Преобразователи частоты для асинхронных двигателей

Устройство частотных преобразователей

Современный преобразователь частоты состоит из двух основных блоков. Первый блок полностью выравнивает напряжение и выдает константу. На блок питания подается постоянное напряжение для генерации частоты. После преобразования, на выходе из второго блока, частота напряжения уже будет такой же, как заданная настройкой.

Микропроцессор, встроенный в преобразователь частоты, отвечает за возможность изменения частоты напряжения. С помощью определенной программы процессор контролирует частоту выходного напряжения, а также параметры электродвигателя.

Ведь преобразователи частоты для асинхронных двигателей, принцип действия которых заключается в простом генерировании необходимой частоты переменного тока, являются модуляторами по характеру требуемого напряжения, которое необходимо для того или иного оборудования. Это уменьшило негативное влияние на работу электродвигателя, которое имело место при использовании конденсата.

Электродвигатель получает именно то напряжение, которое необходимо для нормальной и полноценной работы.

Считаем необходимым отметить, что даже при наличии трехфазной линии напряжения не всегда рационально подключать электродвигатель к сети просто с помощью выключателя. В этом случае двигатель заработает, но настроить его работу не удастся. Также не получится следить за состоянием обмоток.

В промышленном дизайне можно встретить два основных типа преобразователей частоты:

• Особый.
• Универсальный.

Специальный преобразователь частоты для асинхронного двигателя, схема которого немного отличается от универсального, изготавливается для конкретного оборудования под конкретные нужды. Как правило, это очень маленькие версии, которые не могут работать с каким-либо оборудованием.

Универсальные преобразователи частоты могут работать как в специальном оборудовании, так и во всех других приложениях. Поэтому они универсальны, настраиваются и программируются под любые нужды.

Поэтому выбор преобразователя частоты для асинхронного двигателя должен быть продиктован не столько конкретными производственными потребностями, сколько возможностью модернизации оборудования.

Практически все частотники на сегодняшний день имеют возможность установки и управления режимом работы электродвигателя с пульта управления. Первый интерфейс управления встроен в сам шкаф привода. Также есть ручка для регулировки оборотов двигателя.

Но вы также можете использовать панели дистанционного управления. Которую можно разместить как в диспетчерской, так и непосредственно на машине, приводимой в движение электродвигателем.
Это чаще встречается в ситуациях, когда машина с двигателем находится в помещении, где установка преобразователя частоты не рекомендуется. Причем устанавливается вдали от оборудования.

Большинство преобразователей частоты позволяют программировать работу оборудования. Но просто установить программу с панели управления не получится. Для этого используется интерфейс передачи данных и настроек, который с помощью компьютера позволяет задать желаемую программу работы.

Структура устройства

Схема привода основана на принципе двойного преобразования. Схема включает систему автоматического управления и регулирования, звено постоянного тока, импульсный инвертор, индуктивность и конденсатор.

Промежуточный контур включает неуправляемый выпрямитель и фильтр. Переменный ток сети питания становится постоянным.

Схема преобразователя частоты

Трехфазный инвертор имеет шесть транзисторных ключей. Через ключ обмотка электродвигателя соединена с выпрямителем, имеющим положительную и отрицательную клеммы. Продолжительность процесса происходит по синусоидальному закону. При регулировке скорости скольжение асинхронного двигателя не увеличивается. Это гарантирует работу без потерь мощности. Сглаживание происходит с помощью фильтра, состоящего из индуктивности и конденсатора. Инвертор преобразует ток, выпрямляя его в трехфазное напряжение с переменным током необходимой частоты.

В каскадах инвертора на выходе используются транзисторы, которые действуют как переключатели. Транзисторы имеют преимущество перед тиристорами в их более высокой частоте переключения, благодаря чему искажение выходного сигнала сводится к минимуму.

Для чего понадобился ПЧ

Ко мне обратился старый знакомый из обувной индустрии. Для предпродажной подготовки женских сапог требуется операция полировки, чтобы сапоги блестели.

Кстати, я уже сделал с ним пресс горячего тиснения, где установил терморегулятор FiF. Теперь вы можете получить красивые картинки на ботинках.

Полировщик был в отвратительном состоянии, но был оживлен, пройдя через советские контакторы и подключив моторы.

Однако для хорошей отделки поверхности кожи было предпочтительнее изменять линейную скорость полировки. По-другому, кроме инвертора, этого сделать нельзя. Замена шкивов не рассматривалась: скорость нужно менять быстро и без инструментов.

В итоге я установил преобразователь частоты Delta. Я подключил его и настроил так, чтобы я мог изменять скорость двигателя, подключенного через него, нажимая кнопки на панели управления. Подробнее.

Принцип работы

Принцип основан на правиле расчета угловой скорости вращения коленчатого вала двигателя. Скорость потока магнита определяется угловой скоростью вала двигателя. Меняется частота подачи питания на обмотки, меняется и частота вращения мотора. Мощность устройства уменьшается. Поэтому для сохранения работоспособности устройства необходимо изменять значение напряжения на обмотках.

Название инверторные преобразователи частоты связано с процессом преобразования силовых элементов входа переменного тока в постоянный ток. Амплитуда напряжения и частота выходных импульсов регулируются. Выходные сигналы контролируются регулировкой ширины импульса, выходной каскад в полупроводниковых элементах. Электродвигатель получает пачки импульсов фазного напряжения.

Функция регулирования

Среди наиболее важных функций инвертора можно выделить следующие: эффективность и мощность, долговечность, плавное регулирование. Для эффективной работы выход должен быть настроен на правильное отношение рабочей частоты к напряжению. Изменения частоты напряжения, подаваемого на двигатель, изменяют частоту вращающегося магнитного поля, что влияет на механическую скорость вала двигателя.

Преобразователь частоты влияет на напряжение на валу электродвигателя и токи в подшипниках. Что способствует использованию преобразователей частоты и ограничению несимметричного напряжения наведенного тока вала двигателя. Подшипниковые токи можно уменьшить, схема подключения показана на следующих рисунках.

Двигатели с одним и двумя коленчатыми валами

Значение напряжения зависит от момента нагрузки. Когда крутящий момент постоянен, напряжение статора пропорционально частоте. При увеличении частоты в 2 раза напряжение меняется в 4 раза.

Разница типов сигналов управления

При проектировании цеха очень важно учесть, что связь преобразователей частоты с диспетчерским пультом будет происходить с помощью электрических импульсов через кабели связи. Но не забывайте, что разные стандарты общения по-разному влияют друг на друга. Следовательно, передача данных одним способом может значительно снизить качество передачи данных другим способом.
Поэтому расчет преобразователя частоты для асинхронного двигателя должен производиться не только по его электрическим характеристикам, но и по его совместимости с сетью.

Подключение частотного преобразователя к электродвигателю

• Для однофазной проводки (220 В), т.е для бытового использования, подключение должно выполняться пользователем по схеме «треугольник». Выходной ток не должен превышать 50% номинального тока! Очень важно!
• Для промышленного использования (трехфазная разводка 380В) преобразователь частоты рекомендуется подключать к двигателю по схеме «звезда».

Виды ПЧ

Типы преобразователей частоты основаны на двух принципах управления ПЧ. Есть два классических принципа инверторного управления.

1. Скалярный метод управления

Регулирование основано на законе, согласно принципу, который изменяет параметры напряжения асинхронного двигателя. Это основной принцип управления, который зависит от изменения частоты и амплитуды источника питания.

1. Метод векторного управления

Регулировка частоты вращения вала чрезвычайно точна и выполняется в больших масштабах. При измерении скорости вала привод ускоряется, и крутящий момент можно регулировать напрямую. Преобразователи с векторным управлением доступны в двух системах: бессенсорное управление без обратной связи и с обратной связью.

Использование бессенсорной системы допускается при изменении скорости не более 1: 100 и точности управления вращением двигателя 0,5%. При уменьшении скорости управление становится нецелесообразным, так как датчик обратной связи включается.

Устройство станка, перед установкой ПЧ

Итак, вот что у нас было изначально:

Полировщик кожи

У станка два мотора: пылеотсос и полировальный привод.

Кожаный полировщик обуви, вид сбоку

Внутри электрика машины для чистки обуви

Слева на фото: вводный автомат и контакторы. Это полная схема машины.

Старая схема полировки. Моторные контакторы для извлечения и полировки

Также есть три кнопки управления — Start Hood, Start Polishing, Stop:

Старые кнопки управления контактором. На левой оси — фетр (фетр) для полировки

Вытяжка нас не касается, хотя кнопки включения установлю. И подключаем полировальный мотор через инвертор.

Электродвигатель, подключенный через преобразователь частоты

Асинхронный двигатель работает. Шкив и ременной привод

Паспортная табличка асинхронного двигателя, подключаемого через преобразователь частоты

При подключении инвертора очень важно знать параметры двигателя. Проблема заключалась в том, что информация на шильдике была нечитаемой. В конце концов, настроен единый блок, и это пакет движка FC.

Забегая вперед, скажу, что по внешнему виду двигателя я определил, что это двигатель на 3000 об / мин, и, измерив ток и проведя испытания, я понял, что мощность двигателя составляет 1 кВт.

Вспомнил, что у меня есть еще одна статья о моторах: какой у мотора пусковой ток и как узнать.

Индикация скорости

И что же тогда это было возможно?

Интересной особенностью многих частотно-регулируемых приводов являются дискретные и аналоговые выходные клеммы. На них можно запланировать множество мероприятий. Например, в статье об установке инвертора в ленточную пилу (труборез) я сказал, что выходное реле замыкается при достижении целевой частоты и дает сигнал следующей функции.

Здесь я использовал аналоговый выход, чтобы указать скорость двигателя. Для этого устанавливается функция аналогового выхода «Отображение выходной частоты» (параметр 03.03 = 0). В данном случае максимальная частота 60 Гц соответствует напряжению 10 В. Я немного скорректировал показания вольтметра (на 3%) в параметре 03.04.

Таблица скорости ЧСС
Показания вольтметра	Из. Частота	Скорость двигателя
3,4	ветры	1200
5.1	тридцать	1800
6,8	40	2400
8,4	50	3000
9,3	55	3300
10	60	3600

Аналоговое выходное напряжение подается на вольтметр постоянного тока с пределом 30 В. В результате оператор станка видит на индикаторе число, однозначно соответствующее скорости полировки.

Расчет частотного преобразователя

После определения характеристик нагрузки и получения некоторых данных о двигателе можно найти соответствующую мощность требуемого преобразователя частоты.

Способ 1

По току, если ток двигателя известен. Самый простой и правильный способ выбора преобразователя частоты, исходя из значения номинального тока двигателя, можно найти на паспортной табличке или в паспорте оборудования.

Пример: двигатель 11 кВт, 380 В, 23 А, поэтому номинальный ток преобразователя частоты должен быть больше или равен 23 А в легких или тяжелых условиях.

Вывод: номинальный ток электродвигателя не должен превышать номинальный ток преобразователя частоты.

Способ 2

На полной мощности, если известен номинальный ток двигателя. Преобразователь частоты можно выбрать на основе общей мощности, потребляемой двигателем

Пример: двигатель 11 кВт, 380 В, 23 А.

означает, что номинальная мощность привода не должна быть менее 15,13 кВА в легких или тяжелых режимах. (Не путайте кВА и кВт.)

Вывод: общая мощность электродвигателя не должна превышать полную мощность преобразователя частоты.

Способ 3

По мощности, если вы знаете Cosϕ двигателя и характеристики двигателя ƞ Преобразователь частоты можно выбрать в соответствии с выходной мощностью двигателя. Однако, поскольку двигатель Cosϕ и характеристики двигателя ƞ изменяются в зависимости от нагрузки, этот метод недостаточно точен.

Пример: двигатель мощностью 11 кВт с = 0,83 и Cosϕ = 0,85 потребляет.

означает, что номинальная мощность привода не должна быть менее 15,59 кВА в легких или тяжелых режимах.

Вывод: номинальная мощность электродвигателя не должна превышать номинальную мощность преобразователя частоты.

Способ 4

Четвертый метод — на основе опыта производители выпускают преобразователи частоты в соответствии с общепринятыми стандартами изготовления двигателей. Поэтому преобразователи частоты выбираются в основном исходя из мощности ЭМ, что может привести к неправильной настройке параметров, особенно при частичной нагрузке.

Что получилось

В итоге панель управления выглядит так:

Преобразователь частоты установлен в эксплуатации, пульт управления

Наклейки для кнопок я сделал с помощью программы Splan и самоклеющейся по методике, описанной в статье Моя эволюция маркировки.

Как это все работает, станет понятнее, если я предоставлю схему подключения.

Выбор мощности частотного преобразователя

Проблема мощности привода, скорее всего, стоит на первом месте при расчете привода для любой машины или агрегата. Дело в том, что большинство преобразователей частоты выдерживают большие перегрузки до 200 — 300%. Но это отнюдь не означает, что для питания электродвигателя можно смело покупать преобразователь частоты с сегментом ниже, чем требует конструкция.

Выбор мощности преобразователя частоты производится с обязательным запасом 20 — 30%. Несоблюдение этого правила может привести к поломке привода и простою оборудования.

также важно учитывать пиковые нагрузки, которые может выдержать привод. Дело в том, что при запуске электродвигателя его пусковые токи могут значительно превышать номинальные. В некоторых случаях пусковой ток в шесть раз превышает номинальный! Частота должна быть рассчитана на такие изменения.

Каждый электродвигатель оснащен охлаждающим вентилятором. Это лопасти, установленные в задней части двигателя, и при вращении вала они проталкивают воздух через корпус двигателя.

Если электродвигатель работает на низкой скорости, возможно, для охлаждения недостаточно воздуха.

В этом случае необходимо выбрать преобразователь частоты с датчиками температуры двигателя. Или устроить дополнительное охлаждение.

Подключение и настройка

Для подключения преобразователя частоты используется общая схема подключения асинхронного электродвигателя. В схеме преобразователь расположен сразу после дифференциальной машины, рассчитанный на ток, равный мощности двигателя. При установке преобразователя в трехфазную сеть необходимо использовать трехфазный автомат с общим рычагом. Это позволяет в случае перегрузки на одной из фаз отключить все источники питания одновременно. Значение срабатывания должно быть адаптировано к току фазы двигателя. А в ситуации, когда преобразователь частоты установлен в сети с однофазным током, целесообразно использовать автомат, рассчитанный на трехфазное значение. Так или иначе, установку прибора нужно производить вручную, без «врезки» в «нулевое» пространство и заземления.

По сути, настройка инвертора заключается в выборе схемы подключения фазных проводов к клеммам двигателя, но часто это зависит от типа сети, к которой они подключены. Для трехфазных электрических сетей на производственных предприятиях двигатель подключается по схеме «звезда» — эта схема предусматривает параллельное соединение проводов обмотки. Для однофазных бытовых сетей напряжением 220 В применяется схема «треугольник» (учтите, что значение выходного тока не должно превышать номинальное значение более чем на 50%).

Панель управления следует размещать в любом удобном для использования месте. Схема его подключения указана в технической документации преобразователя частоты. Перед установкой и перед подачей питания рычаг необходимо установить в положение ВЫКЛ. После перевода рычага в положение включения должна загореться соответствующая лампочка. По умолчанию, чтобы запустить устройство, нажмите клавишу «RUN». Для постепенного увеличения оборотов двигателя ручку управления нужно поворачивать медленно. При обратном вращении измените режим с помощью кнопки реверса. Теперь ручку можно установить на желаемую скорость вращения. Обратите внимание, что на панелях управления некоторых преобразователей частоты вместо механической скорости указывается частота питающего напряжения.

Как выбирать

Для производителей преобразователей частоты и другого электронного оборудования основным средством завоевания рынка является цена. Чтобы его уменьшить, создают устройства с минимальным набором функций. Следовательно, чем универсальнее та или иная модель, тем выше ее цена. Для нас это очень важно, поскольку для эффективной и длительной работы двигателя может потребоваться инвертор с определенными функциями. Давайте посмотрим на основные критерии, на которые нужно обращать внимание.

Управление

По способу управления преобразователи частоты делятся на векторные и скалярные. Первые сегодня намного популярнее, но стоят дороже, чем вторые. Преимущество векторного управления — высокая точность управления. Скалярное управление очень простое, оно может поддерживать только соотношение между выходным напряжением и частотой на заданном значении. Такой преобразователь рекомендуется ставить на небольшой прибор без большой нагрузки на двигатель, например, вентилятор.

Мощность

Конечно, чем выше значение, тем лучше. Кстати, в этом вопросе цифры не так уж и важны. Уделите больше внимания производителю: чем больше ваше оборудование «связано» друг с другом, тем эффективнее оно будет работать. Кроме того, использование нескольких преобразователей одной марки поддерживает принцип взаимозаменяемости и простоты обслуживания. Подумайте о наличии подходящего сервисного центра в вашем городе.

Сетевое напряжение

В этом случае действует тот же принцип, что и в предыдущем разделе: чем шире диапазон рабочих напряжений, тем лучше для нас. К сожалению, бытовые электрические сети незнакомы с понятием «стандарт», поэтому лучше максимально защитить технику от возможных падений. Падение напряжения вряд ли приведет к серьезным последствиям (скорее всего, преобразователь просто отключится), но резкое повышение опасно — может вывести прибор из строя из-за взрыва конденсаторов электролитической сети.

Диапазон частотной регулировки

В этом случае следует полагаться исключительно на конкретные производственные требования и требования к устройству. Так, например, для такого оборудования, как болгарки, важно значение максимальной частоты (от 1000 Гц). Стандарт для нижнего предела — это отношение от 1 к 10 по отношению к верхнему пределу. На практике чаще всего используются преобразователи с диапазоном частот от 10 до 100 Гц.Обратите внимание, что только модели преобразователей с векторным управлением имеют широкий диапазон регулирования.

Входы управления

Дискретные входы предназначены для передачи команд управления преобразователями. Они используются для запуска двигателя, остановки, торможения, обратного вращения и т.д. Аналоговые входы используются для сигналов обратной связи, которые контролируют и регулируют привод непосредственно во время работы. А цифровые используются для передачи высокочастотных сигналов, генерируемых энкодерами (датчиками угла).

На самом деле, чем больше втулок, тем лучше; однако их большое количество не только затрудняет установку устройства, но и увеличивает его стоимость.

Количество выходных сигналов

Дискретные выходы преобразователя необходимы для вывода сигналов, указывающих на проблемы, такие как перегрев устройства, отклонение входного напряжения от нормы, сбой, ошибка и т.д. Аналоговые выходы необходимы для передачи обратной связи в сложных системах. Принцип выбора тот же: искать баланс между количеством сигналов и стоимостью устройства.

Шина управления

Схема подключения преобразователя частоты поможет подобрать подходящую шину управления — количество выходов и входов должно быть как минимум одинаковым, но лучше покупать шину с небольшим запасом — это значительно облегчит вам дальнейшее совершенствование Устройство.

Перегрузочные способности

считается нормальным, если мощность преобразователя частоты на 10-15% превышает мощность двигателя. Ток также должен быть немного выше номинальной мощности двигателя. Однако этот выбор «на глаз» рекомендуется только в том случае, если необходимая техническая документация на двигатель недоступна. Если возможно, внимательно прочтите требования и выберите подходящий конвертер. Если важны ударные нагрузки, пиковый ток инвертора должен быть на 10% больше указанного значения в%.

Схема включения и работа преобразователя частоты

Схема включения инвертора, если очень простая, выглядит так:

Самая простая схема включения преобразователя частоты

Для чего нужна эта простейшая схема? — ты спрашиваешь. Однако есть инженеры-электронщики, которые не могут его спроектировать.

Это может быть еще проще, если убрать внешние элементы управления. Ведь управлять инвертором можно прямо с передней панели.

Работа преобразователя частоты, если говорить о приведенной выше схеме, описывается просто: три фазы на входе, три фазы на выходе. На входе три фазы имеют, как правило, сетевое напряжение 380 В с частотой 50 Гц. В зависимости от типа подключенного двигателя линейное напряжение на выходе изменяется от 0 до 380 В, а частота на выходе зависит от от напряжения и может варьироваться от 0 до 100 Гц и более (механика уже не выдерживает). Как частота зависит от напряжения, описывается частотно-вольтной характеристикой, которая в простейшем случае будет линейной:

Как работает преобразователь частоты. Типичное линейное напряжение в зависимости от частоты

Эта таблица является ключом к пониманию того, как работает привод и как его настраивать. Обратите внимание, что вольт-амперная характеристика содержит названия основных точек и номера параметров.

Конечно, в этих случаях есть много нюансов, но я не буду вдаваться в подробности. Если вам нужно много теории и принципов работы инвертора, в конце статьи будет что скачать и прочитать. В том числе моя обзорная статья в журнале.

На этом мы завершаем введение. Также будет пример подключения инвертора, там я в основном покажу, какие параметры я настраиваю и почему.

Самостоятельная сборка

Несмотря на то, что покупка надежного и долговечного преобразователя частоты является приоритетным вариантом, такое устройство можно собрать своими руками. Во всемирной паутине есть более одной схемы и инструкций, как это сделать. На самом деле сборка своими руками может стать отличной альтернативой, когда вам понадобится преобразователь для небольшого прибора. Самодельное устройство справится со своими задачами не хуже покупного и будет стоить намного дешевле. Но лучше оставить попытки сделать преобразователь пригодным для работы мощных асинхронных двигателей — здесь, как ни старайся, превзойти профессиональные устройства по КПД и качеству не получится.

Итак, давайте подробнее рассмотрим, как собрать преобразователь частоты для асинхронного двигателя своими руками. Отметим, что параметры однофазной бытовой электросети допускают в этом случае использование двигателя мощностью не более 1 кВт.

1. Для работы мотора нам понадобится схема подключения обмоток «треугольник». Для этого необходимо соединить выводы обмоток последовательно, соблюдая принцип «вывод одной обмотки на ввод другой».

1. Чтобы спроектировать преобразователь своими руками, нам потребуются следующие комплектующие:
   • любой микроконтроллер, аналогичный AT90PWM3B;
   • драйвер трехфазного моста (аналог IR2135);
   • 6 транзисторов IRG4BC30W;
   • 6 кнопок;
   • показатель.
2. В конструкцию создаваемого устройства входят две платы, одна из которых содержит драйвер, блок питания, входные клеммы и транзисторы, а другая — индикатор и микроконтроллер. Для соединения плат между собой воспользуемся гибким кабелем.
3. Для сборки привода необходимо использовать импульсный блок питания. Можно использовать уже готовое устройство или собрать самостоятельно (описывать этот процесс мы не будем — это тема для отдельной статьи).
4. Для управления работой двигателя необходимо подавать внешний управляющий ток, однако можно использовать микросхему IL300 с линейной развязкой.
   Изображение
5. Транзисторы и диодный мост установлены на общем радиаторе.
6. Оптопары OS2-4 используются для дублирования кнопок управления.
7. Установка трансформатора на однофазный маломощный моторный привод не является обязательной. Можно обойтись токовым шунтом сечением провода 0,5 мм и подключить его к усилителю DA-1 (кстати, он также будет служить для измерения напряжения).
8. В нашем случае мы собираем преобразователь для асинхронного двигателя мощностью 400 Вт своими руками, поэтому термодатчик не будем устанавливать — без него схема довольно сложная.
9. По окончании сборки необходимо изолировать кнопки пластиковыми кнопками. Управление кнопками осуществляется с помощью оптической развязки.

Обратите внимание, что при использовании длинных кабелей необходимо надевать кольца для подавления помех.

Позволяет управлять вращением двигателя в диапазоне частот 1:40.

Преимущества применения

• Энергосбережение благодаря возможности настройки по технологическим характеристикам. Например, скорость конвейера, давление насоса, скорость машины. Особая экономия достигается при транспортировке жидкостей. Инвертор используется для замены задвижек, задвижек, входных язычков. Высокая цена оправдывает преимущества.
• Двигателю не грозит перегрев, короткое замыкание, отключение электроэнергии, перегрузки, проблемы с фазой.
• Пусковой момент работает на максимальной мощности.
• Повышен КПД карбюраторного двигателя и устройства в целом. Благодаря мягкому всасыванию и самому торможению.
• Если нагрузка увеличивается или уменьшается, скорость вращения стабилизируется.

К недостаткам можно отнести значительную стоимость преобразователя частоты.