Регулирование частотным приводом позволяет с помощью специального преобразователя гибко изменять режимы работы электродвигателя: производить его пуск, остановку, разгон, торможение, изменение скорости вращения.
Изменение частоты напряжения питания приводит к изменению угловой скорости магнитного поля статора. Когда частота уменьшается, скорость вращения двигателя снижается, а скольжение увеличивается.
Принцип действия частотного преобразователя привода
Главным недостатком асинхронных двигателей является сложность регулирования скорости традиционными способами: изменением напряжения питания и введением в цепь обмоток дополнительных сопротивлений. Более совершенным является частотный привод электродвигателя. До недавнего времени преобразователи стоили дорого, но появление IGBT-транзисторов и микропроцессорных управляющих систем позволило зарубежным производителям создать доступные по стоимости устройства. Наиболее совершенными сейчас являются статические преобразователи частоты.
Угловая скорость магнитного поля статора ω0 меняется пропорционально частоте ƒ1 в соответствии с формулой:
ω0 = 2π׃1/p,
где p – число пар полюсов.
Способ обеспечивает плавное регулирование скорости. При этом скорость скольжения двигателя не возрастает.
Чтобы получить высокие энергетические показатели двигателя - КПД, коэффициент мощности и перегрузочную способность, вместе с частотой изменяют напряжение питания по определенным зависимостям:
- постоянный момент нагрузки – U1/ ƒ1= const;
- вентиляторный характер момента нагрузки - U1/ ƒ12= const;
- момент нагрузки, обратно пропорциональный скорости - U1/√ ƒ1 = const.
Эти функции реализуются с помощью преобразователя, одновременно изменяющего частоту и напряжение на статоре двигателя. Электроэнергия экономится за счет регулирования с помощью необходимого технологического параметра: давления насоса, производительности вентилятора, скорости подачи станка и др. При этом параметры меняются плавно.
Способы частотного управления асинхронными и синхронными электродвигателями
В частотно регулируемом приводе на базе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются два способа управления - скалярное и векторное. В первом случае одновременно изменяются амплитуда и частота питающего напряжения.
Это необходимо для поддерживания рабочих характеристик двигателя, чаще всего - постоянное отношение его максимального момента к моменту сопротивления на валу. В результате остаются неизменными КПД и коэффициент мощности во всем диапазоне вращения.
Векторное регулирование заключается в одновременном изменении амплитуды и фазы тока на статоре.
Частотный привод двигателя синхронного типа работает только при небольших нагрузках, при росте которых выше допустимых значений синхронизм может нарушиться.
Достоинства частотного привода
Частотное регулирование обладает целым спектром преимуществ по сравнению с другими способами.
- Автоматизация работы двигателя и производственных процессов.
- Плавный пуск, устраняющий типичные ошибки, возникающие при разгоне двигателя. Повышение надежности привода частотного и оборудования за счет снижения перегрузок.
- Повышение экономичности работы и производительности привода в целом.
- Создание постоянной частоты вращения электродвигателя независимо от характера нагрузки, что важно при переходных процессах. Использование обратной связи дает возможность поддерживать постоянную скорость двигателя при различных возмущающих воздействиях, в частности при переменных нагрузках.
- Преобразователи легко встраиваются в действующие технические системы без существенной переделки и остановки технологических процессов. Диапазон мощностей велик, но с их увеличением существенно возрастают цены.
- Возможность отказаться от вариаторов, редукторов, дросселей и прочей регулирующей аппаратуры или расширить диапазон их применения. За счет этого обеспечивается значительная экономия электроэнергии.
- Устранение вредного действия переходных процессов на технологическое оборудование, типа гидравлических ударов или повышенного давления жидкости в трубопроводах при снижении ее потребления в ночное время.
Недостатки
Как все инверторы, частотники являются источниками помех. В них необходимо устанавливать фильтры.
Стоимость брендов высока. Она значительно возрастает при увеличении мощности аппаратов.
Частотная регулировка при транспортировке жидкостей
На объектах, где производится перекачка воды и других жидкостей, регулировка расхода производится большей частью с помощью задвижек и клапанов. В настоящее время перспективным направлением является применение частотного привода насоса или вентилятора, приводящего в движение их лопасти.
Применение частотного преобразователя как альтернативы дроссельной заслонки дает энергосберегающий эффект до 75 %. Задвижка, сдерживая поток жидкости, не выполняет полезную работу. При этом возрастают потери энергии и вещества на его транспортировку.
Привод частотный дает возможность поддерживать у потребителя постоянное давление при изменении расхода жидкости. От датчика давления поступает сигнал на привод, который изменяет частоту вращения двигателя и тем самым регулирует его обороты, поддерживая заданный расход.
Управление насосными агрегатами производится путем изменения их производительности. Мощность потребления у насоса находится в кубической зависимости от производительности или скорости вращения колеса. Если обороты уменьшить в 2 раза, производительность насоса упадет в 8 раз. Наличие суточного графика потребления воды позволяет определить экономию электроэнергии за этот период, если производить управление частотным приводом. За счет него можно автоматизировать насосную станцию и оптимизировать тем самым давление воды в сетях.
Работа систем вентиляции и кондиционирования воздуха
Максимальный расход воздуха в вентиляционных системах не всегда нужен. Условия функционирования могут потребовать снижения производительности. Традиционно для этого применяется дросселирование, когда частота вращения колеса остается постоянной. Удобней менять расход воздуха за счет частотно регулируемого привода, когда изменяются сезонные и климатические условия, выделение тепла, влаги, паров и вредных газов.
Экономия электроэнергии в системах вентиляции и кондиционирования достигается не ниже, чем у насосных станций, поскольку потребляемая мощность вращения вала находится в кубической зависимости от оборотов.
Устройство частотного преобразователя
Современный частотный привод устроен по схеме двойного преобразователя. Он состоит из выпрямителя и импульсного инвертора с системой управления.
После выпрямления напряжения сети сигнал сглаживается фильтром и поступает на инвертор с шестью транзисторными ключами, где каждый из них подключен к обмоткам статора асинхронного электродвигателя. Блок преобразует выпрямленный сигнал в трехфазный нужной частоты и амплитуды. Силовые IGBT-транзисторы на выходных каскадах обладают высокой частотой переключения и обеспечивают четкий прямоугольный сигнал без искажений. За счет фильтрующих свойств обмоток двигателя форма кривой тока на их выходе остается синусоидальной.
Способы регулирования амплитуды сигнала
Величина выходного напряжения регулируется двумя методами:
- Амплитудный - изменение величины напряжения.
- Широтно-импульсная модуляция - способ преобразования импульсного сигнала, при котором изменяется его длительность, а частота остается неизменной. Здесь мощность зависит от ширины импульса.
Второй способ применяется чаще всего в связи с развитием техники микропроцессоров. Современные инверторы изготавливаются на основе запираемых GTO-тиристоров или IGBT-транзисторов.
Возможности и применение преобразователей
Частотный привод обладает многими возможностями.
- Регулирование частоты трехфазного питающего напряжения от нуля до 400 Гц.
- Разгон или торможение электродвигателя от 0,01 сек. до 50 мин. по заданному закону от времени (обычно - линейному). При разгоне возможно не только снижение, но и увеличение до 150 % динамических и пусковых моментов.
- Реверс двигателя с заданными режимами торможения и разгона до нужной скорости в другом направлении.
- В преобразователях применяется настраиваемая электронная защита от коротких замыканий, перегрузок, утечек на землю и обрывов линий питания двигателя.
- На цифровых дисплеях преобразователей изображаются данные об их параметрах: частоте, напряжении питания, скорости, токе и др.
- В преобразователях настраиваются вольт-частотные характеристики в зависимости от того, какие требуются нагрузки на двигатели. Функции систем управления на их основе обеспечиваются за счет встроенных контроллеров.
- Для низких частот важно применять векторное управление, позволяющее работать с полным моментом двигателя, поддерживать постоянную скорость при изменении нагрузок, контролировать момент на валу. Частотно регулирующий привод хорошо работает при правильном введении паспортных данных двигателя и после успешного проведения его тестирования. Известны изделия компаний HYUNDAI, Sanyu и др.
- насосы в системах горячего и холодного водо- и теплоснабжения;
- шламовые, песковые и пульповые насосы обогатительных фабрик;
- системы транспортирования: конвейеры, рольганги и др. средства;
- мешалки, мельницы, дробилки, экструдеры, дозаторы, питатели;
- центрифуги;
- лифты;
- металлургическое оборудование;
- буровое оборудование;
- электроприводы станков;
- экскаваторное и крановое оборудование, механизмы манипуляторов.
Производители преобразователей частоты, отзывы
Отечественный производитель уже начал изготавливать изделия, подходящие для пользователей по качеству и цене. Преимуществом является возможность быстро получить нужный аппарат, а также подробную консультацию по настройке.
Компания "Эффективные системы" производит серийную продукцию и опытные партии оборудования. Изделия применяются для бытового использования, в малом бизнесе и в промышленности. Производитель "Веспер" выпускает семь серий преобразователей, среди которых есть многофункциональные, подходящие для большинства промышленных механизмов.
Лидером по производству частотников является датская компания Danfoss. Ее изделия используются в системах вентиляции, кондционирования, водоснабжения и отопления. Финская компания Vacon, входящая в состав датской, производит модульные конструкции, из которых можно скомпоновать необходимые устройства без лишних деталей, что позволяет сэкономить на компонентах. Известны также преобразователи международного концерна ABB, применяемые в промышленности и в быту.
Если судить по отзывам, для решения простых типовых задач можно применять дешевые отечественные преобразователи, а для сложных нужен бренд, где значительно больше настроек.
Заключение
Привод частотный управляет электродвигателем путем изменения частоты и амплитуды питающего напряжения, при этом защищая его от неисправностей: перегрузок, короткого замыкания, обрывов в питающей сети. Подобные электрические приводы выполняют три основные функции, связанные с разгоном, торможением и скоростью двигателей. Это позволяет повысить эффективность оборудования во многих областях техники.
