоговые и цифровые входы/выходы, последовательный интерфейс и т.д. Такой набор функций позволяет интегрировать ПЧ в большинство автоматических систем, без ограничений в выборе способов управления преобразователем.
— На что еще стоит обратить внимание, выбирая преобразователь частоты?
Артем Мошечков: «Разумеется, на функциональность, эргономичность оборудования, наличие дополнительных возможностей, понятный интерфейс. Важный для многих вопрос — условия работы и монтажа ПЧ. Например, преобразователи частоты серии CONTROL-А310 и L620 IEK ® требуют достаточного свободного пространства для охлаждения, а ONI-А400 можно монтировать по принципу «стенка к стенке». Но все эти серии отличаются малыми габаритами и неприхотливостью в монтаже».
В некоторых линейках есть возможность использования стандартной витой пары UTP кат. 5e для выносного монтажа идущей в комплекте панели управления, что позволяет максимально упростить и до 10 раз удешевить монтаж панели управления по сравнению с преобразователями, использующими специальные коммутационные шлейфы.
Обязательно поинтересуйтесь, какие силовые ключи используются при сборе ПЧ — одними из самых надежных являются IGBT производства компании Infineon. Они позволяют существенно повысить надёжность и отказоустойчивость оборудования.
Система управления частотным преобразователем должна быть интуитивно понятной, функциональной, вариативной. В передовых моделях, например, таких как серия ONI-M680, источником управляющего сигнала может быть кнопочная панель, промышленная сеть, цифровые входы и импульсный вход. Имеется возможность подключения исполнительных устройств, датчиков, программируемых логических контроллеров. Некоторые входы и выходы способны функционировать в различных режимах.
Часть 3. Особенности применения ПЧ для различного оборудования
— Преобразователь частоты для насосного оборудования: что он дает?
Артем Мошечков: «В случае с насосным оборудованием чаще всего требуется защитить трубопровод от гидроударов во время запуска насоса, а сам электропривод — от преждевременного выхода из строя и работы в аварийном режиме. Немаловажное значение имеет оптимизация расхода электроэнергии и поддержание постоянного давления в системе водоснабжения».
Для решения этих задач требуется обеспечить плавный пуск насосов и плавное же изменение частоты вращения электродвигателя. Причем диапазон значений должен быть достаточно широк: во время пиковой нагрузки электропривод работает на номинальных оборотах, обеспечивая необходимый расход воды. При малом разборе поддерживается в рабочем состоянии, потребляя тот минимум электроэнергии, который необходим в данный момент. Также в сфере ЖКХ с помощью ПЧ возможно создание автоматизированной каскадной системы насосов, когда, в зависимости от разбора воды в жилых домах, работает один насос или, например, три. С помощью специальных функций преобразователь частоты позволяет экономить электроэнергию — это происходит за счет автоматической остановки работающего насоса при отсутствии расхода воды в системе.
Мнение: Преобразователь частоты ONI-К800 был применен в приводе насоса системы водоснабжения и в приводе конвейера. Зарекомендовал себя с положительной стороны. При настройке и в ходе эксплуатации легко монтировались силовые и контрольные кабели, преобразователь просто настраивался с лицевой панели. Обладает большим функционалом защит, большим количеством входов-выходов.
Начальник отдела ЭМП АО «Уралгипромез» Д.Н. Томашевский.
— Какие преобразователи частоты подойдут для грузоподъемных механизмов (крановое оборудование, лебёдки)?
Петр Ивлев: «Современный крановый механизм — очень сложная система. Поэтому преобразователь частоты для электропривода такого механизма должен соответствовать высоким требованиям: обладать высокой перегрузочной способностью (до 200 %), уметь управлять механическим тормозом электродвигателя, иметь возможность подключения тормозного резистора (встроенный тормозной модуль) и организации обратной связи для регуляции скорости вращения электродвигателя. Последняя необходима для обеспечения быстрого обмена информацией между звеньями системы, непрерывного мониторинга всех процессов и точного управления параметрами во время работы сложнейшего кранового механизма».
Преобразователи частоты для электродвигателей грузоподъемных механизмов позволяют организовать надежное управление электроприводом при подъеме и опускании груза, поворотах стрелки, обеспечивая вертикальное и горизонтальное перемещение без раскачивания, с различными скоростями, таким образом гарантируя максимальную производительность.
В зависимости от модели крана, это могут быть следующие виды частотных преобразователей:
— Как преобразователь частоты работает в случае с транспортерным и конвейерным оборудованием?
Артем Мошечков: «При запуске таких механизмов возникает пусковой ток, превышающий номинальный в 6-7 раз, а также — большая нагрузка на детали механизма и, как следствие, повышенный износ узлов или перегрев электродвигателя. Это самая частая причина отказов подобного оборудования. Далее, в процессе работы привод обычно вращается с одинаковой скоростью. Поэтому для механизмов непрерывного транспорта очень важны плавный разгон и торможение без рывков, пробуксовок, остановок, а также постоянная заданная скорость движения. Следовательно, преобразователь частоты для такого оборудования решает задачи по обеспечению постоянной скорости транспортера или конвейера, повышению уровня надежности (так как значительно снижает количество отказов как механического, так и электрического происхождения), устранению перегрузок во время запуска».
Использование преобразователей частоты с электродвигателями конвейеров и транспортеров позволяет не просто автоматизировать запуск, регулирование скорости и остановки ленты, но и создавать более сложные алгоритмы работы оборудования (зависит от выбранной модели ПЧ и подключенных датчиков).
Мнение: Преобразователь частоты CONTROL-L620 IEK ® номинальной мощностью 5.5 был установлен на подающем конвейере в установке № 2 для сушки травяной муки. Режим работы преобразователя — круглосуточный «старт-стоп». Оборудование зарекомендовало себя с положительной стороны. Во время тестирования все функции работали в заявленном штатном режиме, замечаний во время эксплуатации выявлено не было.
Заместитель генерального директора по IT ПАО «Птицефабрика Боровская» С.М. Солкин.
— Есть ли смысл использовать преобразователи частоты для вентиляторного оборудования?
Петр Ивлев: «Есть. ПЧ для вентиляторного оборудования регулирует скорость вращения вала электропривода, позволяя экономить на электричестве. В случае установки дополнительного датчика, который передает оперативные данные о текущей потребности в воздухе на преобразователь, последний изменяет скорость вращения электродвигателя. Это позволяет экономить электроэнергию на 20-40 %. Кроме того, ПЧ надежно защищает электропривод вентилятора от бросков тока и перегрузок за счет плавного пуска и такой же плавной остановки вала».
— «Тяжелый» или «нормальный» режим работы преобразователя частоты — какой выбрать?
Артем Мошечков: «Современные ПЧ обеспечивают пуск и работу двигателей в нормальном или тяжелом режиме. Для их обозначения используются аббревиатуры ND — нормальный и HD — тяжелый».
В режиме ND величина вращающего момента постоянна, независимо от скорости вращения двигателя. В частности, таким образом работают насосы.
Тяжелый режим (НD) характеризуется нагрузкой с переменным вращающим моментом — как в случае с экструдерами, конвейерами или компрессорами. При этом существуют частотные преобразователи, которые поддерживают сразу два указанных режима, что позволяет экономить бюджет при проектировании различных систем. Например, преобразователи частоты IEK ® серий CONTROL-A310 и L-620 могут работать как в ND-режиме, так и в режиме HD. Также оба режима поддерживают ПЧ ONI-М680.
Правда о пяти мифах частотно-регулируемого привода
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. 8. 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 ООО «КоСПа».
Или в соответствующем разделе преобразователя YASKAWA.