Частотный регулятор скорости для асинхронного двигателя
Регулировка скорости изменением величины напряжения снижает момент и также увеличивает потери мощности. Регулировка частоты вращения путем изменения числа полюсов осуществляется ступенчато, кроме того, этот способ пригоден только для специальных многоскоростных двигателей с несколькими обмотками неподвижной части.
Асинхронный двигатель – самый распространенный электропривод технологического оборудования. Главная особенность таких электрических машин – постоянная скорость вращения вала. Ее регулировку осуществляют:
- Механическим способом. Для этого вал подключают к редукторам, муфтам и другим устройствам.
- Путем изменения числа пар полюсов, величины или частоты питающего напряжения обмоток статора.
Механическое регулирование усложняет кинематическую схему электропривода, ведет к потерям мощности и нерациональному расходу электроэнергии.
Наиболее перспективный метод регулирования уголовной скорости ротора – преобразование частоты питающего напряжения. Этот способ обеспечивает сохранение механических характеристик во всем диапазоне и обладает рядом других преимуществ.
Устройство и принцип работы частотного регулятора
Принцип частотного регулирования основан на зависимости угловой скорости вращения ротора от частоты напряжения на обмотках статора. С появлением IGBT-транзисторов и GTO-тиристоров наибольшее распространение получила схема преобразования частоты на базе широтно-импульсного модулятора.
Такие преобразователи частоты состоят:
- Из силового выпрямителя с С или LC фильтром для сглаживания пульсаций.
- Из инвертора на IGBT-транзисторах для преобразования постоянного напряжения в переменное, заданной частоты и амплитуды.
- Из блока управления для генерации отпирающих силовые транзисторы импульсов.
Переменное напряжение выпрямляется и преобразуется в постоянное, затем снова инвертируется в переменное. Частота на силовом выходе ПЧ определяется длительностью отпирающих силовые транзисторы импульсов, поступающих со схемы управления.
Такой способ регулирования позволяет изменять частоту и амплитуду напряжения в силовой цепи электродвигателя, а значит управлять скоростью вращения ротора и моментом на валу электрической машины.
Структура частотного регулятора
Большинство частотных преобразователей для электродвигателей до 690 В выполнены по схеме двухуровневых инверторов напряжения. Они позволяют моделировать напряжение питания необходимой формы, амплитуды частоты. Такие устройства состоят из неуправляемого выпрямителя, 2-х транзисторных ключей на каждую фазу и конденсатора. Выходное напряжение содержит высшие гармоники, которые сглаживаются индуктивной нагрузкой. Специальные фильтры применяют относительно редко.
К недостаткам такой схемы является ограничение величины выходного напряжения, которое определяется максимальным напряжением полупроводниковых устройств.
Для высоковольтных приводов используются многоуровневые схемы регулирования. Они состоят из нескольких однофазных инверторов, соединенных последовательно. Такая схема позволяет избежать резонансов, обеспечивает высокое быстродействие, снижает скорость нарастания напряжения. Такие ПЧ имеют модульную конструкцию. При выходе из строя одной из ячеек, ее легко заменить. К недостаткам этой схемы относятся необходимость отдельного источника питания для каждого модуля, функции которого выполняет трансформатор специального назначения.
Преобразователи частоты с плавающими конденсаторами позволяют обойтись без входного трансформатора и увеличивать число ячеек в зависимости от требуемой мощности. Такое решение обеспечивает снижение высших гармоник, уменьшает скорость нарастания напряжения.
Для регулировки скорости электродвигателей с повторно-кратковременным режимом работы частыми реверсами применяют инверторы тока. Эти устройства представляют собой управляемый выпрямитель и инвертор на тиристорах. Для уменьшения помех в цепи нагрузки в схему включается расщепленный индуктивный фильтр. Выходное напряжение таких устройств имеет форму аппроксимированной синусоиды. Для сглаживания его формы обязательно включение перед электродвигателем конденсаторов. Главное достоинство таких ПЧ – возможность рекуперации электроэнергии обратно в электросеть.
Прямые преобразователи частоты не содержат конденсаторов. Главное их преимущество – небольшие габариты и значительная мощность нагрузки. Такие устройства используются в составе мощных электроприводов работающих на низких скоростях. ПЧ этого типа выполнены на базе тиристорных преобразователей. На входе прямых ПЧ установлен фазосдвигающий трансформатор, устраняющий низшие гармоники и выполняющий функцию источника питания для каждого преобразователя. Прямые ПЧ требуют сложной схемы управления.
Состав частотных преобразователей
Кроме выпрямителя, ШИМ-модулятора и инвертора, в состав частотного преобразователя входят:
Устройство для ввода данных и обмена информаций с ПК, другими частотными преобразователями.
- Встроенная энергонезависимая память. В этом устройстве фиксируются аварийные отключения, изменения настроек, а также другие данные.
- Управляющий контроллер, обеспечивающий реализацию алгоритмов управления, обработку данных с датчиков, защитное отключение при ненормальных режимах работы.
- ЭМ-фильтр. Это устройство обеспечивает снижение реактивной высокочастотной составляющей, снижающей качество электроэнергии и отрицательно влияющей на работу электродвигателя.
- Вентилятор и радиатор для принудительного охлаждения и отвода тепла силовых транзисторов.
- Тормозной прерыватель и другие элементы.
Кроме аппаратной части, преобразователи частоты содержат программное обеспечение. Контроллеры с открытой логикой позволяют вносить изменения в стандартное ПО, поставляемое производителем, и самостоятельно программировать ПЧ.
Однофазные преобразователи частоты
Однофазные асинхронные электродвигатели широко применяются в качестве приводов насосных агрегатов, вентиляторов, маломощных станков. Для регулирования частоты вращения этих электрических машин применяются 2 основных способа:
- Изменение величины напряжения питания.
- Изменение частоты питающего напряжения.
Для регулирования питающего напряжения применяются трансформаторные, автотрансформаторные, тиристорные, симисторные и транзисторные преобразователи. Изменение частоты вращения путем регулирования напряжения имеет ряд серьезных недостатков:
- Увеличение скольжения и сильный нагрев обмоток статора.
- Узкий диапазон регулирования.
Кроме того, постоянная составляющая питающего напряжения на выходе тиристорных и симисторных устройств вызовает увеличение шума при работе, рывки и другие нежелательные явления.
Частотное регулирование лишено этих недостатков. Однофазные ПЧ применяются в холодильном оборудовании, системах вентиляции, бытовых насосах.
Такие электроприводы обеспечивают:
- Стабильную работу однофазного двигателя при любой частоте вращения.
- Снижение потребления электроэнергии.
- Возможность автоматической регулировки частоты вращения с обратной связью по изменению одного или нескольких технологических параметров.
- Удаленное управление и контроль характеристик.
- Защиту от ненормальных режимов работы и коротких замыканий.
- Интеллектуальное управление электродвигателем в соответствии с заданным алгоритмом.
- Возможность пуска без фазосдвигающего элемента.
- Поддержание необходимого момента на валу во всем диапазоне изменения скорости.
Кроме базовых составляющих, в состав однофазного преобразователя частоты входят ПИД-регулятор, ПЛК-контроллер, устройство для обмена данными с удаленным оборудованием, пульт дистанционного управления. При введении дополнительных настроек допустимо применение трехфазного ПЧ для однофазных двигателей переменного тока.
Таким образом, управление однофазными и трехфазными асинхронными электродвигателями путем изменения частоты значительно превосходит метод регулирования величины напряжения, механические способы.
Регулирование частоты оборотов электродвигателя с помощью частотных преобразователей
Частотные преобразователи применяются для плавной регулировки скорости вращения электродвигателей, а также для их защиты от перегрева и перегрузок. Эти устройства обеспечивают плавный пуск и торможение электродвигателей.
Используя частотник для электродвигателя, принцип работы которого заключается в эффективном способе управления напряжением, можно будет уже не беспокоиться за производственный или ремонтный процесс, осуществляемый соответствующим агрегатом — все будет находиться под контролем частотного преобразователя. В процессе своей работы частотник способен создавать выходное импульсное напряжение заданной частоты в диапазоне от нуля до шестисот герц. Частотное регулирование электродвигателей позволяет добиваться изменения их скорости вращения по заданным критериям. В современных моделях частотников может использоваться и бездатчиковый способ векторного регулирования, когда на валу электродвигателя нет датчика скорости, а сама скорость изменяется лишь в небольших диапазонах. Такого вида частотный регулятор для электродвигателя обычно применяется при управлении низковольтными двигателями переменного тока. В любом случае следует выбирать тот частотный преобразователь, который будет соответствовать мощности и условиям работы электродвигателя.
За счет преобразователя могут контролироваться самые разные параметры электродвигателя — например, это настройка крутящего момента, выходной мощности, изменение напряжения, скорости вращения вала и многое другое. Как видим, частотное регулирование электродвигателей — это очень широкое понятие, и поэтому оно может быть совершенно разным в зависимости от конкретной ситуации. Надо заметить, что частотник также еще позволяет экономить электроэнергию при переменном токе; к тому же это устройство, без сомнения, повышает в целом и срок работы электродвигателя. Получается, что устройство частотного регулирования оборотов электродвигателей — очень важное и нужное средство для любого электродвигателя.
Частотные преобразователи могут использоваться на конвейерах различных видов, в подъемном оборудовании (на кранах и в лифтовых системах), в центробежных насосах, вентиляторах и на металлообрабатывающем оборудовании. Частотный регулятор оборотов электродвигателя — неотъемлемый компонент на любом производстве, так как даже в экономическом плане их использование окупает себя на все сто процентов. Ведь частотники помогают существенно снижать расходы на обслуживание электродвигателей и приводных механизмов. Что и говорить про оптимизацию всего рабочего процесса с помощью частотника. Например, при помощи дополнительных входов управления частотного привода можно синхронизировать различные процессы на конвейере, а также задавать соотношения изменения одних показателей в зависимости от других — например, сделать зависимой скорость вращения шпинделя станка от скорости подачи резца. То есть в результате нагрузки на резец в данном случае подача будет уменьшена.
Как запустить и настроить частотный преобразователь — инструкция для чайников
Его называют инвертор, частотный регулятор или просто «частотник». Зачем же нужен этот черный ящик и как его настроить? Попробуем разобраться на примере Inovance MD310.
Преобразователь частоты — это силовой электронный блок, который является посредником между системой управления и электродвигателем. Он обеспечивает питание для двигателя, защищает его и задаёт необходимый режим работы — разгон, торможение или постоянное изменение скорости.
Для примера возьмем шлифовальный станок, который часто можно встретить в промышленном цеху или в столярной мастерской. Для качественной работы станка движение должно осуществляться в двух направлениях, скорость вращения ленты — меняться плавно, а аварийная кнопка мгновенно отключать питание. Без преобразователя частоты тут точно не обойтись.
Рис.1 Внешний вид шлифовального станка.
Подключение силовых цепей
Все провода, подключаемые к частотному преобразователю, можно разделить на 2 группы: силовые и контрольные. Рассмотрим подключение силовых.
Три провода сетевого питания 380 В, 50 Гц — клеммы R, S, T + провод заземления PE. Нейтраль частотному преобразователю не нужна. Даже если она у вас есть, подключать не нужно. А вот провода питания можно подключать в любом порядке. При необходимости чередование фаз можно изменить в программе частотника.
Три провода питания двигателя — клеммы U, V, W + провод заземления PE. На выходе напряжение может меняться от 0 до 380 В, а частота от 0 до 500 Гц. В этом и кроется смысл работы частотного преобразователя — он позволяет изменять скорость двигателя от нуля до номинального значения и даже выше, если это позволяет механика.
Рис.2 Подключение силовых цепей
Подключение цепей управления
С контрольными проводами всё несколько сложнее. Тут нужно хорошо подумать, прежде чем подключать. На выбор целая россыпь дискретных и аналоговых входов и выходов. В документации производители чаще всего публикуют стандартную схему подключения с заводскими настройками, но для каждого механизма на деле нужна своя схема и индивидуальные настройки.
Рис.3 Подключение цепей управления
У нас задача не самая сложная. Для управления шлифовальной машиной достаточно кнопок «Пуск», «Стоп», переключателя «Вперед – Назад» и переменного резистора для изменения скорости вращения, его ещё называют потенциометром.
К дискретным входам DI подключаются сигналы, которые могут принимать одно из двух состояний — «вкл» и «выкл» или логический 0 и 1. В нашей схеме это кнопки «Пуск», «Стоп», переключатель направления и аварийный «грибок». Мы будем использовать кнопки без фиксации, которые уже установлены на станке.
К аналоговым входам AI подключаются сигналы с непрерывно меняющейся величиной тока 4. 20 мА или напряжения 0. 10 В. Это могут быть датчики, сигналы от контроллера или другого внешнего устройства. В нашем случае — это ручка потенциометра, которая обеспечивает плавную регулировку скорости.
Потенциометр или переменный резистор — это регулируемый делитель напряжения с тремя контактами.
Рис.4 Внешний вид потенциометра
На два крайних неподвижных контакта подаётся постоянное напряжение 10 В от частотного преобразователя, а средний подвижный контакт служит для снятия текущей величины напряжения, которая зависит от положения ручки. Если ручка повернута наполовину, значит и напряжение будет только половинное = 5 В. Преобразователь пересчитает напряжение в задание скорости и разгонит двигатель.
Рис.5 Подключение потенциометра
Любой потенциометр не подойдёт, необходим с сопротивлением от 2 до 5 кОм, чтобы аналоговый вход стабильно работал. А ещё он должен быть с удобной ручкой, ведь крутить его придётся постоянно. Мощность может быть любой, даже 0,125 Вт достаточно. Идеально подойдёт XB5AD912R4K7 с сопротивлением 4,7 кОм.
На дискретные — DO и аналоговые выходы AO преобразователь выдает информацию о своем текущем состоянии, скорости или токе двигателя, достижении заданных значений или выходе за их пределы. В нашем случае выходы не используются, поэтому подключать нечего.
Настройка
Недостаточно просто подключить все провода к частотнику, его ещё нужно правильно настроить, чтобы механизм работал стабильно и долго. Для этого в частотном преобразователе несколько сотен параметров. Конечно, все настраивать не придётся, но вот основные — обязательно.
Настройка осуществляется с помощью клавиш на встроенной панели управления. С ними всё предельно просто.
Кнопка PRG отвечает за вход и выход из режима программирования. Кнопки вверх, вниз и вбок осуществляют навигацию внутри меню, а кнопка Enter — подтверждает выбор параметра или его значения.
MF.K — это дополнительная функциональная кнопка, которую можно настроить на необходимое действие, например переключение между местным и дистанционным управлением или смену направления вращения.
Зеленая и красная кнопки — это Пуск и Стоп, если управление осуществляется с панели.
Если запутались, не беда. Нужно несколько раз нажать на кнопку PRG, чтобы вернуться к исходному состоянию.
Рис.6 Внешний вид панели управления
А теперь к параметрированию
Во-первых, необходимо дать понять частотному преобразователю, какой двигатель к нему подключен. Для этого в параметры с F1-01 по F1-05 запишем значения с шильдика двигателя:
F1-01 = 1,5 кВт — номинальная мощность двигателя
F1-02 = 380 В — номинальное напряжение двигателя
F1-03 = 3,75 А — номинальный ток двигателя
F1-04 = 50 Гц — номинальная частота двигателя
F1-05 = 1400 об/мин — номинальная скорость двигателя
Рис.7 Шильдик двигателя
Теперь, когда основные данные о двигателе есть, нужно провести автонастройку. Этот процесс нужен, чтобы частотный преобразователь ещё лучше адаптировался к работе с конкретным двигателем: вычислил сопротивление и индуктивность обмоток. Так управление будет точнее, а экономия энергии — больше.
Для запуска процедуры устанавливаем F1-37 = 1 — статическая автонастройка и нажимаем кнопку «Run» на панели управления. Через пару минут дисплей переходит в исходное состояние и частотник готов к работе.
Далее переведём управление на внешние кнопки и настроим его
В нашем случае подойдёт трёхпроводное управление, где кнопка «Стоп» осуществляет разрешение на работу, кнопка «Старт» — запуск станка, а переключатель выбирает направление вращения.
Рис.8 Схема трёхпроводного управления
Настроим эти параметры:
F0-02 = 1 — управление через клеммы управления
F0-03 = 2 — задание частоты с AI1 (потенциометр)
F4-00 = 1 — пуск
F4-01 = 2 — выбор направления движения
F4-02 = 3 — разрешение работы
F4-03 = 47 — аварийный останов
F4-11 = 3 — режим трёхпроводного управления
Теперь станок начинает оживать, реагирует на нажатие кнопок и вращение ручки скорости. Остаётся настроить время разгона, торможения и проверить на практике удобство использования. Наш частотный преобразователь настроен и готов к использованию!
Защита и безопасность
Преобразователь частоты — умное устройство. После настройки в работу включаются все защитные функции, которые в случае аварии сберегут и сам частотник, и двигатель, и механизм.
Например, при заклинивании: преобразователь вычислит, что ток двигателя намного выше номинального, который мы установили в параметре F1-03 ранее, выдаст ошибку «Перегрузка двигателя» и отключится. Двигатель не перегреется и не сгорит, а механика останется целой.
А если возникла угроза здоровью оператора или поломки оборудования — спасет аварийная кнопка «грибок». При её нажатии преобразователь в мгновение остановит станок и отключит питание. Никто не пострадает!
Вместо заключения
Настройка частотного преобразователя — процесс увлекательный. Порой преобразователь берёт на себя не только управление двигателем, но и целой системой и может заменить даже простой контроллер. К частотнику можно подключать датчики, лампы индикации, реле и даже контакторы. Применение преобразователю можно найти везде: от насосов и конвейеров до сложных станков, подъёмников и лифтов. Главное внимательно изучать документацию и делать всё по порядку, тогда всё обязательно получится.
Частотные регуляторы оборотов электродвигателя в Москве
99 кГц регулируемая, 1 кГц шаг, частота по умолчанию 20 кГц, точность около 1% Рабочий цикл: 0-100%.
Регулятор скорости DC двигателя в корпусе
Регулятор скорости/частоты вращения Shuft SRE-2,5
Регулятор скорости/частоты вращения VENTS РС-1-300
Регулятор скорости двигателя DC 6-28В 3A
Регулятор скорости/частоты вращения ERA РС-В 2,5А
Регулятор скорости 32A для коллекторных двигателей
Регулятор скорости Schneider Electric ATV310HU15N4E частотный (1,5 кВт 380 В)
Электронный регулятор давления инверторного типа ACR 1100 Вт (частотный, 1 фазн. 220В)
Преобразователь частоты VLT Micro Drive FC 51 1,5 кВт
Регулятор скорости РС-1-300
Power regulator 800W Регулятор частоты вращения насосов до 800 Вт
RE 3.2 с пятиступенчатым переключателем регулятор скорости для однофазных двигателей
Преобразователь частоты VLT Micro Drive FC 51 0,75 кВт 380 В
Регулятор скорости/частоты вращения ERA РС-Н 2,5А
Частотный преобразователь 2,2кВт 380В Innovert ISD MINI PLUS / Преобразователь частоты / Инвертор / Три фазы
Регулятор оборотов двигателя ШИМ 1.8 — 12В
C0075G3 Частотный преобразователь 380В 7.5кВт 16А M-DRIVER
ШИМ PWM 20 A регулятор оборотов мотора постоянного тока с выносным потенциометром
325722 FR-CS84-036-60 Преобразователь частоты: ном. мощ. двигателя: 1,5кВт; вх.напр.: 3×380В, 50Гц
Преобразователь частоты VLT Micro Drive FC 51 0,37 кВт 220 В
Частотный преобразователь 2,2кВт 220в Innovert ISD MINI PLUS / Вход одна фаза, выход три фазы / Преобразователь частоты / Инвертор
Shuft Регулятор скорости Shuft SRE-D-4,0-T трехфазный пятиступенчатый с термозащитой (в корпусе)
