Принцип работы преобразователя частоты

Управление асинхронным двигателем

Асинхронный двигатель переменного тока – это электрическая машина, у которой скорость вращения ротора меньше скорости вращения магнитного поля статора. Большинство электроприводов, используемых в промышленности и других отраслях, работают на основе таких двигателей.

Основные преимущества асинхронных двигателей:

• Хорошее соотношение массы и мощности.
• Относительно невысокая стоимость.
• Простота конструкции.
• Высокая надежность.
• Низкие эксплуатационные затраты.

Однако у них есть и недостатки, главным из которых является сложность регулирования скорости вращения вала. При изменении напряжения на обмотках теряются мощность и крутящий момент. Использование двигателей с фазным ротором лишь немного расширяет диапазон скоростей, но при этом значительно увеличивает стоимость системы. Применение редукторов усложняет конструкцию и тоже ведет к удорожанию.

Наиболее перспективным методом управления асинхронными двигателями является изменение частоты питающего напряжения на обмотках статора. Этот способ позволяет обойтись без механических регуляторов скорости, не усложняя конструкцию ротора и не ухудшая механические характеристики двигателя.

Для управления асинхронными электроприводами применяются преобразователи частоты (ПЧ). Рассмотрим их назначение, принципы работы, типы и преимущества.

Что такое преобразователь частоты?

Преобразователь частоты (ПЧ) – это устройство, которое регулирует частоту переменного напряжения. Принцип его работы основан на зависимости скорости вращения вала двигателя от частоты напряжения на обмотках статора: чем выше частота, тем больше скорость вращения.

Таким образом, ПЧ позволяет изменять скорость и момент на валу, преобразуя частоту питающего напряжения.

Стандартные скорости асинхронных двигателей – 500, 750, 1000, 1500 и 3000 об/мин. Применение ПЧ позволяет как увеличивать, так и снижать угловую скорость вращения. Диапазон регулирования может составлять до 1:200 и более, выше или ниже номинальной скорости.

Преобразователь подключается к сети перед двигателем, и на его обмотки подается напряжение с частотой, отличающейся от сетевой.

Современные ПЧ оснащены контроллерами, обеспечивающими защиту, задания режимов пуска, разгона и торможения, а также реализацию сложных функций управления, таких как динамическое торможение или обнаружение обрыва приводного ремня.

Таким образом, ПЧ не только регулирует скорость и момент на валу, но и позволяет более эффективно управлять оборудованием, защищая его от аварийных режимов работы.

Применение ПЧ значительно расширяет функциональные возможности асинхронных электроприводов и делает возможным использование более простых и дешевых двигателей.

Пример использования ПЧ в бытовых условиях – насосы для водоснабжения и отопления. Преобразователи частоты регулируют подачу воды в зависимости от расхода или температуры, а также обеспечивают плавный пуск и остановку для предотвращения гидравлических ударов.

Схемы преобразователей частоты

Существует две основные схемы преобразователей частоты: с непосредственной связью с сетью и с промежуточным звеном постоянного тока.

Первая схема обычно основана на управляемых или неуправляемых тиристорных ключах. Возможные варианты схем – мостовая, встречно-параллельная, перекрестная и другие.

Каждый ключ преобразователя пропускает определенный участок синусоидального сигнала, что позволяет формировать на выходе напряжение, близкое по форме к синусоиде. При этом частота выходного напряжения отличается от частоты сети. Преобразователи с непосредственной связью с сетью обеспечивают стабильный момент даже на низких скоростях, хорошо справляются с перегрузками и могут использоваться с нагрузками с низким коэффициентом мощности. Они также характеризуются высоким КПД и возможностью работы в режиме рекуперации энергии при торможении двигателя. Для увеличения мощности таких преобразователей можно наращивать тиристорные цепи.

Схемы с двойным преобразованием частоты позволяют изменять ее как выше, так и ниже номинальной сетевой частоты. Они обеспечивают более гибкое управление скоростью и моментом на валу, реализуя различные алгоритмы управления. Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока обладают меньшим уровнем паразитных гармоник по сравнению с устройствами с непосредственной связью. Однако их недостатками являются увеличенные потери энергии из-за двойного преобразования и более высокая стоимость.

Виды преобразователей частоты

Преобразователи частоты классифицируются по различным критериям: по принципу управления, назначению (общепромышленные или специализированные), количеству фаз (для однофазных и трехфазных двигателей), а также по условиям эксплуатации (для тяжелых или нормальных режимов работы). Рассмотрим эти виды более подробно.

Виды преобразователей по принципу управления

1. Скалярное управление. Принцип скалярного управления основан на поддержании постоянного отношения напряжение/частота (U/f) на всем диапазоне скоростей вала. Это отношение определяет величину магнитного потока в зазоре между статором и ротором. Основные контролируемые параметры – напряжение и частота, причем скорость вращения вала двигателя оценивается на основе частоты напряжения на его обмотках. Недостатком таких схем является высокий уровень высших гармоник, а также возможность регулировки скорости только ниже номинальной.
2. Устройства с промежуточным звеном постоянного тока. Эти преобразователи состоят из выпрямителя, промежуточного конденсаторного звена, инвертора и блока управления. Работают следующим образом: переменное напряжение с частотой 50 Гц преобразуется в постоянное, затем фильтруется для устранения переменной составляющей. После этого инвертор на быстродействующих ключах преобразует постоянное напряжение обратно в переменное с измененной частотой.

Таким образом, выбор типа преобразователя частоты зависит от требований к управлению двигателем, специфики нагрузки и условий эксплуатации.

Скалярный метод управления не требует больших вычислительных ресурсов для схемы управления, поэтому широко применяется для приводов на базе асинхронных двигателей с постоянной нагрузкой. Такой метод также подходит для управления группой двигателей одним преобразователем частоты, что часто используется, например, на насосных станциях.

Преимущества и недостатки скалярного метода

Основные преимущества скалярного метода – простота и экономичность. Однако у этого способа есть и недостатки:

• Ограниченный пусковой момент при низких частотах.
• Невысокая точность регулирования скорости при работе под нагрузкой.
• Невозможность контроля момента на валу.
• Медленный отклик системы на изменение параметров.

Чтобы повысить точность регулирования скорости при скалярном управлении, в схему часто вводится энкодер. Это устройство обеспечивает обратную связь по угловой скорости вращения вала двигателя, что помогает компенсировать погрешности, вызванные скольжением асинхронного двигателя. Однако даже при использовании датчика скорости остаются остальные недостатки метода, что делает его применение ограниченным.

Принцип векторного регулирования

В отличие от скалярного метода, векторное управление основано на контроле не только величины, но и фазы питающего напряжения, а также частоты на обмотках двигателя. Этот метод позволяет управлять как скалярными, так и векторными величинами, что дает возможность более точно контролировать момент и скорость вращения двигателя.

Векторное управление является более сложным с точки зрения вычислительных мощностей, но оно обеспечивает более быстрый отклик и высокую точность управления, особенно при переменных нагрузках.

Векторный метод управления

Векторный метод управления обеспечивает высокую точность контроля скорости и моментальной реакции на изменения нагрузки. Он расширяет диапазон угловых скоростей вала двигателя, снижает потери на нагрев и намагничивание. Этот способ особенно эффективен в электроприводах с динамической нагрузкой и там, где требуется высокая точность позиционирования. Например, для прецизионных механизмов может использоваться датчик скорости или числа оборотов, что улучшает точность и стабильность управления.

Однако у векторного метода есть и недостатки:

• Необходимость высокой вычислительной мощности для системы управления.
• Относительно высокая стоимость.
• Сложность реализации по сравнению с более простыми методами.

Преобразователи частоты по применению

Преобразователи частоты (ПЧ) классифицируются в зависимости от их назначения.

1. Общепромышленные преобразователи. Эти устройства применяются для управления приводами в самых разных отраслях. Параметры и алгоритмы работы задаются во время настройки и могут адаптироваться под разные типы оборудования.
2. Специализированные преобразователи. Такие устройства разработаны для конкретных задач и оснащены встроенными функциями для специфических приложений. Например, ПЧ для насосов и вентиляторов, кранов, лифтов и других видов оборудования, где важны особые условия эксплуатации.

Преобразователи частоты по количеству фаз

• Однофазные ПЧ используются для управления однофазными электродвигателями. Применяются в бытовых или небольших промышленных установках.
• Трехфазные ПЧ предназначены для работы с трехфазными электродвигателями, которые применяются в более мощных промышленных системах.

Преимущества использования преобразователей частоты

Помимо плавного регулирования скорости и момента, преобразователи частоты обладают рядом других значительных преимуществ:

1. Ограничение пусковых токов. ПЧ обеспечивают мягкий старт двигателя на пониженном напряжении, предотвращая резкие скачки тока, что защищает оборудование от износа.
2. Экономия электроэнергии. Преобразователи частоты предотвращают работу двигателя на полной мощности в режиме недогрузки, оптимизируя потребление энергии. Это может привести к снижению расходов на электроэнергию на 40% и более.
3. Увеличение срока службы оборудования. ПЧ снижают тепловую нагрузку на обмотки двигателя и исключают ударные нагрузки, что продлевает срок службы двигателя и сопутствующего оборудования.
4. Снижение уровня шума. Благодаря оптимизации подачи напряжения на обмотки, двигатели, работающие через ПЧ, функционируют тише.
5. Замена механических устройств. Преобразователи частоты могут заменить такие механизмы, как редукторы и фрикционные тормоза, что упрощает систему и снижает затраты на обслуживание.
6. Плавный пуск и разгон. В настройках ПЧ можно задать плавный режим пуска и разгона, что исключает резкие изменения скорости и нагрузок.
7. Замена двигателей постоянного тока. Приводы на базе ПЧ позволяют эффективно управлять асинхронными и синхронными двигателями, что дает возможность отказаться от более дорогих и сложных в эксплуатации машин постоянного тока.

Преобразователи частоты (ПЧ) не только позволяют управлять скоростью и моментом двигателя, но также обеспечивают защиту от различных аварийных и ненормальных режимов работы, таких как перегрузки, обрыв фазы, короткие замыкания, заклинивание вала и другие неисправности. Современные ПЧ оснащены встроенными контроллерами, которые могут выполнять функции ПИ- или ПИД-регулирования, обеспечивать динамическое торможение, подхват на ходу, пропуск резонансных скоростей и многое другое.

Интеграция ПЧ в системы АСУТП

Промышленные преобразователи частоты могут быть интегрированы в автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП). Устройства поддерживают такие интерфейсы связи, как Profibus и Modbus RTU/TCP, что позволяет им взаимодействовать с другими элементами системы и обеспечивать обмен данными. Управление и настройка ПЧ может осуществляться удаленно, с возможностью передачи данных на панели оператора или ПК, что повышает удобство эксплуатации и диагностики оборудования.

Области применения ПЧ

Преобразователи частоты применяются в широком спектре отраслей промышленности и инженерных системах. Они находят применение в следующих системах и оборудовании:

1. Системы вентиляции, водоснабжения и орошения: ПЧ управляют насосами, вентиляторами и исполнительными механизмами, такими как задвижки, для оптимизации работы систем.
2. Горнодобывающая промышленность: Используются в электроприводах дробилок, шредеров, шаровых мельниц и ленточных транспортеров для улучшения точности и эффективности процессов.
3. Пищевая промышленность: Преобразователи частоты применяются для управления сепараторами, системами подачи, конвейерами, дозаторами и зерновыми мельницами, что способствует точности процессов и снижению энергопотребления.
4. Нефтехимическая промышленность: ПЧ управляют системами подачи, теплообменниками, компрессорами и другими важными технологическими процессами.
5. Целлюлозно-бумажное производство: Применяются в бумагоделательных машинах, системах кондиционирования сеток, приводах сукноведущих валов и воздуходувках для сушильных линий.
6. Металло- и деревообработка: Используются для управления ленточно-шлифовальными станками, токарными и фрезерными станками, а также в волочильных и сервильных машинах для повышения точности обработки и снижения износа оборудования.

Таким образом, ПЧ не только помогают снизить затраты на энергопотребление и продлить срок службы оборудования, но и повышают общую производительность и безопасность работы в различных отраслях.

Кроме того, преобразователи частоты находят применение в приводах кранов, лифтов и других грузоподъемных механизмов, а также в испытательных машинах и оборудовании различного назначения. Они обеспечивают точный контроль над скоростью и моментом, что особенно важно для механизмов, требующих плавного движения и точного позиционирования.

Заключение

Преобразователи частоты — это ключевые устройства для управления скоростью и моментом электродвигателей переменного тока. Они различаются по элементной базе, схемам, способам управления, назначению и исполнению. Применение ПЧ позволяет заменить более дорогие и сложные двигатели постоянного тока на асинхронные и синхронные электродвигатели переменного тока, тем самым увеличивая срок службы оборудования, снижая эксплуатационные расходы и экономя электроэнергию. Частотно-регулируемые приводы находят широкое применение во всех отраслях промышленности и в инженерных системах зданий, обеспечивая эффективное и надежное управление электроприводами.