Что такое частотный преобразователь и как он работает

Содержание:

1. Что такое частотный преобразователь
2. Сферы применения
3. Механизм работы
4. Виды частотных преобразователей по связи с питающей сетью
5. Виды частотных преобразователей по способу управления
6. Схемы подключения
7. Режимы управления
8. Плюсы использования частотных преобразователей

1. Что такое частотный преобразователь

Частотный преобразователь (ЧП) — устройство, предназначенное для изменения частоты электрического тока с 50 Гц до заданного значения (от 1 до 800 Гц). Эта функция делает возможным управление оборотами роторов как синхронных, так и асинхронных двигателей. Любой современный частотный преобразователь состоит на двух ключевых элементов:

1. Принципиальная электрическая схема, определяющая ключевые свойства прибора, — функциональность, тип управления и алгоритм работы.
2. Силовая часть прибора, в которую входят полупроводниковые компоненты — транзисторы или тиристоры.

2. Сферы применения

Частотные преобразователи используют в самых разных сферах жизнедеятельности с целью экономии на ремонте и обслуживании оборудования, покупке дорогих синхронных двигателей и всевозможных производственных издержках. Как правило, приобретение такого устройства окупается в срок до трех лет. Наиболее часто ЧП используют для работы:

1. Крановых двигателей, для которых характерно частое изменение режима работы, остановка и запуск. Частотный преобразователь предотвращает рывки при транспортировке груза, обеспечивает максимальную эффективность силовой установки и минимальный нагрев.
2. Двигателей транспортного оборудования, к которому относятся лифты, конвейеры, прокатные станы и т. п. ЧП обеспечивает точную и стабильную работу механизмов, что повышает срок их эксплуатации, а также исключает рывки и удары при их использовании.
3. Электрических двигателей станков с ЧПУ, которые характеризуются высокой точностью. Их подключение к сети через частотный преобразователь дает возможность регулировать частоту рабочего органа с малым шагом (плавно), а также выполнять реверс.
4. Котельных и дымососов, в которых есть приводы приточных и вытяжных вентиляторов. Имея единую систему управления ими, можно обеспечить оптимальный механизм горения с получением максимально возможного коэффициента полезного действия.

3. Механизм работы

По своей сути частотный преобразователь представляет собой вторичный источник питания, способный преобразовать частоту электрического напряжения первичной (питающей) сети в нужную, то есть соответствующую определенным параметрам. Ответ на вопрос, как работает частотный преобразователь, выглядит примерно так:

1. Ток первичного источника питания подается на выпрямитель, в результате чего формируется постоянное пульсирующее напряжение. Его качество определяется особенностями преобразователей, использованных в силовой части прибора.
2. В следующем блоке устройства пульсация тока уменьшается (происходит сглаживание), частично компенсируется реактивная мощность. Для решения этих задач используются индуктивно-емкостные или емкостные фильтры, реакторы.
3. В блоке силовых ключей с системой управления ШИМ выходной сигнал становится линейным и обретает нужную форму. Модели, основанные на инверторах, выдают форму синусоиды — самый чистый сигнал, без помех и гармоник.

Благодаря использованию технологии ШИМ (широтно-импульсная модуляция) потери электроэнергии становятся минимальными, а КПД оборудования повышается (причина тому — одновременное управление амплитудой и частотой).

Кроме перечисленных блоков, во многих ЧП присутствует микропроцессор. Он обрабатывает сигналы, полученные с датчиков, записывает информацию, формирует отчеты и взаимодействует с автоматизированной системой высшего уровня. Также микропроцессор защищает оборудование в случае перегрузки, обрыва фазы и иных нарушениях его работы.

4. Виды частотных преобразователей по связи с питающей сетью

По этому критерию приборы подразделяются на два типа — с прямым подключением к основной сети переменного тока или через промежуточное звено постоянного тока.

ЧП с прямым подключением

В этом случае предполагается двусторонний обмен электрическим напряжением, при котором частота преобразуется единожды, а диапазон низких частот достаточно широк. Для непосредственных преобразователей (с прямым подключением) характерны высокий КПД, возможность повышения мощности и стабильность на низких скоростях.

К минусам моделей с непосредственным включением в питающую сеть относят:

• аппроксимированную форму сигнала, при которой неизбежны помехи, более высокая температура двигателя и снижение момента на валу;
• невозможность повышать частоту выходного напряжения (относительно входного), что не дает увеличивать количество оборотов двигателя.

Характеристики частотных преобразователей с прямым подключением оптимальны для синхронных и асинхронных электрических машин достаточно большой мощности.

ЧП с промежуточным звеном

В таких моделях использована так называемая схема двойного преобразования. Напряжение из питающей сети переменного тока сначала преобразуется в постоянное, а затем переменное. В результате выходной сигнал сглажен, его частота соответствует заданному значению. В преимущества такой схемы можно записать:

• возможность изменения частоты тока в любую сторону — и меньшую, и большую;
• чистую синусоидальную форму выходного сигнала, оптимальную и безопасную для сложного и чувствительного к помехам оборудования;
• возможность использования в качестве резервных и аварийных источников электропитания;
• богатые функциональные возможности, позволяющие реализовать алгоритм управления, оптимальный для конкретного электродвигателя.

Главные минусы ЧП с промежуточным звеном — меньший КПД (следствие двойного преобразования) и внушительные размеры устройства, вызванные большей сложностью силовой части.

5. Виды частотных преобразователей по способу управления

Существуют разные виды этого устройства, их выбор обусловлен особенностями оборудования (и требованиями к его эксплуатации) и, конечно, стоимостью. По способу управления эти приборы можно разбить на две основные группы: скалярные и векторные. Рассмотрим каждую из них, выделив их основные плюсы и минусы.

Со скалярным управлением (электромашинные)

Такие частотные преобразователи используют с насосами, компрессорами, вентиляторами и другим оборудованием, задействованным в промышленности и производстве. С их помощью можно поддерживать нужные рабочие параметры, включая давление и производительность. Минимальное и максимальное значения регулятора обычно отличаются примерно в 10 раз. Принцип работы частотного преобразователя этого типа предполагает зависимость напряжения от частоты — когда изменяется частота, меняется и напряжение.

Плюсы частотных преобразователей со скалярным управлением:

• доступная цена, которая часто является решающим фактором;
• характеристики, достаточные для многих насосов и компрессоров.

К их минусам относят:

• невозможность поддерживать точно установленное количество оборотов;
• относительно медленное изменение режима работы;
• снижение момента на исполнительном органе при повышении скорости выше номинальной и отсутствие возможности его контроля.

Недостатки преобразователя со скалярным управлением не считаются существенными при использовании с оборудованием, для которого не характерно резкое повышение/снижение нагрузки или момента на валу. В этом случае обеспечивается экономия при отсутствии рисков повредить дорогостоящее оборудование или нарушить его работу.

С векторным управлением (электронные)

В таких устройствах отсутствует зависимость напряжения от частоты, нужные характеристики устанавливаются в результате получения сигналов от датчиков. Эта особенность частотных преобразователей с векторным управлением обеспечивает заданный момент на исполнительном органе (валу).

При более высокой стоимости у таких приборов есть следующие преимущества:

• широкий диапазон регулирования (1:100 против 1:10 у скалярных);
• высокая точность регулирования (зависит от модели, до 1,5 %);
• высокое значение момента на валу при малой скорости;
• быстрый отклик на изменение нагрузки.

Частотные преобразователи с векторным управлением часто выбирают для сложного компьютеризированного оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ). К нему, например, относятся лазерные и фрезерные станки, которые автоматически по заданной программе выполняют задачи (например, изготавливают детали).

Использование векторной технологии делает возможной динамическую регулировку моментов вращающихся исполнительных органов к трехфазным асинхронным силовым агрегатам.

По сфере применения и, соответственно, мощности, электронные ЧП подразделяют на следующие варианты: до 315 кВт, до 500 кВт, взрывозащищенные и предназначенные для установки на электродвигатели. Среди них нет лучших или худших, каждая из этих категорий предназначена для определенного оборудования, нагрузки и режима работы.

6. Схемы подключения

ЧП выпускаются как для трехфазных, так и для однофазных сетей. Первые из них спроектированы под напряжение 380 В, соответственно, его они и выдают электродвигателю. В свою очередь, для однофазных моделей источником питания служит сеть 220 В, при этом на выходе такой прибор выдает три фазы, разнесенные по времени.

Соединить ЧП с обмотками двигателя можно по схеме «звезда» или «треугольник». Первый вариант используется для моделей, подключенных к трехфазной сети 380 В, второй — для 220 В. При выборе способа крайне важно убедиться, что возможности инвертора соответствуют тем мощностям, которые создает силовая установка во всех режимах работы.

Частая перегрузка частотного преобразователя и отсутствие запаса выходной мощности — причины, по которым это устройство может выйти из строя раньше времени или работать некорректно.

7. Режимы управления

Подавляющее большинство выпускаемых частотных преобразователей может использоваться в разных режимах работы. Самый простой из них — ручной, при котором для запуска и остановки оборудования используется управляющая панель или пульт. В этом случае функция ЧП сводится к управлению частотой вращения ротора и автоматической остановке при возникновении критической ситуации.

Более сложные режимы:

• с подключением к внешнему устройству, с помощью которого можно и управлять оборудованием, и контролировать его рабочие параметры;
• с соединением по дискретным входам, когда частотный преобразователь является составной частью единой системы управления;
• с запуском и остановкой по заданному сценарию, когда необходимо обеспечить бесперебойную работу оборудования в автоматическом режиме.

Заметим, что только ЧП на базе тиристоров обеспечивают возможность двустороннего обмена током с возвратом электроэнергии в сеть при использовании торможения (технология рекуперации). В свою очередь, для диодных моделей характерно полное отсутствие пульсаций.

8. Плюсы использования частотных преобразователей

Использование ЧП обеспечивает:

1. Защиту оборудования от поломок и нарушений работы, вызванных коротким замыканием, перегрузкой, обрывом фазы или иной аварийной ситуацией.
2. Повышение надежности и общего ресурса оборудования, а также увеличение срока, в течение которого оно не нуждается в техническом обслуживании.
3. Экономию на электроэнергии, которая становится возможной благодаря функции управления мощностью двигателя и уменьшению пусковых токов.
4. Автоматизацию производства, которая предполагает удаленный контроль и управление оборудованием, встраивание в системы автоматизации.

Инженерная компания 555 предлагает профессиональный ремонт частотных преобразователей и другого промышленного электрооборудования. Подскажем, как проверить частотный преобразователь, если есть сомнения насчет его работоспособности, и дадим подробную консультацию. Звоните +7 (495) 132-42-94.